Thorium

Figure 1. Thorium, numéro atomique 90 et poids atomique 232,0381.[1]

Le thorium est le 90e élément du tableau périodique, le deuxième élément le plus lourd sur Terre. Le thorium est connu pour son potentiel à fournir de l'énergie nucléaire dans les réacteurs nucléaires, tout comme l'uranium qui est le combustible nucléaire dominant actuel. Il a été découvert en 1828 par le chimiste suédois Jons Jakob Berzelius, qui lui a donné le nom de Thor, le dieu nordique du tonnerre.[2] On ne trouve qu'un seul isotope de thorium dans la nature, le thorium-232.[3]

Le thorium est un élément fertile, ce qui signifie que lorsqu'il absorbe un neutron, il subit une série de réactions nucléaires jusqu'à ce qu'il devienne un isotope fissile, dans ce cas l'uranium-233.[4] Cet uranium-233 peut ensuite être utilisé comme combustible nucléaire, car sa désintégration fournit de l'énergie qui peut être utilisée dans un réacteur.

Le thorium est environ 3 fois plus abondant que l'uranium dans l'écorce terrestre, avec une concentration de 9,6 parties par million.[4] Dans des pays comme l'Inde et la Chine, la quantité de ressources en thorium est beaucoup plus importante que la quantité d'uranium dont ils disposent, de sorte que le développement du thorium comme élément du combustible nucléaire est un domaine de grand intérêt.[5]

Thorium comme combustible

Figure 2. Le thorium est contenu dans et produit à partir de la monazite, un minéral naturel.[6]

Afin d'être utilisé comme combustible pour produire de l'électricité, le thorium doit subir une transmutation par l'absorption d'un neutron. L'uranium-233 est le sous-produit utile de cette opération, car il est fissile et peut alimenter une réaction nucléaire en chaîne. Une fois l'uranium 233 produit, il peut être soit séparé chimiquement pour être transformé en un nouveau combustible, soit utilisé directement sous la même forme, par exemple dans les réacteurs à sels fondus.[2] Les réacteurs CANDU peuvent utiliser du thorium comme combustible, s'il est mélangé à de l'uranium, mais la CCSN ne l'a pas encore autorisé. Il y a tant d'uranium disponible au Canada qu'il n'y a aucune raison de s'en préoccuper.

Comme pour l'uranium-238, le thorium a besoin d'un neutron pour amorcer sa transformation en combustible fissile. Un 'conducteur' doit être utilisé pour fournir ces neutrons, qui peuvent être de l'uranium-233 ou 235, ou du plutonium-239, qui sont tous difficiles à obtenir. Les réacteurs fonctionnant au thorium utilisent l'uranium comme conducteur, et sont donc connus pour fonctionner selon le cycle du combustible thorium-uranium (Th-U).[7]

Avantages

Le cycle du combustible Th-U présente des avantages intéressants par rapport aux réacteurs les plus courants qui utilisent le cycle Uranium-Plutonium.[7] Tout d'abord, il peut être utilisé dans les surgénérateurs thermiques, alors que l'Uranium ne le peut pas.[2] Cela signifie que si le combustible usé est recyclé, il n'aura pas besoin d'un conducteur d'uranium-235 à nouveau, puisque la surgénération produit plus de combustible fissile que celui utilisé à l'origine (visitez la page surgénérateur pour plus de détails). L'uranium-238 peut également être produit, mais il faut pour cela un surgénérateur rapide, qui présente des complications supplémentaires.[7] Deuxièmement, le combustible Th-U ne produit pas d'éléments transuraniens puisqu'il n'y a pas d'uranium-238 étant irradié en éléments nocifs tels que le Plutonium, l'américium, le cadmium, etc.[7] Cela rend les déchets de thorium beaucoup moins nocifs sur de plus grandes échelles de temps.

Avantages

L'utilisation du thorium comme combustible présente également quelques inconvénients. Une expérience approfondie du thorium dans l'industrie nucléaire est très rare, principalement en raison de l'utilisation constante de l'uranium comme combustible, mais aussi parce que les projets expérimentaux ne sont pas aussi facilement financés que les projets déjà éprouvés. Le thorium est également un peu plus difficile à préparer, car des températures élevées sont nécessaires pour produire un combustible solide. Le combustible liquide, tel qu'il est utilisé dans un réacteur à sels fondus, ne rencontre toutefois pas ce problème. Un autre inconvénient est la désintégration gamma impliquée dans le cycle Th-U, car certains noyaux dérivés ont une désintégration gamma associée qui est difficile à protéger et qui coûte donc plus.[7]

Thorium et l'avenir du nucléaire

Le thorium a beaucoup de potentiel pour l'avenir de l'énergie nucléaire, mais il existe de nombreuses conceptions erronées quant à son potentiel.

L'un des principaux avantages du thorium est qu'il y en a beaucoup ; comme mentionné précédemment, il y a environ 3 fois plus de thorium que d'uranium dans la croûte terrestre. Cependant, à ce jour, la quantité de thorium qu'il est économiquement possible d'extraire est à peu près la même que celle de l'uranium (voir réserve vs occurence).ref name=win2/> Ainsi, à moins qu'un pays ne possède beaucoup plus de thorium que d'uranium, comme l'Inde et la Chine, le fait qu'il y ait plus de thorium n'influence pas les besoins actuels en combustible. Toutefois, à l'avenir, les ressources connues de thorium pourraient devenir des réserves potentielles si leur exploitation s'avère rentable.

Réacteurs à sels fondus

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Un autre avantage est son utilisation dans les réacteurs à sels fondus (RSF), l'un des six réacteurs nucléaires de Génération IV, mais les RSF ne sont pas exclusifs au thorium comme beaucoup le pensent ; ils peuvent utiliser et ont utilisé l'uranium comme combustible, le premier réacteur de recherche RSF fonctionnant avec du tétrafluorure d'uranium-235 dissous (UF4).[8] Les réacteurs à sels fondus alimentés en thorium sont souvent appelés réacteurs à fluorure de thorium liquide (RFTL).

Le thorium a cependant ses avantages dans un RSF. Les RSF peuvent traiter les produits de désintégration grâce à leur utilisation de fluides plutôt que de combustibles solides. Cela est utile car lorsque le thorium-232 absorbe un neutron, il se désintègre en proactinium-233, qui a une demi-vie de 27 jours et pourrait absorber des neutrons dans le réacteur, ce qui est indésirable. Il est donc possible de retirer le proactinium-233, de le laisser se désintégrer en uranium-233 (le combustible fissile souhaité), puis de le réintroduire dans le réacteur à un moment ultérieur.[9]

Le thorium suscite beaucoup d'optimisme, en particulier dans le cadre des RSF, et la recherche et le développement sont poursuivis par de nombreux pays dans le monde, notamment le Japon, la Russie, la Chine, l'Inde, la France, etc.

Vidéo

La vidéo ci-dessous provient du projet de vidéos périodiques de l'Université de Nottingham (Sous-titres pour le français).[10] Ils ont créé une série complète de courtes vidéos sur chaque élément du tableau périodique des éléments. L'équipe Energy Education n'est pas d'accord avec l'affirmation de la vidéo selon laquelle la quantité d'uranium dans le monde est relativement rare.[11] De même, l'implication dans la vidéo que l'uranium et le plutonium ont été utilisés dans les centrales nucléaires en raison de leur utilisation en temps de guerre est discutable.

Références

  1. Made internally by a member of the Energy Education team. Information from Periodictable.com, Available: http://periodictable.com/Elements/090/
  2. 2,0 2,1 et 2,2 World Nuclear Association. (June 24 2015). Thorium [Online], Available: http://www.world-nuclear.org/info/current-and-future-generation/thorium/
  3. N. Tsoulfanidis, "Nuclear Fuel Resources, Mining, and Milling" in The Nuclear Fuel Cycle, 1st ed., La Grange Park, Illinois: American Nuclear Society, 2013, ch.2, sec.11, pp. 51-56
  4. 4,0 et 4,1 Jefferson Labs. (June 24 2015). The element Thorium [Online], Available: http://education.jlab.org/itselemental/ele090.html
  5. What is nuclear?. (June 24 2015). Myths and Misconceptions about Thorium nuclear fuel [Online], Available: http://www.whatisnuclear.com/articles/thorium_myths.html
  6. Wikimedia Commons [Online], Available: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Monazite-169954.jpg
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 et 7,4 What is nuclear?. (June 24 2015). Thorium As Nuclear Fuel [Online], Available: http://www.whatisnuclear.com/articles/thorium.html
  8. World Nuclear Association. (June 25 2015). Molten Salt Reactors [Online], Available: http://www.world-nuclear.org/info/Current-and-Future-Generation/Molten-Salt-Reactors/
  9. What is nuclear?. (June 25 2015). Molten salt reactors [Online], Available: http://www.whatisnuclear.com/reactors/msr.html
  10. See more videos from the University of Nottingham on different elements here: http://www.periodicvideos.com/
  11. See for example: WNA or this OECD paper