Les réacteurs nucléaires au thorium sont une famille de réacteurs utilisant le thorium 232 comme matière fertile, qui se transmute en uranium 233 fissile. Ces technologies, étudiées depuis les débuts de l’énergie nucléaire civile, font l’objet d’un regain d’intérêt au dans le cadre du besoin de centrales nucléaires plus sures, durables et économes en ressources.
Les centrales au thorium sont une option à terme dans le mix énergétique nucléaire, dont le déploiement dépend encore, en 2026, de progrès technologiques significatifs à accomplir, et de choix politiques et économiques.
Principe général thumb|redresse=2|Cycle d'un réacteur au thorium à sel fondu. Le thorium 232 n’est pas fissile, mais fertile : bombardé par des neutrons, il produit du protactinium 233 qui lui-même donne de l'uranium 233, lequel est fissile. Le cycle thorium repose donc sur une phase initiale nécessitant un apport de matière fissile (uranium-235 ou plutonium), suivie d’un fonctionnement en régime potentiellement autosuffisant.
Le cycle est le suivant : . Outre le protactinium (Pa) intermédiaire, la réaction produit aussi des gaz qu'il faut extraire.
Parmi les concepts de réacteurs les plus étudiés sont : les réacteurs à sels fondus (MSR), souvent considérés comme les plus adaptés au cycle thorium ; les réacteurs à eau lourde ou à haute température utilisant des combustibles solides enrichis en thorium ; les réacteurs à neutrons rapides intégrant du thorium dans des cycles hybrides.
Avantages Par rapport à l'uranium 235, le thorium présente l'avantage de n'être que très faiblement radioactif, d'être abondant dans la croûte terrestre, environ quatre fois davantage que l'uranium et associé à des terres rares, tandis que l'uranium 233 qu'il produit se désintègre mieux que l'uranium 235 (meilleure économie neutronique : moins de neutrons perdus par capture, plus de fissions). En outre, pratiquement 100 % du thorium se convertit en uranium 233 fissile, alors que seul 0,7 % du minerai d'uranium est fissile.
Surtout, les réacteurs au thorium évitent les trois risques potentiellement catastrophiques des réacteurs uraniques : en cas de surchauffe, qui est le grand danger des centrales à uranium 235 ou plutonium, avec les réacteurs au thorium sous forme de combustible liquide la réaction de fission en chaîne ne s'emballe pas, mais au contraire ralentit parce que le liquide se dilate et que son augmentation de volume diminue les probabilités de fission ; lors de l'arrêt du réacteur, il n'y a pas le risque d'empoisonnement au xénon pouvant générer un redémarrage de la fission difficile à contrôler (« boucle de rétroaction positive », « excursion nucléaire », comme à Chernobyl), car les déchets, dont le zénon, sont évacués par retraitement en ligne (voir ci-dessus le schéma Cycle d'un réacteur au thorium à sel fondu) ; la production de déchets à longue durée de vie est drastiquement diminuée ; plus de 80 % des déchets ne sont plus toxiques après dix ans, le reste n'ayant besoin d'être stocké que pendant 300 à 500 ans.
Enfin l'utilisation du thorium réduit considérablement le risque de prolifération nucléaire pour usage militaire ou terroriste. Il ouvre aussi la possibilité d'incinérer les déchets radioactifs à longue durée de vie produits par l'industrie nucléaire, par incinération réduisant leur radioactivité à quelques siècles au lieu de millénaires (les réacteurs à neutrons rapides le peuvent aussi, mais sont considérés comme présentant de nombreux problèmes de sûreté (flux neutronique élevé et, principalement, risque chimique à cause du sodium liquide), ainsi qu'un potentiel de prolifération parce qu'ils produisent du plutonium de qualité militaireBulletin of Atomic scientists, 2018 : « En 1977, le président Jimmy Carter a interdit le retraitement commercial du combustible nucléaire usé, invoquant des inquiétudes quant à la prolifération de technologies susceptibles d'être utilisées pour fabriquer des armes nucléaires » (en ligne). ; ils ont presque partout été abandonnésAssemblée nationale, Commission d'enquête sur Superphénix et la filière des réacteurs à neutrons rapides, 1998 (en ligne)).
Les avantages sont tels que Edward Teller a pu dire :
Parmi les dispositifs de sécurité, le bouchon fusible (freeze plug) est un mécanisme de sûreté passive emblématique des réacteurs à sels fondus. En cas de surchauffe, le bouchon fond et le sel fondu s’écoule par gravité dans un réservoir de vidange en dessous du réacteur ; le sel se solidifie alors et la réaction en chaîne s’arrête.
Limites et défis Malgré ces avantages, plusieurs obstacles freinent le déploiement des réacteurs au thorium. Outre les coûts de développement élevés, et l'incertitude réglementaire, le principal défi est la complexité du cycle thorium → uranium 233, avec la nécessité d'isoler le protactinium intermédiaire par un retraitement en ligne (voir ci-dessus le schéma Cycle d'un réacteur au thorium à sel fondu).
Le proactinium doit être extrait du combustible liquide, en continu ou toutes les quelques jours (online reprocessing), puis stocké pendant pour qu’il se transforme en uranium 233, enfin être réinjecté dans le réacteur (online refueling)AIEA, Thorium fuel utilization: Options and trends, p. 57 et passim.. Ce retraitement en ligne est techniquement très complexe, car il s’effectue dans un milieu de sels fondus hautement radioactifs à près de , avec une corrosion extrêmement agressive ; c’est le principal verrou technologique des réacteurs à sels fondus au thorium.
Du fait que le thorium n'est pas fissile, une autre difficulté est la nécessité de lancer la réaction avec un matériau fissile, comme uranium 235 ou plutonium, jusqu'à ce que suffisamment d'uranium 233 soit produit et réinjecté dans le réacteur.
Perspectives À l’échelle mondiale, les réacteurs au thorium restent au stade expérimental ou préindustriel. La Chine apparaît comme le principal acteur en matière de prototypes opérationnels, tandis que d’autres pays poursuivent des recherches ou des développements conceptuels.
Historique Les premières recherches significatives sur le thorium ont été menées aux États-Unis dans les années 1950-1960. Le programme le plus notable est le Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE), conduit au Oak Ridge National Laboratory, qui a fonctionné entre 1965 et 1969 et démontré la faisabilité d’un réacteur à combustible liquide.
Malgré ces résultats, la filière uranium-plutonium a été privilégiée pour des raisons stratégiques et industrielles, notamment en lien avec les programmes militaires.
Chronologie détaillée des projets Cette chronologie retrace les principales étapes du développement des réacteurs nucléaires au thorium, depuis les premières recherches jusqu’aux prototypes contemporains.
Années 1940–1960 Expérimentations initiales : 1940s : Identification du potentiel du cycle thorium-uranium dans les premiers travaux sur l’énergie nucléaire aux États-Unis. 1950s : Lancement de programmes de recherche sur les réacteurs à sels fondus au Oak Ridge National Laboratory. 1965–1969 : Exploitation du Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE). Ce premier réacteur fonctionnel à combustible liquide a validé de nombreux principes techniques (stabilité chimique, fonctionnement à haute température) et il inspire encore les développements des années 2010-2020.
Années 1970–1990 Cette période voit un déclin de la filière thorium, les États privégiant la filière uranium 235 et plutonium qui était soutenue par les recherches militaires. Parce que le thorium ne permet pas de fabriquer du plutonium de qualité militaire, les États-Unis abandonnent les programmes thorium dans les années 1970 au profit de la filière uranium-plutonium.
Dans les années 1980–1990, le développement d’autres filières (réacteurs à eau légère, réacteurs rapides) relégua le thorium à un rôle secondaire, avec des recherches limitées au niveau théorique et académique. Sauf à Shippingport où le réacteur fut modifié pour fonctionner avec du thorium, de 1977 à 1982. Et en Allemagne, à Jülich, où un réacteur au thorium à haute température (THTR-300) fonctionna à pleine puissance, raccordé au réseau, de 1987 à 1989.
Années 2000-2010 Ces années sont marquées par un regain d’intérêt internationalUne filière nucléaire au thorium, Commissariat à l'énergie atomique, 2/01/2015..AIEA, Le potentiel à long terme du thorium pour la production d’énergie nucléaire, septembre 2023.. Dès le début des années 2000, on assiste à une réévaluation du thorium dans un contexte de préoccupations climatiques et de sécurité énergétique.
Les études sur les réacteurs à sels fondus sont particulièrement intensifiées, de nouvelles entreprises et groupes de recherche émergent, et des programmes nationaux se structurent. Ils aboutissemnt à la fin des années 2010 à d'importants progrès dans la modélisation et les matériaux pour ce type de réacteurs.
Outre les recherches accrues tant aux États-Unis (Flibe Energy, et avec le Canada, ) qu'en Europe (dont en Suisse ETH Zurich, Institut Paul Scherrer), et en en Russie (Rosatom), on note particulièrement : Lancement officiel du programme chinois de réacteurs à sels fondus par l’Académie chinoise des sciences (2011). Développement du concept CMSR par Seaborg Technologies au Danemark.
Années 2020 Les premiers prototypes apparaisssent. On signale particulièrement en 2021 la première criticité du réacteur expérimental à sels fondus au thorium de Wuwei en Chine, marquant la première mise en service d’un prototype de ce type au China starts up thorium MSR, World Nuclear News, 2021.
Ailleurs des réacteurs modulaires avancés compatibles avec le thorium sont développés (IMSR, LFTR), et des projets industriels en phase de conception avancée bénéficient de soutiens par le U.S. Department of Energy (Seaborg, Terrestrial Energy).
Programmes nationaux Chine La Chine est en 2026 le pays le plus avancé dans le développement expérimental de réacteurs au thorium. Le programme est piloté par l’Académie chinoise des sciences.
Le principal prototype est le réacteur à sels fondus de Wuwei (province du Gansu), ayant atteint une première criticité en 2021. Il s’agit d’un réacteur expérimental de faible puissance destiné à valider les technologies MSR avant un passage à l’échelle industrielleChina’s thorium reactor, Nature, 2021..
Danemark Le Danemark ne possède pas de programme nucléaire national actif, mais un acteur privé, , conçoit un petit réacteur modulaire à sels fondus (Compact Molten Salt Reactor) compatible avec le thorium. Ce projet au stade de développementCompact Molten Salt Reactor, Seaborg Technologies, 2022. a pour but la production de masse en usine, dans les années 2030, de réacteurs de la taille d’un conteneur maritime de 40 pieds (12 m)Les nouveaux réacteurs au thorium peuvent contribuer à reconquérir l'héritage de l'énergie nucléaire, Chamber Buiseness News, 25 février 2026. ; la Suisse s'est joint au projetCollaboration de Copenhagen Atomics et du PSI pour un réacteur à sels fondus, Forum nucléaire suisse, 1 juillet 2024. ainsi que et Samsung Heavy Industries pour le lancement de la construction d’un prototype en 2026 et une livraison en 2028..
États-Unis Aux États-Unis, les recherches sur le thorium ont été relancées principalement par des initiatives privées et des programmes fédéraux. Le U.S. Department of Energy soutient des projets de réacteurs avancés, incluant certains concepts compatibles avec le thoriumThorium Energy Fact Sheet, U.S. Department of Energy, 2019..
Des entreprises comme Flibe Energy et développent des réacteurs à sels fondus (LFTR, IMSR), bien qu’aucun prototype industriel dédié au thorium ne soit encore en service.
Inde En Inde, où les réserves d'uranium sont très limitées, l'importance du thorium a été reconnue très tôt, dès 1950.