Avancées théoriques sur le torio : comment la tecnología révolutionne les tipos d’énergie renouvelable

L’énergie nucléaire est au cœur du débat sur l’avenir énergétique mondial. Alors que l’humanité cherche des sources d’énergie plus propres, sûres et durables pour répondre à ses besoins croissants, la recherche sur les nouvelles technologies nucléaires devient de plus en plus pertinente. Les systèmes traditionnels utilisant de l’uranium sont toujours au centre des préoccupations, mais l’intérêt pour le thorium, un élément aux caractéristiques prometteuses, croît également.

Qu’est-ce que l’énergie nucléaire et comment est-elle produite ?

L’énergie nucléaire se trouve dans le noyau des atomes, représentant une grande quantité d’énergie qui peut être libérée via des réactions nucléaires. Principalement, il existe deux techniques pour exploiter cette énergie : la fission et la fusion. La fusion, qui alimente le soleil, reste aujourd’hui un domaine de recherche, alors que la technologie commerciale repose sur la fission nucléaire.

Dans la fission, le noyau d’un atome lourd, tel que l’uranium ou le plutonium, se divise en fragments plus légers lorsqu’il est bombardé par des neutrons. Ce processus non seulement génère des noyaux plus légers, mais libère également d’autres neutrons ainsi qu’une quantité significative d’énergie sous forme de chaleur et de radiations.

Cette chaleur est ensuite utilisée pour produire de la vapeur qui entraîne des turbines, générant ainsi de l’électricité dans les centrales nucléaires. Cela fonctionne de manière similaire à une centrale thermique classique, bien que la source de chaleur diffère.

Types principaux de réacteurs et technologies nucléaires

Au fil des décennies, l’industrie nucléaire a développé différentes technologies et types de réacteurs. Voici un aperçu des plus pertinents, qu’ils soient en service ou en phase expérimentale :

• Réacteurs à eau légère (PWR et BWR) : Les plus courants, utilisant de l’eau ordinaire comme réfrigérant et modérateur de neutrons. Les réacteurs à eau sous pression (PWR) et à eau en ébullition (BWR) font généralement appel à de l’uranium enrichi.
• Réacteurs à eau lourde (PHWR) : Ici, l’eau lourde (oxyde de deutérium) agit comme modérateur et réfrigérant. Ils permettent l’utilisation d’uranium naturel ou de combustibles avec du thorium, offrant une option viable pour les pays disposant de peu d’uranium enrichi.
• Réacteurs à gaz à haute température (HTR) : Ces réacteurs utilisent un gaz comme l’hélium pour le refroidissement et peuvent fonctionner à des températures plus élevées. Ils favorisent l’utilisation de combustibles alternatifs, comme le thorium, augmentant leur efficacité et sécurité.
• Réacteurs rapides à neutrons (FNR) : Ils exploitent des neutrons rapides et peuvent utiliser de l’uranium ainsi que du plutonium, permettant de maximiser l’utilisation du combustible.
• Réacteurs à sels fondus (MSR) : Une technologie en développement, où le combustible nucléaire est dissous dans un sel fondu, facilitant l’utilisation de thorium et d’autres éléments fertiles.
• Réacteurs actionnés par accélérateur (ADS) : Un concept innovant et encore à l’étude où un faisceau de protons produit par un accélérateur génère des neutrons qui maintiennent la réaction dans une matrice subcritique de thorium ou d’uranium.

Chaque type de réacteur possède des avantages, des défis et des applications spécifiques. Les systèmes actuels se concentrent sur la sécurité, l’efficacité des combustibles et la réduction des déchets radioactifs, tandis que les conceptions expérimentales envisagent des solutions pour un avenir énergétique plus propre et sûr.

Le cycle du combustible nucléaire : de l’extraction aux déchets

Le cycle du combustible nucléaire commence par l’extraction du minerai, principalement l’uranium, bien que le thorium commence à émerger comme une alternative prometteuse.

Pour l’uranium, l’enrichissement de l’isotope U-235 est nécessaire, car il ne constitue que 0,7% de l’uranium naturel et est responsable de la réaction en chaîne. Ce processus comporte plusieurs étapes : la minéralisation, la conversion, l’enrichissement, la fabrication du combustible, son utilisation dans le réacteur, la gestion des déchets et parfois le reprovisionnement pour le recyclage de matériaux utiles.

Lorsque le thorium est utilisé comme combustible, le processus diffère. Le thorium 232 n’est pas directement fissionnable, mais en capturant un neutron, il se transforme par une série de désintégrations en uranium 233 (U-233), qui est fissionnable et peut soutenir la réaction nucléaire. Cette conversion présente des défis techniques, mais elle offre d’importants avantages en termes de durabilité et de déchets.

La gestion et le stockage des déchets restent le défi le plus important sur les plans éthique, technique et social pour l’énergie nucléaire. Les déchets d’uranium et de plutonium restent dangereux pendant des milliers d’années, tandis que l’utilisation de nouvelles technologies et d’éléments fertiles comme le thorium pourrait radicalement réduire le temps pendant lequel ces déchets restent dangereux.

Le potentiel du thorium : l’énergie nucléaire du futur ?

Le thorium est un élément chimique découvert en 1828, beaucoup plus abondant dans la croûte terrestre que l’uranium et présentant des propriétés qui lui confèrent un avantage certain par rapport aux combustibles nucléaires traditionnels. On le trouve principalement dans la monazite, un minéral de terres rares, et n’a pas besoin d’enrichissement car il n’existe naturellement qu’en tant que thorium-232.

En état pur, le thorium possède une demi-vie d’environ 14 milliards d’années, ce qui le rend extrêmement stable et peu radioactif comparé aux autres matériaux. En outre, l’oxyde de thorium a un point de fusion élevé, d’environ 3350 °C, et une excellente conductivité thermique, le rendant idéal pour les applications nécessitant une résistance à la chaleur.

Le thorium est considéré comme un matériau fertile, non fissionnable directement dans des réacteurs thermiques, mais capable de subir la fission lorsqu’il est converti en uranium 233, un excellent matériau fissionnable. Cela est fondamental pour les réacteurs de nouvelle génération et les expérimentations de combustibles avancés.

Les formes d’utilisation du thorium dans la production nucléaire incluent :

• Aditif dans les cycles d’uranium, compatible avec les réacteurs existants.
• Supplément dans le cycle d’uranium avec du plutonium, favorisant la réduction des déchets.
• Remplacement total du cycle d’uranium, utilisant uniquement du thorium et de l’U-233 recyclé.

La clé dans tous ces cas réside dans l’obtention d’un équilibre de neutrons adéquat, permettant à la capture de neutrons par le thorium de générer suffisamment d’U-233 pour maintenir la réaction et, potentiellement, reproduire le combustible.

Avantages du thorium par rapport à l’uranium dans l’énergie nucléaire

Les avantages liés à l’utilisation du thorium comme combustible nucléaire ont suscité un intérêt renouvelé à l’échelle internationale, notamment dans les pays disposant de réserves abondantes de cet élément et rencontrant des difficultés d’accès à l’uranium.

Parmi ses principaux bénéfices, on trouve :

• Abondance : Il existe de trois à quatre fois plus de thorium que d’uranium dans la croûte terrestre. Cette disponibilité en fait une option attirante pour répondre à la demande énergétique future.
• Pas besoin d’enrichissement : Tout le thorium extrait est potentiellement utilisable comme matériau fertile, simplifiant ainsi le cycle du combustible et réduisant les risques de prolifération.
• Réduction des déchets : Les déchets radioactifs générés par le thorium ont généralement une durée de vie beaucoup plus courte (environ 200 à 400 ans de désintégration radioactive dangereuse) comparés aux déchets d’uranium, qui demeurent dangereux pendant des milliers d’années.
• Plus de sécurité en cas d’accidents : Le point de fusion du thorium est beaucoup plus élevé que celui de l’uranium, offrant des marges de sécurité supplémentaires lors des accidents.
• Difficulté des détournements militaires : Le cycle du thorium produit également de l’U-232, un émetteur gamma puissant qui complique le maniement et l’utilisation militaire des matériaux générés.

L’utilisation du thorium pourrait représenter un changement de paradigme dans l’énergie nucléaire : plus efficient, moins dangereux et plus respectueux des générations futures.

Défis, limitations et obstacles techniques du thorium

Cependant, cette technologie nucléaire basée sur le thorium n’est pas sans challenges. Malgré les promesses, plusieurs défis doivent être surmontés avant que le thorium puisse devenir un combustible commercial viable à grande échelle.

Parmi les inconvénients et obstacles relevés dans les études et expérimentations internationales, notons :

• Maturité technologique insuffisante : Aujourd’hui, la technologie du thorium n’a pas franchi toutes les phases de tests et qualifications nécessaires pour sa mise en œuvre commerciale. Plusieurs analyses, licences et un solide soutien gouvernemental et financier sont encore requis.
• Coûts de développement et de fabrication : Les processus de production et de reprovisionnement de combustibles à base de thorium sont actuellement plus coûteux que ceux de l’uranium, bien que les coûts pourraient diminuer avec la maturation technologique.
• Manque d’incitations commerciales : Avec l’uranium abondant et peu coûteux, les pays et les entreprises peinent à trouver des encouragements pour investir dans de nouvelles technologies économes en ressources quand les matières premières ne manquent pas.
• Complexité de contrôle et de manipulation : La conversion du thorium en U-233 impose une gestion rigoureuse des problèmes de réactivité et des produits de désintégration pendant le fonctionnement et l’arrêt des réacteurs.
• Questions historiques et politiques : Respectivement, le faible développement de la technologie du thorium s’explique par des choix stratégiques orientés vers le plutonium, en raison de son utilité dans les armes nucléaires après la Seconde Guerre mondiale.

Bien que des solutions aient été envisagées pour ces défis, la commercialisation et le déploiement massif de l’énergie nucléaire basée sur le thorium dépendront principalement de la volonté politique, d’un investissement constant et de la résolution de questions scientifiques et techniques encore ouvertes.

Projets, recherches et applications internationales sur le thorium

Divers pays se sont intéressés et ont progressé dans la recherche et l’essai de cycles de combustible basés sur le thorium, surtout ceux avec de grandes réserves ou un accès limité à l’uranium.

L’Inde est un exemple paradigmatique, possédant d’importantes réserves de thorium mais peu d’uranium, intégrant le développement de cette technologie au cœur de son programme nucléaire national. Sa stratégie suit le « programme en trois étapes », combinant réacteurs à eau lourde, réacteurs rapides à neutrons et réacteurs avancés à eau lourde.

En Norvège, l’entreprise Thor Energy a réalisé des tests avec des combustibles à base de thorium dans des réacteurs existants, prouvant la faisabilité technique de ce concept.

Des pays tels que la Chine, le Canada, l’Allemagne, les Pays-Bas, le Royaume-Uni, la Russie, le Brésil, et les États-Unis ont également mené des démonstrations expérimentales et des prototypes de réacteurs et de combustibles à base de thorium, y compris des réacteurs à sels fondus et des systèmes hybrides.

Les résultats de ces expériences ont révélé à la fois les forces et les faiblesses actuelles du thorium, préparant le terrain pour un perfectionnement et une application industrielle éventuels à grande échelle.

Les réacteurs à sels fondus : le candidat idéal pour le thorium

Parmi les technologies associées au thorium, le réacteur à sels fondus (MSR) se distingue par son potentiel disruptif. Dans ce type de réacteur, le combustible est sous forme liquide, dissous dans un mélange de sels fondus, permettant d’atteindre des températures élevées à basse pression, réduisant ainsi les risques et améliorant l’efficacité thermique.

Le cycle de combustible basé sur les sels fondus faciliterait le chargement et le déchargement continu de combustible, ainsi que l’évacuation des produits de fission, tout en favorisant l’incorporation progressive de thorium, optimisant la « reproduction » de l’U-233 et, par conséquent, l’exploitation de la ressource.

Divers projets internationaux concentrent leurs efforts de R&D sur les réacteurs MSR, avec un leadership particulier de la Chine et de la Russie, soutenus par des institutions et entreprises européennes et américaines.

Bien qu’un déploiement commercial puisse encore prendre quelques décennies, le réacteur à sels fondus apparaît comme l’un des avancées théoriques et technologiques les plus prometteuses à l’horizon nucléaire mondial.

Nouveaux concepts : réacteurs actionnés par accélérateur et l’avenir des systèmes hybrides

Au-delà des réacteurs conventionnels, le développement de réacteurs actionnés par accélérateur (ADS) ouvre de nouvelles perspectives pour une énergie nucléaire sûre et flexible. Dans ce système, un accélérateur de particules produit un faisceau de protons qui, frappant une cible lourde, engendre une pluie de neutrons par le phénomène d’espalation.

Ces neutrons sont utilisés pour induire la fission dans une matrice « subcritique » de thorium ou d’uranium, c’est-à-dire incapable de maintenir d’elle-même une réaction en chaîne sans l’apport externe de l’accélérateur.

La principale force de ces systèmes réside dans leur contrôle et leur sécurité accrus : il suffit de couper l’accélérateur pour arrêter instantanément la réaction, éliminant ainsi le risque d’accidents comme ceux de Fukushima ou Tchernobyl. De plus, ils permettent la transmutation des déchets radioactifs à longue durée de vie.

Bien que ce concept soit encore en phase expérimentale, des projets comme EMMA au Royaume-Uni et d’autres collaborations internationales sont en cours pour le rapprocher de sa réalité technique et économique.

Les doutes et le débat social autour de l’énergie nucléaire et du thorium

La discussion sur l’avenir de l’énergie nucléaire et le rôle du thorium est loin d’être unanime. Les défenseurs de l’environnement soutiennent que les ressources et efforts consacrés à la recherche nucléaire pourraient être dirigés vers le développement de sources renouvelables, exemptes de risques liés aux déchets et aux accidents.

Certains experts montrent que la technologie prometteuse du thorium nécessite encore des décennies de perfectionnement avant d’être véritablement compétitive à l’échelle industrielle, et qu’y parier pourrait retarder l’action urgente contre le changement climatique, qui nécessite des solutions immédiates.

Cependant, la possibilité de réduire les déchets nucléaires, d’améliorer la sécurité des réacteurs et d’assurer un approvisionnement énergétique propre à long terme fait que le thorium compte des défenseurs dans la communauté scientifique et parmi les secteurs environnementaux ouverts au débat sur les nouvelles alternatives.

Dans cette optique, l’énergie nucléaire basée sur le thorium pourrait agir comme un chemin de transition ou un complément aux systèmes renouvelables, capable de fournir de l’électricité de base à faibles émissions tout en permettant le développement et le déploiement à grande échelle de la technologie renouvelable.

Les chiffres de l’énergie nucléaire : réserves, potentiel et futur énergétique

Selon des estimations internationales récentes, les réserves mondiales de thorium dépassent largement celles de l’uranium, avec d’importants gisements en Inde, Australie, Norvège et Brésil. Le fameux « Livre Rouge » publié par l’OCDE et l’Agence Internationale de l’Énergie Atomique évalue les ressources connues et estimées à plus de 6 millions de tonnes à l’échelle mondiale, suffisamment pour subvenir aux besoins de l’humanité pendant des siècles si la technologie le permet.

De plus, le thorium se retrouve souvent comme sous-produit de l’exploitation des terres rares, ce qui lui confère un avantage stratégique et économique supplémentaire, surtout dans le contexte d’une demande mondiale croissante de matériaux pour l’électronique et les énergies propres.

Une exploitation efficace et sûre de ces réserves, accompagnée du développement de systèmes hybrides, écrans avancés pour les déchets et une politique internationale de non-prolifération, apparaissent comme les grands défis de la prochaine ère nucléaire.

Le développement et l’intégration de nouvelles technologies nucléaires, mettant l’accent sur le thorium et les avancées théoriques comme les systèmes hybrides ou les réacteurs à sels fondus, pourraient avoir un impact déterminant sur la sécurité, la durabilité et la compétitivité de l’énergie nucléaire au XXIe siècle. La situation actuelle révèle un cadre plein de potentiel, mais également confronté à des défis techniques et sociaux. À mesure que nous avançons dans le perfectionnement et la maturité de ces technologies, le thorium pourrait passer de la promesse à la réalité, devenant une pièce essentielle de la transition vers des systèmes énergétiques plus propres, sûrs et adaptables aux constantes évolutions de notre planète.