Le cycle du combustible au thorium décrit l'utilisation du thorium 232, un élément abondant dans la nature, comme matériau fertile permettant d'alimenter un réacteur nucléaire.
Le cycle du thorium présente de nombreux avantages théoriques par rapport à un cycle à l'uranium : le thorium est trois à quatre fois plus abondant que l'uranium, notamment dans les pays qui sont susceptibles de construire des réacteurs dans le futur, comme l'Inde, le Brésil et la TurquieLe thorium, combustible nucléaire du futur?, AFP, 15 février 2014.. Ce cycle produit beaucoup moins de plutonium et d'actinides mineurs, engendrant moins de déchets à vie longue. De plus, sa matière fissile, l', est très peu propice à une prolifération nucléaire du fait de la faible quantité d' qu'elle contient : un descendant très fortement irradiant de cet isotope rend cet uranium très facile à détecter et dangereux à manipuler sans moyens élaborés.
Le thorium a été testé comme combustible nucléaire aux États-Unis, en Allemagne et au Royaume-Uni, et est en projet en Inde et en Chine, mais jusqu'à ce jour, il manque de rentabilité car est plus coûteux à extraire que l'uranium ; son principal inconvénient est que, contrairement à certains isotopes naturels de l'uranium, le thorium impose pour atteindre le stade d'exploitation industrielle deux étapes intermédiaires : accumulation de ou d', puis production d' en réacteur pour initialiser le cycle du thorium proprement dit.
Historique Le cycle du thorium a été caractérisé au laboratoire canadien de recherches nucléaires pendant la Seconde Guerre mondiale, par T.E. Cranshaw, P. Demers, A.C. English, J.A. Harvey, E.P. Hincks, J.B. Jelley et A. Nunn May George C. Lawrence. « Early Years of Nuclear Energy Research in Canada », Institute of Electrical and Electronics Engineers Canada, page 11..
Pendant la guerre froide Des études de réacteurs au thorium avaient été lancées dès le milieu des , motivées par la crainte d'une pénurie d'uranium, et des réacteurs expérimentaux au thorium avaient été construits. Différentes voies ont été proposées pour exploiter l'énergie du thorium. Les combustibles au thorium ont alimenté différents types de réacteurs, comme le réacteur à eau légère, le réacteur à eau lourde, le réacteur nucléaire à très haute température, le réacteur rapide refroidi au sodium, et le réacteur nucléaire à sels fondus..
Avant 1960, l’énergie nucléaire est essentiellement orientée vers un usage militaire : avion à réacteur embarqué, sous-marin, bombe A. Parmi les nombreuses décisions menant à la poursuite de la filière uranium, la plus décisive a probablement été prise par l’amiral américain Hyman Rickover, directeur de Naval Reactors : il décida dans les années cinquante que le troisième sous-marin du type serait alimenté avec de l’uranium 235 solide enrichi utilisant de l’eau pour refroidissement, car ce combustible peut parallèlement être utilisé pour produire du plutonium militaire. Le premier réacteur commercial a, en effet, été construit sur le même principe que celui du sous-marin, et les recherches scientifiques ont été orientées par ce choix politique. Le projet de bombardiers à réacteur embarqué est arrêté par l’avènement des missiles intercontinentaux, mais l’inertie de l’usage de l’uranium est en place et le thorium est « ignoré », selon les termes de Robert Hargraves.
Dans les années soixante, Alvin Weinberg, alors directeur du laboratoire national d’Oak Ridge, réalise le potentiel des réacteurs à combustible liquide (sel fondu) et leur compatibilité avec une forme liquide de thorium : le tétrafluorure de thorium. Weinberg pousse à expérimenter cette voie et obtient le financement nécessaire pour mettre en place le programme Molten Salt Reactor Experiment (MSRE). Ce réacteur fonctionne entre 1965 et 1969 et est le premier à être testé avec les trois types de combustibles d’alors : l’uranium 233, l’uranium 235 et le plutonium 239. En particulier, l’uranium 233 avait été obtenu par transmutation de thorium. Le projet est définitivement abandonné en 1973 car il ne permettait pas de fabriquer du plutonium de qualité militaire. Weinberg est limogé par l’administration Nixon, car il militait en faveur d’un usage civil plus sûr utilisant les réacteurs à sels fondus (selon de nombreux auteurs).
En 1977, l’administration Carter présente un intérêt pour les réacteurs à sels fondus en raison des préoccupations du moment concernant le risque de prolifération nucléaire. L’expérience Shippingport devient le premier réacteur commercial au thorium et fonctionne avec succès durant cinq ans. Ceci démontre la faisabilité de l’usage du thorium comme élément fertile pouvant être converti en uranium 233 fissile.
Intérêts actuels Récemment, un intérêt a vu le jour dans le développement de technologies basées sur ce cycle afin de prévenir la prolifération des déchets nucléaires. En outre, l'abondance de la ressource profiterait à certains pays, comme l'Inde qui, avec environ un tiers des réserves mondiales, s'est clairement engagée dans la voie du thorium dans le cadre de son ambitieux programme de développement nucléaire civil.
Des recherches complémentaires ainsi que des moyens financiers et industriels importants sont encore nécessaires pour la réalisation de réacteurs commerciaux. Il reste en particulier à affiner les procédés chimiques de retraitement en ligne du combustible, et à développer des cuves en alliages spéciaux capables de résister à la corrosion pendant les décennies que durera l'exploitation des réacteurs. La faisabilité de la technologie paraît cependant presque acquise, l'horizon 2025 étant avancé par les équipes de développement les plus en pointe, bien que cela dépende très certainement du niveau des investissements et de l'intérêt que les États, les industriels et les sociétés y porteront. En , trois éminents physiciens français, Tribune dans le journal Libération de Georges Charpak, Jacques Treiner et Sébastien Balibar ; Nucléaire : arrêtons Iter, ce réacteur hors de prix et inutilisable ont rédigé une tribune contestant le programme ITER de recherche sur la fusion nucléaire, jugé hors de prix et irréalisable à court ou moyen terme, et préconisant plutôt l'intensification des recherches et des développements concernant les réacteurs de quatrième génération, en particulier ceux à sels fondus en cycle thorium. En , un avis de l'Académie des Sciences de Paris, Avis de l'Académie des Sciences sur la filière nucléaire française souligne l'importance pour l'industrie nucléaire de soutenir les recherches sur les technologies émergentes telles que les réacteurs de quatrième génération et la filière du thorium.
Physique nucléaire
Production de l'uranium 233 à partir du thorium Dans le cycle du thorium, le combustible se forme lorsque le thorium 232 capte un neutron (dans un réacteur rapide ou dans un réacteur thermique) pour devenir du thorium 233, qui servira de combustible nucléaire. En général, après avoir capturé un neutron, le thorium émet un électron et un neutrino par émission bêta pour se muer en protactinium 233, qui, dans une seconde émission bêta, émet encore un électron et un neutrino pour devenir uranium 233, le combustible.
Cette formation du combustible est réalisée en pratique dans un réacteur.
Dans la chaîne de formation de l'uranium 233, la capture des neutrons a parfois pour effet d'éjecter deux neutrons du noyau, conduisant en fin de compte à la formation d'uranium 232.
Cet uranium 232 faiblement fissile et fertile (σ ~ 74b) s'accumule progressivement en réacteur, et accompagne donc à l'état de trace l'uranium 233 normalement formé par le cycle. Ce marquage isotopique est important, parce que sa chaîne de désintégration comprend un émetteur gamma très énergétique, donc très pénétrant. Ce rayonnement impose des protections radiologiques importantes dans toutes les opérations concernant l'uranium produit par ce cycle, même quand il a été isolé des produits de fission et des autres actinides, ce qui rend ces opérations techniquement plus complexes et économiquement plus coûteuses. Cet inconvénient est au contraire un avantage en ce qui concerne la lutte contre la prolifération, parce que le rayonnement gamma produit par cet uranium est très facile à détecter, ce qui rend impossible toute dissimulation de cette matière à des contrôles officiels.
Initialisation du cycle À la différence de l'uranium naturel, le thorium naturel ne contient pas de petites quantités significatives de matière fissile, nécessaires pour amorcer une réaction en chaîne. Il faut ajouter de la matière fissile ou une autre source de neutrons pour déclencher le cycle du combustible. Pour amorcer un cycle thorium, il faut donc de l'uranium ou du plutonium (issu de l'activité des centrales).
Suivant l'isotope fissile utilisé, on peut donc schématiser les deux cycles de combustibles suivantsD'après Jacques Ligou, Introduction au génie nucléaire, Presses polytechniques et universitaires romandes. : consommation d'uranium 235 ou de plutonium 239 et irradiation de thorium, pour produire de l'uranium 233 : c'est un cycle de transition nécessaire pour amorcer un cycle du thorium ultérieur ; consommation d'uranium 233 et irradiation de thorium régénérant l'uranium 233 : c'est le cycle du thorium, également surgénérateur, qui permet de valoriser tout le thorium comme ressource énergétique. Selon la conception du réacteur et son cycle du combustible, soit l'uranium 233 généré fissionne en place, soit il est séparé chimiquement pour être re-transformé en combustible nucléaire.
On peut remarquer que le passage aux cycles surgénérateurs n'est possible que si des stocks suffisants ont été constitués en uranium 235 hautement enrichi ou en plutonium 239 : ces matières soulèvent d'évidents problèmes de prolifération nucléaire potentielle, mais sont par ailleurs nécessaires pour le passage à des cycles surgénérateurs. Il faut plusieurs dizaines d'années pour accumuler suffisamment de matière fissile pour pouvoir démarrer un cycle au thorium.
Signature à l'uranium 232 Le cycle nucléaire au thorium produit des traces d'uranium 232, quand des neutrons rapides éjectent un neutron par réaction (n, 2n) des noyaux de thorium 232 (ou d'uranium 233, et de manière très marginale de protactinium 233)Cross section table for 90-Th-232Cross section table for 91-Pa-231. L'uranium 232, qui accompagne en réacteur l'uranium 233 formé, a une demi-vie relativement courte de 68,9 ans, et subit une désintégration alpha par laquelle il rejoint la chaîne de désintégration du thorium avec le thorium 228 :
vignette|300px|Chaine de désintégration du thorium. Certains de ses descendants émettent un rayonnement gamma significatif, comme le radium 224 (0,24 MeV), le bismuth 212 (0,78 MeV) ou le thallium 208 (2,6 MeV).
De ce fait, à cause de la présence de traces d'uranium 232, l'uranium produit dans le cycle est très fortement irradiant, ce qui nécessite des usines beaucoup plus compliquées, avec des blindages pour respecter les règles de radioprotection si on cherche à le séparer.
C'est un handicap pour l'exploitation des formules classiques, de type réacteur à eau pressurisée, quand les éléments fissiles doivent faire l'objet d'un traitement industriel. En revanche, cet inconvénient reste minime dans le cas des réacteurs à sel fondus, où il n'est pas nécessaire d'isoler l'uranium 233 pour un traitement industriel indépendant.
C'est au contraire un avantage pour ce qui est de la lutte contre la prolifération, d'une part parce que ce rayonnement très énergétique rend l'uranium 233 du cycle facile à détecter et donc à contrôler, et d'autre part parce que ce rayonnement est susceptible d'endommager l'électronique d'un engin explosif, compliquant grandement son usage comme matière fissile dans un engin explosif.
Production d'actinides supérieurs