La folle histoire du Thorium
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La folle histoire du Thorium 20 septembre 2016 La folle histoire du Thorium Le Thorium est découvert en 1928 sur cette minuscule île dans un fjord du sud de la Norvège : Løvøya. Identifié dans la même année comme un nouvel élément, le Thorium n’accède à la notoriété que 60 ans plus tard, lorsqu’une première application lui est trouvée. Pas encore la génération de l’électricité, mais déjà… la lumière… En 1884, le chimiste et industriel autrichien Auer von Welshbach met au point un nouveau manchon de lampe à gaz incandescent : réalisé en coton, on le trempe dans un sel de Thorium, puis on le durcit par une succession de procédés chimiques et thermiques. Et le résultat est spectaculaire. L’industrie des manchons connaît 1 une ascension fulgurante, faisant flamber les prix du Thorium. Mais la fée électricité, dans les années 20, relègue le Thorium au rang de curiosité académique. Entretemps, Marie Curie, en 1897, s’est mise en chasse des « rayons uraniques », cet étrange phénomène, découvert un an plus tôt par Henri Becquerel, qui grille les plaques photographiques même dans le noir. La même année, et tout à fait indépendamment, Gerhard Carl Schmidt en Allemagne puis, deux mois plus tard, Marie Curie en France, découvrent les propriété radioactives du Thorium. 1900 : le néo-zélando-britannique Ernest Rutherford étudie le thorium. Il s’aperçoit alors que le simple fait d’ouvrir la porte de son laboratoire modifie ses expériences. Il en conclut que le Thorium dégage une émanation, radioactive elle aussi, qu’un courant d’air suffit à déplacer. Il constate aussi que cette radioactivité décroît jusqu’à disparaître en une dizaine de minutes : c’est ainsi que, grâce au Thorium, Rutherford découvre la période (ou demi-vie) des éléments radioactifs. Puis, aidé du chimiste britannique Frederick Soddy, Rutherford relève que la radioactivité du Thorium laisse place à un dégagement d’énergie 100 000 fois supérieur à celui d'une réaction chimique. Le Thorium à l’évidence se décompose en quelque chose d’autre, de plus léger que l’atome initial. Il s’agit d’éléments radioactifs eux aussi, mais qui ne sont plus du Thorium. Rutherford, bientôt prix Nobel, constate enfin que cette désintégration s’accompagne d’une perte de masse. Mais où est passé le poids perdu ? Einstein donne la réponse en 1905 : E = mc2 : « Si un corps perd une énergie L sous forme de rayonnement, sa masse diminue de L/c2 » Ce qui implique qu’une perte de masse, même dérisoire à l'échelle humaine, peut dégager une quantité considérable d'énergie. C’est exactement ce qui se passe lors de la fission nucléaire : frappé par un neutron, le noyau d’un atome fissionne en deux noyaux plus petits, de deux éléments différents. Mais la masse des deux petits noyaux est inférieure à celle du noyau initial. La différence ? C’est l’énergie nucléaire. Pendant près de 40 ans, le Thorium se trouve régulièrement sollicité par les progrès de la recherche nucléaire. Dans ce qu’ils ont de sérieux, et dans ce que le « hype » d’une nouvelle idée, la « radioactivité », va créer de farfelu voir de carrément insensé : c’est l'époque de la crème de beauté « Tho-radia » et de son cortège de savons et baumes solaires aux sels de Thorium et de Radium. Le Thorium se retrouve associé à un visage énigmatique, éclairé en contre-plongée, qui inspirera de nombreux cinéastes : celui de l’égérie de Tho-Radia. Lors de son lancement en 1933, Tho-Radia attribue aux sels de Thorium et de Radium ce que les cosmétiques d’aujourd’hui préfèrent trouver dans l’ADN végétal et autre nanotechnologies : « stimule la vitalité cellulaire, raffermit les tissus, élimine la graisse, supprime les rides, conserve la fraîcheur, la jeunesse et l’éclat du teint ». Les messieurs ne sont pas en reste : on leur vend du Radithor, censé leur redonner leur vigueur perdue. Le Thorium semble condamné à la pharmacologie de charlatan lorsqu’en 1942, un autre futur prix Nobel de chimie, Glenn Seaborg, découvre qu’en bombardant de neutrons du Thorium on obtient une forme d’Uranium qui n’existe pas dans la nature : l’Uranium 233. Et que cet uranium est fissile, donc capable d’entretenir une réaction nucléaire, exactement comme le Plutonium qu’il a également découvert peu avant. On est alors en pleine seconde guerre mondiale, et Seaborg travaille au projet Manhattan : la construction par les Etats-Unis d’une bombe atomique. Les débuts sont chaotiques. Le 2 plutonium, produit à partir d’Uranium naturel grâce au premier réacteur, semble à un moment devoir être abandonné : la bombe imaginée jusque là ne pourrait pas exploser au moment souhaité, le Plutonium produit en réacteur n’est pas assez pur, sa capacité d’explosion est par trop aléatoire. Seaborg, pressé de trouver une alternative, explore alors aussi vite qu’il le peut l’Uranium 233 issus du Thorium comme piste pour réaliser la bombe atomique. La folle histoire du Thorium 20 septembre 2016 http://future.arte.tv/fr/thorium/la-folle-histoire-du-thorium Le Thorium est découvert en 1928 sur cette minuscule île dans un fjord du sud de la Norvège : Løvøya. Identifié dans la même année comme un nouvel élément, le Thorium n’accède à la notoriété que 60 ans plus tard, lorsqu’une première application lui est trouvée. Pas encore la génération de l’électricité, mais déjà… la lumière… En 1884, le chimiste et industriel autrichien Auer von Welshbach met au point un nouveau manchon de lampe à gaz incandescent : réalisé en coton, on le trempe dans un sel de Thorium, puis on le durcit par une succession de procédés chimiques et thermiques. Et le résultat est spectaculaire. L’industrie des manchons connaît une ascension fulgurante, faisant flamber les prix du Thorium. Mais la fée électricité, dans les années 20, relègue le Thorium au rang de curiosité académique. Entretemps, Marie Curie, en 1897, s’est mise en chasse des « rayons uraniques », cet étrange phénomène, découvert un an plus tôt par Henri Becquerel, qui grille les plaques photographiques même dans le noir. La même année, et tout à fait indépendamment, Gerhard Carl Schmidt en Allemagne puis, deux mois plus tard, Marie Curie en France, découvrent les propriété radioactives du Thorium. 3 1900 : le néo-zélando-britannique Ernest Rutherford étudie le thorium. Il s’aperçoit alors que le simple fait d’ouvrir la porte de son laboratoire modifie ses expériences. Il en conclut que le Thorium dégage une émanation, radioactive elle aussi, qu’un courant d’air suffit à déplacer. Il constate aussi que cette radioactivité décroît jusqu’à disparaître en une dizaine de minutes : c’est ainsi que, grâce au Thorium, Rutherford découvre la période (ou demi-vie) des éléments radioactifs. Puis, aidé du chimiste britannique Frederick Soddy, Rutherford relève que la radioactivité du Thorium laisse place à un dégagement d’énergie 100 000 fois supérieur à celui d'une réaction chimique. Le Thorium à l’évidence se décompose en quelque chose d’autre, de plus léger que l’atome initial. Il s’agit d’éléments radioactifs eux aussi, mais qui ne sont plus du Thorium. Rutherford, bientôt prix Nobel, constate enfin que cette désintégration s’accompagne d’une perte de masse. Mais où est passé le poids perdu ? Einstein donne la réponse en 1905 : E = mc2 : « Si un corps perd une énergie L sous forme de rayonnement, sa masse diminue de L/c2 » Ce qui implique qu’une perte de masse, même dérisoire à l'échelle humaine, peut dégager une quantité considérable d'énergie. C’est exactement ce qui se passe lors de la fission nucléaire : frappé par un neutron, le noyau d’un atome fissionne en deux noyaux plus petits, de deux éléments différents. Mais la masse des deux petits noyaux est inférieure à celle du noyau initial. La différence ? C’est l’énergie nucléaire. Pendant près de 40 ans, le Thorium se trouve régulièrement sollicité par les progrès de la recherche nucléaire. Dans ce qu’ils ont de sérieux, et dans ce que le « hype » d’une nouvelle idée, la « radioactivité », va créer de farfelu voir de carrément insensé : c’est l'époque de la crème de beauté « Tho-radia » et de son cortège de savons et baumes solaires aux sels de Thorium et de Radium. Le Thorium se retrouve associé à un visage énigmatique, éclairé en contre-plongée, qui inspirera de nombreux cinéastes : celui de l’égérie de Tho-Radia. Lors de son lancement en 1933, Tho-Radia attribue aux sels de Thorium et de Radium ce que les cosmétiques d’aujourd’hui préfèrent trouver dans l’ADN végétal et autre nanotechnologies : « stimule la vitalité cellulaire, raffermit les tissus, élimine la graisse, supprime les rides, conserve la fraîcheur, la jeunesse et l’éclat du teint ». Les messieurs ne sont pas en reste : on leur vend du Radithor, censé leur redonner leur vigueur perdue. 4 Le Thorium semble condamné à la pharmacologie de charlatan lorsqu’en 1942, un autre futur prix Nobel de chimie, Glenn Seaborg, découvre qu’en bombardant de neutrons du Thorium on obtient une forme d’Uranium qui n’existe pas dans la nature : l’Uranium 233. Et que cet uranium est fissile, donc capable d’entretenir une réaction nucléaire, exactement comme le Plutonium qu’il a également découvert peu avant. On est alors en pleine seconde guerre mondiale, et Seaborg travaille au projet Manhattan : la construction par les Etats-Unis d’une bombe atomique. Les débuts sont chaotiques. Le plutonium, produit à partir d’Uranium naturel grâce au premier réacteur, semble à un moment devoir être abandonné : la bombe imaginée jusque là ne pourrait pas exploser au moment souhaité, le Plutonium produit en réacteur n’est pas assez pur, sa capacité d’explosion est par trop aléatoire. Seaborg, pressé de trouver une alternative, explore alors aussi vite qu’il le peut l’Uranium 233 issus du Thorium comme piste pour réaliser la bombe atomique. De fait, tout le projet Manhattan, depuis la lettre d’Alfred Einstein au Président Roosevelt, est une course contre la montre : l’Allemagne nazi se serait engagée dans la quête de l’arme atomique, il faut la prendre de vitesse. Une vague de panique secoue les renseignements américains à l’automne 44 quand ils apprennent qu’une entreprise de chimie allemande, Auer Gesellschaft, identifiée pour avoir procuré de l’Uranium pour la recherche militaire, venait de rafler tout le stock de Thorium de la compagnie française des Terres Rares. Les chercheurs allemands auraient-ils pris une telle avance sur les américains qu’une bombe à base de Thorium et d’uRanium 233 soit à portée de main du régime nazi ? Après enquête, les renseignements américains découvrirent la véritable destination de ce thorium : sentant le vent tourner, Auer Gesellschaft avait décidé de se recycler dans le civil, et de commercialiser du dentifrice au Thorium. Ils possédaient déjà la licence du Doramad, le dentifrice au Radium, pourquoi ne pas changer la formule ? Le slogan publicitaire était déjà au point : « une brillance radioactive pour vos dents »… Pendant ce temps, aux USA, les recherches de Glenn Seaborg scellent le sort du Thorium, lorsque le physicien annonce qu’une bombe à base d’Uranium 233 généré à partir du Thorium exploserait systématiquement en avance… De toute façon, la conception de la bombe a changé pour contourner les problèmes rencontrés quelques mois plus tôt : le Plutonium est « sauvé », la production d’ogives nucléaires au Plutonium ne fait que commencer. Les recherches sur le Thorium et l’Uranium 233, elles, ne sont plus d’aucune utilité aux militaires : le programme peut fermer. Pourtant, Glenn Seaborg venait de découvrir qu’un réacteur alimenté en Thorium et en Uranium 233 serait capable d’entretenir une réaction en chaîne contrôlée. Mieux, qu’un tel réacteur « régénérerait » son combustible, produisant si souhaité plus d’Uranium 233, c’est à dire de combustible nucléaire, qu’il n’en avait au départ. 5 Cette idée marque tout particulièrement un jeune physicien, Alvin Weinberg, qui travaille lui aussi dans le projet Manhattan. Weinberg, après avoir participé à la conception du premier réacteur nucléaire, publie en 1946 un papier dans lequel il jette les bases de ce qui deviendra nos réacteurs actuels : les réacteurs à eau pressurisée. Mais avec une nuance : il les imagine tournant au Thorium. Weinberg liste d’ailleurs dans son article tous les défauts de ce réacteur : il lui faut tourner sous haute pression, il ne délivre qu’une faible température finale, et sa consommation du combustible est loin d’être optimale. Cela n’empêchera pas les militaires de retenir ce réacteur pour la propulsion nucléaire de la Navy… mais en cycle UraniumPlutonium. Le Thorium, une seconde fois, est évincé. L’équipe de Weinberg tentera pendant près de 30 ans de développer des réacteurs civils tournant au Thorium. Avec une particularité : Weinberg imagine le Thorium désormais sous la forme du combustible liquide, ouvrant la voie à une recherche nucléaire parallèle et largement ignorée : celle des réacteurs à sels fondus, les MSR (Molten Salt Reactor). Des réacteurs capables de produire de l’énergie nucléaire sans tous les aléas des réacteurs à combustible solide. (hyperlink vers chapitre 1 infographies sur les MSR) Dans les années 60, on imagine encore que le nucléaire va se développer de façon exponentielle. La crainte de voir les stocks d’uranium s’épuiser pousse les Etats-Unis vers le concept de surgénérateurs : des réacteurs produisant plus de combustible qu’ils n’en consomment. Une chance est donnée une dernière fois au cycle Thorium. Mais la realpolitik l’emporte, et en pleine guerre froide les surgénérateurs produisant du Plutonium sont préférés à ceux qui produisent un Uranium 233 qui n’a que des applications civiles. Dans un même mouvement, les réacteurs à sels fondus tombent dans l’oubli. Quelques essais de réacteurs à combustible solide de Thorium seront bien tentés plus tard dans le monde : à Shippingport (Pennsylvanie, USA) en 1977, le THTR en 1983 à Hamm (Rhénanie du Nord-Westphalie, Allemagne). Sans suite, car sous la forme d’un combustible solide, le Thorium ne présente pas d’avantages flagrants par rapport à l’Uranium. Le THTR300, notamment, restera dans les mémoires comme le réacteur allemand qui, suite à un énième incident, relâcha un nuage radioactif dans le ciel allemand dix jours après l’accident de Tchernobyl, ni vu, ni connu. En 2004, les 3200 tonnes de Thorium américain, la totalité de la réserve stratégique US, est enfouie définitivement dans le Nevada. Ce thorium, dans un réacteur à sels fondus, aurait généré l’équivalent de deux ans de consommation électrique totale des Etats-Unis. Ou 53 ans d’électricité française dans un MSFR. L’Inde explore elle depuis 1974 la piste du Thorium : l’embargo sur son approvisionnement en Uranium suite au test nucléaire mené en 1974 ont boosté ses recherches. Avec 25% des réserves mondiales estimées en Thorium, l’Inde vise l’auto-suffisance énergétique. 23 réacteurs sont en Cependant, si le Thorium revient sur le devant de la scène aujourd’hui, c’est intimement associé réacteurs à sels fondus. Cette technologie à combustible liquide tire en effet pleinement parti du potentiel du Thorium, avec des réacteurs qui n’ont rien en commun en terme de sécurité ou de production de déchets avec tous les réacteurs à combustible solide, actuels ou avancés. 6 Aux Etats-Unis, la redécouverte des réacteurs à sels fondus par Kirk Sorensen marque le début de la reprise d’intérêt pour le Thorium. L’ingénieur de l’aérospatiale était en quête d’un moyen de propulsion pour les expéditions vers Mars. Depuis, il pense avoir trouvé le réacteur qui permettra peut-être à l’humanité de rester sur Terre. 7 Thorium vs. Uranium : quelle différence entre les deux ? 1) La première différence entre Thorium et Uranium tient à leur disponibilité sur Terre : il y a quatre fois plus de Thorium que d'Uranium. Si on trouve quasi systématiquement du Thorium là où l'on mine l'Uranium, on le trouve aussi systématiquement associé à tous les gisements de Terres Rares. Mais aussi dans des formations granitiques : la Norvège possède la plus importante réserve de Thorium d'Europe, suivie du Groënland (ou derrière le Groënland selon les différentes estimations). Thorium et Uranium ayant été créés ensemble dans le chaudron d'une supernova, on les retrouve dans les croutes planétaires de la Terre, de la Lune, de Mars... 2) La seconde différence se situe au niveau des particularités physiques. L'uranium naturel sur Terre se divise en deux types, deux "isotopes" différents : l'uranium 235, qui est fissile, c'est-à-dire capable de fissionner lorsque percuté par un neutron, et de libérer ainsi l'énergie nucléaire ; et l'uranium 238, qui est "fertile" : frappé par un neutron, il ne fissionne pas, il l'absorbe comme un pacman, puis, instabilité du noyau oblige, il décroit, et devient un nouvel élément, le plutonium 239, qui, lui, est fissile. Le Thorium n'existe que comme élément fertile, le Thorium 232. Mais si une source de neutrons externe le bombarde, il se transforme d'abord en Protactinium 233, puis en Uranium 233 qui lui est fissile. Cette différence explique qu'au début de l'ère nucléaire, le cycle Uranium/Plutonium (U-Pu), beaucoup plus "direct", ait été préféré au cycle Thorium/Uranium233 (Th-U233). A fortiori parce que le but n'était pas de développer une nouvelle énergie, mais de produire du matériau militaire . Dans un réacteur conventionnel, le Thorium, sous forme de combustible solide, présente un intérêt limité : il rend le combustible plus stable, et réduit un petit peu la formation d'actinides mineurs, ces éléments très lourds et fortement radioactifs sur des durées allant jusqu'à 400 000 ans. Mais c'est dans un réacteur à sels fondus qu'il donne tout son potentiel. Les MSR savent "brûler" complètement les actinides mineurs. Mais indépendamment du réacteur utilisé, le cycle Thorium produit moins d'actinides mineurs que le cycle U-Pu. Rudy Konings, responsable de la recherche sur les combustibles usés au plus important laboratoire de l'Union Européenne, le JRC-Karlsruhe, nous explique pourquoi : Dans la table des éléments le Th232 100 1.405 1° puissance 10 a S’il absorbe un neutron, il forme l’isotope 233 puis, en uranium 233 qui est fissible. S’il n’y a pas fission, il peut à nouveau absorber un neutron il forme un autre isotope U234 puis, U235 hautement fissible. Si on continue on trouve U237 jusqu’au plutonium Pu238, puis l’américium et finalement le curium. La probabilité de passage du thorium au plutonium est très fiable. D’une part ces éléments sont éloignés et ensuite il y a deux isotopes fissibles entre les deux. Ceci permet d’éliminer les éléments à longue radioactivité. L’uranium 238 qu’on trouve dans la nature est seulement à quelques pas du plutonium. Seul le plutonium U239 est fissible. L’évolution vers les éléments comme l’américium et le curium dans le combustible est cause d’une radioactivité de très longue durée. 8 Qu'est-ce qu'un réacteur à sels fondus ? Dans la totalité des réacteurs qui équipent le parc électronucléaire mondial, le combustible se présente sous forme solide : dans les réacteurs à eau ordinaire (en anglais, Light Water Reactor, LWR), très largement majoritaires dans le monde, il s’agit d’assemblages de pastilles d’uranium. Sous l’effet de la fission nucléaire, les assemblages deviennent très chauds. C’est cette chaleur qui est emportée par le liquide de refroidissement, de l’eau dans les LWR, et emmenée vers un circuit secondaire pour actionner une turbine et générer l’électricité. Le réacteur à sels fondus (Molten Salt Reactor en anglais, MSR) affiche d’emblée deux principales différences par rapport aux LWR : 1) Le combustible nucléaire se présente sous forme LIQUIDE. La matière fissile est « diluée » dans un medium : un sel fondu. Ce sel est un fluorure de Lithium dans la majorité des design tel que le projet européen MSFR, un chlorure dans le concept allemand DFR comme dans le concept développé par la société de Bill Gates. 2) Combustible et liquide de refroidissement sont une seule et même chose : le même liquide circule dans le cœur et dans le système de refroidissement. On peut se représenter le réacteur comme une soupe dans une grande marmite, dans laquelle on peut rajouter ou extraire des ingrédients tout au long de la cuisson. La circulation des sels dans le cœur et le circuit de refroidissement « brasse » en permanence les sels fondus : les « ingrédients » de la soupe sont donc distribués de façon homogène dans tout le liquide. 9 Un sel est une formation chimiquement extrêmement stable, qui ne réagit ni avec l’air, ni avec l’eau. Les sels fondus ne prennent pas feu, ils n’explosent pas non plus. A noter qu’un sel fondu n’a rien à voir avec du sodium liquide, qui est un métal utilisé comme système de refroidissement par certains réacteurs à combustible solide : Superphénix (France) et Kalkar (Allemagne), par exemple, étaient des réacteurs à combustible solide refroidis par du sodium liquide. 10 11 Comment fonctionne un réacteur à sels fondus (MSR) ? Comme dans tout réacteur, la fission des atomes dégage de la chaleur. Dans un réacteur à sels fondus, le même liquide dans lequel a lieu la fission circule grâce à des pompes dans des « échangeurs de chaleur » : dans cette sorte de radiateurs, les canalisations où circule le sel fondu transmettent leur chaleur à un circuit secondaire. Le circuit secondaire amène ensuite la chaleur à la turbine qui génère l’électricité. Le fait que le combustible soit liquide, est à l’origine de multiples avantages, explorés dès les années 50 par le Laboratoire National d’Oak Ridge (ORNL) dans le Tennessee, sous la direction d’Alvin Weinberg. Dans un réacteur conventionnel, les pastilles d’uranium sont réparties en plus de 40 000 « crayons » répartis en 264 assemblages. Le combustible ne reste dans le cœur du réacteur que 3 ans. Au moment où on le retire, seuls 3 à 5% du combustible ont été « brûlés ». Ceci est dû au caractère solide du combustible conventionnel. thorium-chargement réacteurs Lorsqu’un noyau d’uranium 235 ou de Plutonium (ou d’Uranium 233 dans le cycle UraniumThorium) fissionne, il se brise en deux nouveaux éléments, qu’on appelle « produits de fission ». 12 D’autres noyaux vont au contraire absorber un neutron et se transformer en un nouvel élément plus lourd, un « actinide mineur », du plutonium par exemple. Produits de fission et actinides mineurs n’ont pas la même structure que le combustible de départ, ils peinent donc à trouver leur place dans les pastilles solides. Les forces qui en résultent vont craqueler les pastilles, voire déformer les gaines, au point parfois de les fragiliser. De plus, certains produits de fission comme le Xénon tendent à « empoisonner « la réaction en chaîne, parce qu’ils capturent des neutrons à la place de la matière fissile. Il faut donc changer les combustibles solides régulièrement, à la fois pour garantir un niveau satisfaisant de fission dans le réacteur, mais aussi pour éviter une perte d’intégrité des gaines du combustible. Le MSR, lui, peut tourner en continu, sans pause « chargement de combustible ». Liquide, le combustible peut en effet être extrait et recyclé en continu, un peu comme on filtre en permanence l’eau d’une piscine. On peut ainsi en retirer quotidiennement les produits de fission pour les stocker à l’écart du réacteur. Quant aux actinides mineurs, dont le Plutonium, ils restent dans le cœur jusqu’à ce qu’ils fissionnent à leur tour et soient donc totalement « brûlés ». Le retraitement continu permet à un réacteur à sels fondus d'utiliser plus de 99 % de son carburant nucléaire. 13 MSR et sécurité : quelles réactions en cas d'accident ? Les réacteurs à eau ordinaire (LWR) que nous connaissons fonctionnent sous une forte pression : 155 bars pour les réacteurs à eau pressurisée communs en France, 75 bars pour les réacteurs à eau bouillante qui équipent une portion du parc nucléaire allemand et suisse. Cette pression est nécessaire pour maintenir l’eau du système de refroidissement à l’état liquide alors qu’elle circule dans un réacteur à plus de 300° : sans pressurisation, l’eau atteindrait son point d’ébullition dès 100° et les bulles de vapeur causeraient des « sautes » dans le refroidissement du réacteur. Dans un MSR, les sels fondus n’atteignent pas leur point d’ébullition avant 1800°, alors que le réacteur fonctionne autour de 750°. Il n’y donc pas besoin de le mettre sous pression : les matériaux sont beaucoup moins sollicités. En cas d’accident, les MSR se comportent très différemment des LWR - Le MSR n’étant pas sous pression, sa structure est beaucoup moins fragile. Et comme ce sont des sels fondus et non de l’eau qui circulent, les risques d'explosions de vapeur comme à Tchernobyl sont supprimés. - Dans tout réacteur, les produits de fission sont les éléments les plus radioactifs du combustible. Dans un LWR, en cas d’accident avec explosion (Tchernobyl, Fukushima) les produits de fission, notamment le Cesium 137 et l’Iode 131, peuvent être expulsés dans l’atmosphère et contaminer l’environnement. Dans un MSR, du fait du recyclage continu du combustible, la quantité de produits de fission présents dans le réacteur au moment d’un accident est faible. - Dans un LWR, si les gaines des combustibles viennent à céder, les produits de fission sont libérés. Dans un MSR, les produits de fission présents dans le coeur sont intimement liés au sel du fait des propriétés chimiques mêmes des sels. Même à très haute température, les produits de fissions restent emprisonnés dans un sel fondu et ne sont pas vaporisés dans l’atmosphère. - Les sels combustibles se solidifient dès que la température tombe sous les 600° : en cas d’accident, si du sel combustible devait d’échapper de la cuve du réacteur, il formerait rapidement une masse solide, emprisonnant matières fissiles et déchets. Une éventuelle défaillance du reste de la centrale n’affecte donc pas la barrière de confinement formée par le sel. Comme les sels réagissent très peu avec l'air et se dissolvent très mal dans l'eau il n'y a pas non plus de risque d’incendie ou d’explosion. Même en cas de destruction volontaire de la cuve (bombardement, attentat), les conséquences radiologiques restent très limitées et sans comparaison avec ce qui se passerait dans un réacteur à combustible solide. 14 Un réacteur de physiciens Les réacteurs à sels fondus sont souvent désignés comme « des réacteurs de physiciens » : ils sont en effet conçus pour que leur sécurité repose sur les lois naturelles de la physique plutôt que sur des dispositifs extérieurs complexes. Dans les réacteurs que nous connaissons, les système de sécurité sont alimentés électriquement. Lorsqu’à Fukushima le tsunami a coupé l’alimentation électrique et inondé les générateurs diésels de secours, les pompes chargées de faire circuler l’eau du refroidissement du réacteur se sont arrêtées. Les conséquences avaient été la surchauffe du réacteur puis l’explosion. Or dans un LWR, si le refroidissement vient à faire défaut, on ne peut pas non plus évacuer le combustible pour empêcher qu’il monte en température : le déchargement du combustible est une opération lourde et complexe qu’on ne peut improviser. Dans un MSR, on peut à tout moment évacuer le combustible parce qu’il est sous forme liquide. Au fond de la cuve du réacteur, un « bouchon » de sel est maintenu à l’état solide par un système de réfrigération. En cas de perte de l’alimentation électrique, le système de réfrigération s’arrête, la température du réacteur fait fondre le bouchon et le combustible s’écoule passivement, par gravité naturelle, dans une citerne en contre-bas. Ce réservoir de vidange, « drain tank » en anglais, possède une forme très différente de la cuve du réacteur : le sel s’y étale, de sorte que non seulement le refroidissement naturel s’en trouve accéléré, mais aussi les noyaux de la matière fissile se retrouvent trop éloignés les uns des autres pour pouvoir maintenir la réaction en chaîne. La fission s’arrête par elle-même, tandis que le sel refroidi. C’est ce qu’on appelle un système de sécurité passif, qui n’exige ni alimentation électrique, ni intervention humaine : il repose simplement sur la force de gravité et sur les lois de la thermodynamique et de la neutronique. Autre exemple : dans un LWR, l’accident le plus redouté est la fonte du coeur. En fondant, le combustible se contracte en une masse informe. L’eau censée refroidir le combustible ne peut plus circuler entre les assemblages, mais seulement autour d’une masse fondue : le refroidissement s’en trouve compromis. D’autre part, la fusion du combustible compacte la matière fissile, qui se retrouve beaucoup plus concentrée : cette densité accrue accélère la réaction en chaîne, donc la température. Dans un MSR, le coeur est déjà fondu. La matière fissile dans le coeur du réacteur est d’emblée au niveau maximal de sa concentration : impossible de la compacter davantage et de créer un accident de criticité, c’est à dire une réaction en chaîne non contrôlée. Cette forme liquide du combustible assure un autre avantage de taille : le réacteur ne peut en aucun cas s’emballer comme à Tchernobyl. Le réacteur ukrainien, au moment de l’accident, est entré dans un cercle vicieux, où plus la température monte, plus la réaction en chaîne s’accélère, plus la réaction en chaîne s’accélère, plus la température monte et ainsi de suite. Les MSR, grâce au sel fondu, bénéficient au contraire d’un cercle vertueux : plus la température monte, plus le sel se dilate, moins la matière fissile est concentrée, et donc moins la réaction en chaîne peut se maintenir. Un pic de chaleur cause en fait l’arrêt de la réaction en chaîne dans un MSR. 15 Là encore, ce sont les lois naturelles de la physique qui assurent la stabilité et la sûreté d’un MSR. De ce fait, nul besoin de barres de contrôle pour arrêter un MSR : si pour quelque raison le réacteur devait surchauffer, il s’arrêterait aussitôt par lui-même. Pour une simulation « scientifique » de ce qui se passe dans un MSR, c’est ici . Axel Laureau, jeune chercheur en nucléaire, y explique les calculs qu’il a réalisés durant sa thèse de doctorat. Scénario : que se passe-t-il si, à basse puissance, on refroidit exagérément le réacteur MSFR ? La sécurité d’un MSR repose donc sur les lois de la physique et non plus sur des équipements susceptibles d'être détruits, désactives ou de tomber en panne. La sécurité d’un MSR repose donc sur les lois de la physique et non plus sur des équipements susceptibles d'être détruits, désactivés ou de tomber en panne. 16 Réacteurs à sels fondus et économie Réacteurs à sels fondus (MSR) et Thorium La quasi-totalité des réacteurs existants fonctionnent avec le cycle de combustible appelé UPu, pour Uranium-Plutonium. L’autre cycle de combustible nucléaire, à l’heure actuelle inexploité, est le cycle Thorium-Uranium 233 (Th-U). Les réacteurs à sels fondus peuvent tourner en cycle Uranium-Plutonium ou en cycleThorium-Uranium 233. Le cycle Uranium étant le seul commercialisé à ce jour, les concepts de MSR qui escomptent une commercialisation rapide, dans les dix ans à venir, choisissent le cycle U-Pu, dans la mesure où l’approvisionnement en combustible est déjà balisé. Le seul MSR à avoir tourné longtemps et efficacement, le MSRE, un réacteur de recherche développé dans les années 60 par le laboratoire américain d’Oak Ridge, tournait d’ailleurs en cycle U-Pu. Il aurait dû basculer en cycle Thorium lorsque le programme fut asphyxié financièrement au profit des Fast Breeder Reactors, l’équivalent américain de Superphénix. Aujourd’hui, la majorité des projets des MSR à l'étude adoptent le cycle Th-U233, car le Thorium est idéal en sels fondus, et les sels fondus déploient tout leur potentiel en cycle Thorium. Le Thorium, 4 fois plus abondant sur Terre que l’Uranium, offre notamment dans un MSR une meilleure « économie de neutrons » et permet ainsi de fissionner efficacement les actinides mineurs. La « densité énergétique » du Thorium dans un MSR surpasserait ainsi très largement celle de l’Uranium dans un LWR ou du pétrole dans une centrale thermique. Cette proportion s’explique également par les usages secondaires applicables au MSR. 17 Le MSR monte à 750° environ, là où la température moyenne d’un LWR tourne autour des 300°. Cette température plus élevée assure tout d’abord une bien meilleure rentabilité en terme de production électrique que les réacteurs existants. Cette température élevée permet aussi d’appliquer le réacteur à des usages industriels très gourmands en chaleur et en électricité la production d’hydrogène, notamment à partir de charbon en Chine, pour un carburant autrement plus propre. C’est cet aspect du potentiel des MSR qui a poussé la Chine à miser un demi-milliard d’euros sur la R&D des MSR : l’empire du milieu possède à la fois de vastes ressources de charbon et de Thorium. De quoi réussir, grâce aux MSR, le virage de la transition énergétique et de la dépollution des villes. Enfin, la haute température des MSR permet un dessalement compétitif de l’eau de mer pour fournir de l’eau potable. 18 Des MSR au niveau mondial ? A l’heure actuelle, le charbon reste mondialement la première source pour la production de l’électricité. La Chine et l’Inde brûlent encore massivement du charbon. Mais aussi des pays occidentaux tels que Les Etats-Unis ou l’Allemagne. Les énergies renouvelables, en plein essor, affichent un taux de croissance mondial important, de l’ordre de 15%. Malheureusement, ce pourcentage est identique à celui de la croissance globale de la demande énergétique, du fait de la poussée démographique et du développement des pays en transition. Dans les projections pour 2040, la part des énergies renouvelables (hors hydro-électrique, arrivé à saturation faute de pouvoir démultiplier les barrages dans le monde) va être multipliée par 3, notamment grâce aux investissements massifs de la Chine, de l’Inde et de l’Amérique du Sud. Le hic, c’est que la demande en électricité elle sera multipliée dans le même temps par 4. Pour suppléer à la différence… gaz et charbon. 19 Si l’on observe cette fois la consommation d’énergie globale, on s’aperçoit que c’est le pétrole qui occupe encore la première place : le transport vient en tête, avec près de 64% de l’or noir consommé sur la planète, suivi de l’utilisation du fuel comme chauffage domestique et comme carburant agricole, près de 11,6%, et de son usage comme source de chaleur dans l’industrie. La part du pétrole qui n’est pas dévolue à la production d’énergie sous quelque forme que ce soit ne représente que 16,2%, et correspond principalement à la pétrochimie (production de plastiques, médicaments, nylon, détergents, cosmétiques etc). Charbon comme pétrole sont des énergies fossiles, qui contribuent massivement au réchauffement climatique. Le gaz, s’il est moins émetteur en CO2 que le pétrole, n’en contribue pas moins lui aussi au réchauffement planétaire. Les MSR au Thorium pourraient représenter une alternative au gaz et au charbon et remplacer les usages énergétiques du pétrole, tout en épaulant efficacement la montée en puissance des renouvelables. A terme, les chercheurs du projet Européen MSFR imaginent une production énergétique assurée à 70% par les énergies renouvelables et 30% par les MSR. Le Thorium, 4 fois plus abondant sur la planète que l’Uranium, est également mieux réparti. Surtout, les deux pays en plein boom démographique, la Chine et l’Inde, pourraient produire une majorité de leur énergie à partir de leur Thorium, limitant ainsi les émissions de CO2 et donc le réchauffement climatique. 20 21 Aujourd’hui, de nombreux pays étudient sérieusement les MSR comme réponse au réchauffement climatique. Le gouvernement américain, début 2016, a accordé pour la première fois depuis 30 ans une aide au développement d’une énergie nucléaire : c’était au concept de MSR développé par Terra Power, la fondation de Bill Gates.Au Canada, le gouvernement soutient le développement du concept de IMSR, développé par Terrestrial Energy près de Toronto. En Chine, le TMSR, développé par l’Institut de Physique Nucléaire de Shanghai (SINAP) est soutenu à hauteur d’un demi-milliard d’euros. C’est pourtant vers l’Europe que tous les chercheurs se tournent en matière de recherche sur les MSR : le projet SAMOFAR, qui regroupe une dizaine de laboratoire publics européens, dont le CNRS en France, le JRC-Karlsruhe en Allemagne et l’Institut Paul Scherrer en Suisse est à la pointe de la connaissance en matière de réacteurs à sels fondus. Leur concept de MSR, le MSFR, représente le plus exigeant et le plus performant de tous les designs à l’étude. Mais le soutien financier qui lui est accordé par l’Union Européenne apparaît inversement proportionnel à l’enthousiasme qu’il suscite ou à la solution au défi énergétique qu’il pourrait représenter… 22
