Les réacteurs à sels fondus et au thorium¹, étant plus simples, plus sûrs et moins coûteux à construire, auraient normalement dû être un choix judicieux au début de l’ère nucléaire. Il n’en a rien été, suite aux décisions politiques et militaires liées à l’armement nucléaire².
Peut-on les remettre en œuvre maintenant et cela a-t-il un intérêt ?

L’expérience du passé est partiellement récupérable, la génération des inventeurs est passée, et des mises en situation réelle doivent encore être faites, portant notamment sur la résistance à long terme des installations soumises à un milieu corrosif à haute température et en milieu radioactif. Déjà qu’il faut plus de dix ans pour construire une centrale classique, on ne prévoit pas une mise en route commerciale avant 10 ou 15 ans au minimum, et l’urgence climatique n’attend pas ! La France, embourbée dans le projet EPR et les “problèmes financiers” de son secteur nucléaire, n’est semble-t-il pas prête à investir dans cette voie…

Le problème des déchets n’est pas résolu, il y en a seulement moins, et moins de radionucléides à très longue durée de vie.

Tous les projets connus de réacteurs à sels fondus ont été arrêtés et démontés, sauf peut-être en Inde ou le projet AHWR est en “développement” depuis 20 ans . On peut se demander si ces échecs sont uniquement du à des facteurs externes, ou si de sérieux problèmes ont été rencontrés par les inventeurs, qui préféreraient ne pas en parler.
Dans la vidéo d’Arte², l’ingénieur Arvin Weinnberg ne trouve aucun défaut aux réacteurs à sels fondu, cela manque de nuances.

Les Chinois annoncent ces jours-ci la construction d’un réacteur à sels fondus dans le désert de Gobi³, ils mettent une priorité à ce projet c’est donc une affaire à suivre.
Ils risquent de nous surprendre, car ils prévoient un prototype à taille réelle en 2030 !

Et comme expliqué plus bas, le risque de prolifération est toujours présent, il est possible de créer des armes nucléaires à partir de la filière du thorium.

Pour cette “nouvelle” version du nucléaire dit civil les points négatifs dépassent les avantages techniques, d’autant plus que cette “solution” n’est pas une réponse au dérèglement climatique :

problème des déchets non résolu ;
manipulation de substances dangereuses, dès l’extraction minière ;
risque élevé de prolifération nucléaire ;
risque d’accident non nul ;
incertitudes sur la fiabilité et la durée de vie de cette filière, qui n’a pas encore été testée en production ;
pas de disponibilité commerciale avant 10 ou 15 ans.

Les réacteurs à sels fondus

Différentes voies ont été proposées pour exploiter l’énergie du thorium, mais l’exploitation du thorium par des réacteurs nucléaires à sels fondus paraît aujourd’hui être la voie la plus prometteuse.

Le thorium ne permet pas de démarrer la réaction nucléaire, on dit que le thorium est “fertile” et non “fissile”. L’image montre qu’il faudra une source de neutrons, soit l’U²³⁵ ou le Pu²³⁹, ou un accélérateur de particules, pour démarrer le cycle, car le thorium¹ n’émet pas de neutrons :

Cette filière a été explorée il y a des dizaines d’années, des prototypes ont fonctionné aux USA, en Chine,… mais l’idée a été abandonnée, et maintenant les Chinois annoncent une concrétisation de ce type de réacteur. Que s’est-il passé ?

La filière uranium/plutonium dans un réacteur à eau pressurisée a été avantagée par les divers “complexes militaro-industriels”, car liée au nucléaire militaire, et ce type de réacteur semblait idéal pour équiper les sous-marins nucléaires. Les énormes investissements dans cette technique ont servi à créer les réacteurs civils, en promettant à l’époque “au peuple” une énergie “bon marché et illimitée”, mais surtout assurer la production de plutonium et d’uranium enrichi pour l’armement nucléaire. En fait, le nucléaire civil a servi de justification au nucléaire militaire, et c’est encore le cas aujourd’hui dans les pays tentés par la prolifération, le risque de prolifération est un peu moindre avec la filière du thorium, mais il n’est pas pas nul du tout.

La filière du thorium a été sous-investie, seuls quelques prototypes ont été réalisés, même s’il est prouvé que cela fonctionne, d’une part la génération des inventeurs a quasi disparu, et il reste à investir du temps et des recherches pour évaluer le vieillissement des matériaux du circuit primaire d’un réacteur à sel fondu, soumis à des températures assez élevées (plus de 600°C), dans un milieu très corrosif et soumis à de fortes radiations pendant des dizaines d’années. Difficile d’évaluer la durée de vie d’un réacteur de cette filière. Les Chinois semblent en avance dans ce domaine³.

Par contre, ni en France (embourbée dans la piste de l’EPR !) , ni aux USA, on n’est prêt à mettre un réacteur commercialement utilisable en marche avant au moins dix ans, et le dérèglement climatique nous montre que le temps presse.

Aspects techniques : avantages et inconvénients

Schéma d’un réacteur à sels fondu au thorium :

Le réacteur à sels fondus au thorium ne peut démarrer qu’en présence d‘U²³⁵ enrichi à 20% ou de Pu²³⁹ et il consiste en la création continue d‘U²³³, on n‘est donc pas sorti du cycle classique de l‘uranium et du plutonium ! La première fois, il faut un certain temps pour accumuler la quantité d’U^²³³ nécessaire à entretenir la réaction.
Le thorium seul n’a donc d’intérêt que si de l’U^²³³ est produit en permanence, avec pour corollaire son dangereux descendant l’U²³², dans une logique de surgénérateur, où les neutrons produits contribuent à créer de l’U^²³³à partir du Th²³². Notons que l’essentiel de l’énergie de la réaction vient de l’uranium 233 fissile et non du thorium.
(-) L’utilisation du thorium dans nos réacteurs actuels (sans surgénération) est possible, mais n’a pas d’intérêt, et augmenterait encore la dangerosité des déchets par accumulation d’U²³².
(-) La production de déchets est inévitable, comparable à celle des réacteurs actuels, bien qu’en moindre quantité , et un filtrage très fréquent et robotisé du liquide permettra d’assurer la continuité des opérations. Hautement radioactifs pendant des centaines d’années, ces déchets sont classés dans la catégorie des plus dangereux : HAVL, Haute Activité à Vie Longue. Il y a en particulier production, certes en faible quantité, des isotopes du protactinium, dont le Pa²³¹ ⁴ qui a une demi-vie de 32 760 ans, encore plus longue que celle du Pu²³⁹ (24.000 ans), et même de l’iode 129, qui a une demi-vie de plusieurs millions d’années. Mais il y a moins de production de plutonium, pas de Pu²³⁹, seulement du Pu²³⁸ (87,75 ans) et peu d’autres déchets à longue vie. L’U²³² ( 68,9 ans) est aussi très difficile à retirer et est hautement toxique et radioactif. L’U²³³ a une demi-vie de 159 200 ans. Continuellement produit et continuellement détruit par fission, il ne s’accumule en principe pas et peut être filtré et réutilisé dans le cycle de production suivant.
(-) Les sels fondus utilisés sont des fluorures de lithium (LiF) ou de béryllium (BeF2), de thorium (ThF4), et d’U²³³ (UF6). Le fluorure de béryllium et celui de lithium sont corrosifs et hautement toxiques. L’UF6 est en plus instable en cas de fuites.
(-) Danger de prolifération : Il est possible de faire des armes nucléaires avec l’U²³³,.
Retirer en toute sécurité le U²³² n’est pas à la portée de terroristes amateurs. L’U²³² n’empêche pas de faire exploser l’U²³³, mais s’il reste de l’U²³² collé à l’U²³³, son très fort rayonnement gamma, qui transperce beaucoup de blindages, permet des contrôles efficaces des services dédiés à la lutte contre la prolifération. On peut aussi objecter que l’U²³³ est continuellement produit et fissionné dans une installation de production d’électricité au thorium et donc ne devrait pas s’accumuler, mais le problème souvent passé sous silence est que le protactinium 233 filtré et extrait du liquide se transmute en U²³³ en quelques mois et peut donc servir à faire une arme nucléaire à l’uranium 233 exempt d’U²³², Pu²³⁸ et autres produits de fission.
Il y a donc de toute façon un risque de prolifération avec cette filière !
(+) L’extraction du thorium est plus sûre et plus efficace que celle de l’uranium. Le minerai de thorium, la monazite, contient généralement des concentrations plus élevées de thorium que le pourcentage d’uranium trouvé dans son minerai respectif. Cela fait du thorium une source de combustible plus rentable et moins dommageable pour l’environnement.
De plus, le minage des “terres rares” produit une quantité importante de minerai de thorium que l’on considère aujourd’hui comme un déchet !
L’extraction du thorium est également plus facile et moins dangereuse que celle de l’uranium, car la mine est une mine à ciel ouvert – qui ne nécessite aucune ventilation, contrairement aux mines d’uranium souterraines, où les niveaux de radon peuvent être potentiellement dangereux. Le danger pour les mineurs de thorium est moindre, mais pas nul !
Rappelons qu’un réacteur nucléaire classique de 1 GW nécessite annuellement l’extraction de 200 000 tonnes de minerai et le rejet de 800 000 tonnes de déchets stériles, dont le taux d’uranium est trop faible pour être exploité, mais qui polluent quand même l’environnement.
(+) Contrairement à l’uranium, le thorium ne nécessite pas d’enrichissement, très coûteux en énergie ! (Sauf pour l’U²³⁵enrichi à 20% nécessaire au démarrage). Les pionniers ont inventé l’enrichissement, car pour faire leurs bombes, ils voulaient exploiter le seul élément naturel fissile, l’U²³⁵, qui malheureusement ne se trouve qu’en faible quantité mélangé à de l’U²³⁸.
(-) La radiotoxicité du thorium 232 : si la valeur limite d’exposition annuelle des travailleurs du nucléaire est de 20 mSv, cela correspondrait à 44,4 mg de thorium 232 inhalé, ce que certains présentent comme acceptable, mais ces valeurs sont celles du thorium 232 seul; or le thorium naturel est en équilibre séculaire avec ses descendants, ce qui impose de considérer les radiotoxicités de ceux-ci. Pour cette raison le thorium est un radionucléide dangereux. Le minerai n’est donc pas moins dangereux que celui de l’uranium.
(+) Amélioration de la sécurité : cette filière permet d’éviter une explosion d’hydrogène puisque le fluide caloporteur est du sel fondu, et non de l’eau, qu’il n’est pas sous pression et que le combustible est sous forme liquide et n’est plus contenu dans des gaines de zirconium. En cas de surchauffe ou d’arrêt d’urgence, la masse liquide peut se vider automatiquement vers le bas dans un réservoir dont la forme et la dimension diminuent la « masse critique », et la réaction devrait s’arrêter. Une simple dilatation, dilution ou vidange du liquide, arrête la réaction. Pas de “corium” possible. Le pire serait une rupture de la cuve, mais cela aussi arrêtera la réaction, et une seconde enceinte devrait contenir les produits radioactifs .
Si la fuite de ce mélange de fluorures entre en contact avec de l’air humide, il peut se produire une émission de fluorure d’hydrogène (HF) très corrosif, dangereux pour la peau et les voies respiratoires. Mais c’est de toute façon beaucoup plus sûr que les systèmes de sécurité et de refroidissement des réacteurs à eau pressurisée. Les risques d’accident sont réduits par rapport aux réacteurs à eau pressurisée, ou pour le dire autrement, les inventeurs historiques ont choisi une voie compliquée et dangereuse : enfermer du combustible solide dans des gaines métalliques plongées dans de l’eau à très haute pression, où des milliers de tuyaux doivent être parfaitement étanches. Ensuite, le combustible usé doit être retiré après arrêt de la machine, et retraité à l’état liquide après dissolution dans des solutions acides, retraités pour peut-être en refaire des pastilles d’oxydes solides d’uranium ou de MOX (mélange uranium/plutonium)…
Le filtrage automatique en continu du combustible à sels fondus simplifie grandement les opérations, même si le problème des déchets n’est pas résolu !
(+) En dehors du circuit primaire, le réacteur à sels fondus utilise aussi des sels fondus dans le premier échangeur de chaleur – voir le schéma ci-dessus. Contrairement aux centrales classiques, le prototype chinois parviendrait à se passer presque totalement d’eau !

Notes

¹ Le thorium naturel n’est constitué que d’un seul isotope, le thorium 232 (noté^Th²³²), à très longue période radioactive (14 milliards d’années), émettant des particules alpha. Tous les isotopes du thorium sont radioactifs. Le thorium se trouve en petites quantités dans la plupart des roches et sols, il est quatre fois plus abondant que l’uranium, à peu près aussi fréquent que le plomb. Un terrain normal contient en moyenne environ 12 parties par million (ppm) de thorium. Le Th²³² est un isotope fertile : en absorbant un neutron, il se transmute en thorium 233 (radioactif), qui se désintègre ensuite en protactinium 233 (radioactif), qui se désintègre à son tour en uranium 233, fissile, donc susceptible de créer une réaction en chaîne. Plusieurs autres nucléotides sont aussi créés par addition ou soustraction de neutrons !
Note : un accélérateur ne peut accélérer des neutrons, mais peut en générer indirectement par la collision d’un faisceau accéléré de particules chargées sur une cible adéquate.

² La face gâchée du nucléaire, Documentaire sur Arte (1h 30)
Ce documentaire donne la parole à Alvin Weinberg, un des inventeurs de la filière du thorium, et montre comment et pourquoi cette solution a été désinvestie et mise sur le côté. Et tout le monde a copié les Américains, les Français ont abandonné les essais (graphite-gaz, etc.) pour finalement travailler avec des brevets américains ou s’en inspirer.
À voir.
N.B.
Ce sont des ingénieurs US qui ont conçu les réacteurs à eau de Fukushima Daïchi, et qui, c’est malheureux, on fait construire cette centrale au niveau de la mer après avoir fait excaver la colline préexistante, parce qu’il leur semblait plus judicieux d’installer les réacteurs juste au niveau de l’eau… Et à la merci d’un tsunami !

³ Deux articles sur le nouveau projet chinois :
https://trustmyscience.com/chine-souhaite-commercialiser-reacteurs-nucleaires-thorium-2030/
https://www.france24.com/fr/%C3%A9co-tech/20210910-nucl%C3%A9aire-pourquoi-la-chine-veut-se-doter-d-un-r%C3%A9acteur-au-thorium

⁴ Fiche Wikipedia et protactinium et prolifération
Normalement le Pa²³¹, de très longue durée de vie (32700 ans), ne devrait pas apparaître, car le protactinium n’est qu’un intermédiaire de la réaction qui transforme le thorium 232 en uranium 233.

Mais il peut se créer aussi du Pa²³¹ par réduction neutronique du Pa²³³ (perte de neutrons suite à des collisions) . Il y a aussi parmi les produits de fission de l’Iode 129, à très longue durée de vie (15.7 millions d’années).