Combustibles au thorium



Uranium 233 : un noyau fissile produit à partir du thorium

Le thorium étant plus abondant que l'uranium dans la croûte terrestre, on a envisagé depuis les débuts du nucléaire d'exploiter les possibilités d'un combustible à base de cet élément. La difficulté est que le thorium, constitué pratiquement à 100 % de thorium-232, est seulement « fertile ». La capture d'un neutron ne provoque pas de fission mais transforme ce thorium en un noyau fissile d'uranium-233, une transformation similaire à celle de l'uranium-238 en plutonium-239.



Uranium-233 et plutonium-239
La formation de l'uranium-233 dans un cœur de réacteur à base de thorium est en tout point similaire à celle du plutonium-239 à partir de l'uranium (en haut). En bas, la capture d'un neutron conduit à la formation d'un noyau de thorium-233 très instable qui par deux désintégrations bêta successives se transforme en protactinium-233 puis en uranium-233. La principale différence entre les deux mécanismes est que la désintégration du protactinium-233 (en uranium-233), est 12 fois plus lente que celle du neptunium en plutonium-239. La période du protactinium étant de 27 jours, il faut attendre pratiquement une année après l'arrêt du réacteur pour que tout le protactinium-233 se transforme en uranium-233.
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L'uranium-233 possède une période de 159 000 ans, longue mais cependant trop courte pour qu'il ait subsisté à l'état naturel. Pour compenser l'absence initiale de matière fissile dans un combustible au thorium, le plus simple est d'ajouter au départ du plutonium dont on souhaite se débarrasser, l'uranium-233 formé au cours du temps remplaçant progressivement la charge initiale de plutonium.

Le handicap d'un dopage initial avec des éléments fissiles a été longtemps rédhibitoire. Le regain d'intérêt pour cette filière est dû en partie à ce que l'on dispose maintenant de suffisamment de plutonium pour démarrer des réacteurs au thorium. On envisage aussi d'associer de tels réacteurs à un accélérateur.

L'uranium-233 présente des avantages du point de vue nucléaire. Il est celui des trois noyaux fissiles pour lequel les pertes par captures non suivies de fission sont les plus petites. Un nombre plus élevé de neutrons secondaires permettrait d'envisager la surgénération avec des neutrons lents : 2.28 neutrons en moyenne par neutron primaire absorbé, contre 2.07 pour l'uranium-235 et 2.11 pour le plutonium-239. Enfin, le déploiement de la surgénération nécessiterait des charges initiales de combustible beaucoup moins importantes que pour les surgénérateurs au plutonium.



Déploiement de réacteurs au thorium
Comment démarrer un réacteur au thorium ? La figure illustre un scénario possible. A gauche, le cœur d'un réacteur surgénérateur est chargé d'un combustible enrichi au plutonium et entouré d'une couverture de thorium fertile. Un tel réacteur génèrerait environ 200 kg par an d'uranium-233. Il faudrait environ 6 ans de fonctionnement pour atteindre 1,2 tonnes d'uranium-233, la charge fissile considérée comme nécessaire pour démarrer un réacteur à sels fondus au thorium. Ensuite, ce réacteur (à droite) serait capable de régénérer l'uranium-233 consommé. On voit que le déploiement de tels réacteurs, pourtant considéré comme relativement rapide, prendrait de nombreuses années.
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L'uranium-233 est considéré plus " propre " que les combustibles à base d'uranium-235 et de plutonium (*). Dans les réacteurs conventionnels, les captures de neutrons conduisent à la formation de noyaux transuraniens, les actinides, qui contribuent beaucoup à la nuisance des déchets. Dans le cas de l'uranium-233, les captures non suivies de fission conduisent à la formation de " transthoriens " : des noyaux d'uranium-234, 235 et 236 de périodes nettement plus longues (247000 ans, 700 et 24 millions d'années) et donc moins radioactifs.

Selon des experts, la filière uranium-thorium serait la meilleure pour remplacer les réacteurs conventionnels à eau pressurisée. Le thorium est plus abondant que l'uranium. La filière assurerait l'avenir énergétique de l'humanité pour des milliers d'années. La radiotoxicité à long terme des déchets laissés en héritage serait en fin de compte diminuée par l'absence de plutonium et d'actinides.

Sujets voisins : Combustibles à l'uranium, Cycle du combustible, Utilisation du plutonium, Combustibles mixtes : Mox, Agencement du combustible, Séparation isotopique


Voir aussi :

La surgénération
Les noyaux fissiles
Réacteurs hybrides