Le thorium face à l’uranium : histoire d’un choix technologique
Introduction
Le thorium suscite aujourd’hui un regain d’intérêt dans le domaine de l’énergie nucléaire, notamment avec le développement de réacteurs avancés en Chine et en Inde. Cette ressource, environ trois fois plus abondante que l’uranium dans la croûte terrestre, dispose de réserves mondiales estimées à 6 355 000 tonnes [1]. Pourtant, malgré ce potentiel et plusieurs démonstrations techniques concluantes, le thorium reste aujourd’hui beaucoup moins répandu que l’uranium dans les applications nucléaires commerciales.
Ce contraste s’explique en partie par des choix historiques. Dès les débuts du nucléaire, le thorium a fait l’objet de recherches sérieuses. Toutefois, la filière uranium-plutonium s’est imposée, portée par des considérations stratégiques et militaires liées au contexte de la Guerre froide, qui ont durablement orienté le développement des technologies civiles [2].
Thorium vs Uranium
Dès les débuts de l’ère nucléaire, thorium et uranium ont été envisagés comme des options crédibles pour alimenter les réacteurs. Leur coexistence n’était pas seulement théorique : elle reflétait deux approches distinctes du cycle du combustible, chacune avec ses contraintes techniques et ses perspectives de développement.
Thorium fertile, uranium fissile : une distinction structurante
La distinction entre matériaux fissiles et fertiles est au cœur de cette divergence. Un matériau fissile, comme l’uranium-235, peut soutenir directement une réaction en chaîne après absorption d’un neutron. À l’inverse, un matériau fertile ne peut pas fissionner immédiatement : il doit d’abord être transformé en isotope fissile par irradiation neutronique.
C’est le cas du thorium-232, qui se convertit en uranium-233. Cette étape supplémentaire a des implications concrètes sur la conception des réacteurs et sur la gestion du combustible.
Dans la pratique, cela se traduit par plusieurs différences clés :
Le thorium est un élément fertile et non fissile. Il nécessite l’ajout initial d’un matériau fissile, comme l’uranium enrichi ou le plutonium, pour amorcer la réaction nucléaire [1].
Le thorium-232 présente une section efficace d’absorption des neutrons thermiques d’environ 7,4 barns, contre 2,7 barns pour l’uranium-238. Il se convertit donc plus efficacement en uranium-233 que l’uranium-238 ne se transforme en plutonium-239 [2].
L’uranium-233 issu de ce cycle possède un rendement neutronique élevé. Le nombre de neutrons émis par neutron absorbé dépasse 2,0 dans une large gamme de conditions, ce qui offre une plus grande flexibilité pour concevoir des réacteurs, voire envisager des cycles régénérateurs [2].
Ces caractéristiques montrent que le thorium ne constitue pas simplement une alternative marginale, mais bien une approche différente du cycle nucléaire. Elles expliquent pourquoi cette filière a suscité un intérêt réel dès les premières décennies du développement atomique.
Une abondance qui n'a pas suffi
Sur le plan géologique, le thorium dispose d’un avantage clair. Il est présent dans la croûte terrestre à une concentration moyenne d’environ 6 parties par million (ppm) en moyenne, soit un niveau supérieur à celui de l’uranium [1].
À l'échelle mondiale, les ressources récupérables assurées et inférées (à un coût inférieur ou égal à 80 $/kg) atteignent 6 355 000 tonnes, avec trois pays en tête [1]:
l’Iran (1 700 000 tonnes)
l’Inde (846 000 tonnes)
le Brésil (632 000 tonnes)
Dès les années 1950–1970, l'intérêt pour cette ressource était réel, motivé par la volonté de compléter les réserves d'uranium alors jugées limitées. Mais ces réserves se sont finalement révélées suffisantes, ce qui a réduit l'urgence de développer une filière alternative [2]. C'est ainsi que la compétition entre les deux cycles s'est orientée bien au-delà des seuls critères géologiques.
Aussi lire : "Thorium vs uranium : une comparaison directe"
La Guerre froide comme facteur structurant
Le choix de l’uranium comme combustible dominant ne s’explique pas uniquement par des considérations techniques. Il s’inscrit dans un contexte historique particulier, marqué par la Guerre froide, où les priorités militaires et stratégiques ont fortement influencé l’orientation des programmes nucléaires civils.
Le plutonium, un enjeu stratégique central
Le plutonium est un élément artificiel produit lorsqu’un noyau d’uranium-238 capture un neutron au sein d’un réacteur. Dès les débuts de l’ère nucléaire, il a été identifié comme un matériau clé pour la fabrication d’armes nucléaires, ce qui lui a conféré une importance stratégique majeure.
Dans ce contexte, le développement des réacteurs nucléaires ne répondait pas uniquement à des objectifs de production d’électricité. Il s’inscrivait également dans une logique de soutien aux programmes militaires.
Plusieurs facteurs ont ainsi favorisé la filière uranium-plutonium :
Dès le milieu des années 1950, le développement des réacteurs civils aux États-Unis est étroitement lié aux programmes militaires et à la propulsion navale. Les réacteurs à eau légère, alimentés à l’uranium, ont été privilégiés pour leur capacité à fournir des cœurs compacts à forte densité de puissance, adaptés aux usages navals [2].
Parallèlement, la production de plutonium dans certains types de réacteurs constituait un atout stratégique pour les programmes d’armement nucléaire, ce qui a contribué à orienter les choix vers le cycle uranium-plutonium [2].
À l’inverse, les filières basées sur le thorium nécessitaient des chaînes de traitement du combustible différentes et moins alignées avec les infrastructures nucléaires développées à des fins militaires, ce qui limitait leur intégration dans les programmes existants [2].
Enfin, le cycle thorium-uranium-233 présente des caractéristiques de résistance à la prolifération. La présence d’uranium-232 génère un rayonnement gamma intense, rendant la manipulation du matériau plus complexe et plus facilement détectable, contrairement au plutonium qui peut être séparé chimiquement en vue d’un usage militaire [2].
En d'autres termes, ce qui constitue aujourd'hui un atout du thorium en matière de non-prolifération était précisément ce qui le rendait peu attractif pour les besoins militaires de l'époque.
Hyman Rickover et l’émergence d’un standard industriel
Au-delà des considérations générales, certaines décisions individuelles ont joué un rôle déterminant dans l’orientation de l’industrie nucléaire. C’est notamment le cas de celles prises par l’amiral Hyman Rickover, figure centrale du programme nucléaire naval américain.
En tant que directeur du bureau Naval Reactors, Rickover a supervisé le développement des premiers réacteurs destinés à la propulsion des sous-marins nucléaires. Les choix techniques effectués dans ce cadre ont eu des conséquences durables.
Au début des années 1950, le réacteur du sous-marin USS Nautilus a été conçu comme un réacteur à eau légère utilisant de l’uranium enrichi (uranium-235). Cette configuration permettait d’obtenir un système compact, fiable et adapté aux contraintes opérationnelles des sous-marins [4].
Ce type de réacteur a ensuite servi de base au développement des centrales nucléaires civiles. Le réacteur à eau légère s’est progressivement imposé comme le modèle dominant à l’échelle mondiale, en raison de sa maturité technologique et de l’expérience accumulée.
Ce choix initial a créé une forme d’inertie technologique. Les infrastructures industrielles, les cadres réglementaires, les compétences techniques et les chaînes d’approvisionnement se sont structurés autour de la filière uranium, rendant l’introduction d’alternatives comme le thorium plus complexe et plus coûteuse au fil du temps.
Photo documentaire de l'USS Nautilus (SSN-571), premier sous-marin à propulsion nucléaire au monde, mis en service en 1954.
Source : U.S. Navy / Naval History and Heritage Command
Les réacteurs à sels fondus : une technologie ancienne relancée
Les réacteurs à sels fondus (MSR — Molten Salt Reactors) ne sont pas une innovation récente. Dès les années 1960, le Oak Ridge National Laboratory (ORNL) a développé le Molten Salt Reactor Experiment (MSRE), exploité entre 1965 et 1969. Ce programme a démontré la faisabilité du concept, notamment avec l’utilisation d’uranium-235 puis d’uranium-233 issu du thorium, avant d’être abandonné au profit des réacteurs à eau pressurisée.
La technologie est ensuite restée peu exploitée jusqu’à ce que la Chine relance activement ces travaux à partir de 2011. Le programme actuel s’inscrit dans la continuité des recherches américaines, dont une partie avait été rendue publique, et vise à adapter ces concepts aux technologies contemporaines [3].
Des caractéristiques techniques distinctes
Les réacteurs à sels fondus utilisant le thorium présentent plusieurs caractéristiques qui les distinguent des réacteurs nucléaires conventionnels [3] :
Le combustible est dissous dans un sel fondu, qui agit à la fois comme caloporteur et comme milieu de réaction, permettant un fonctionnement à des températures élevées (au-delà de 700 °C) sans nécessiter de pression élevée .
Le cycle thorium repose sur la conversion du thorium-232 en uranium-233, ce qui introduit une logique différente du cycle du combustible, avec un potentiel de réduction des déchets radioactifs à longue durée de vie et un risque de prolifération plus faible.
La production de plutonium-239 est nettement plus faible que dans les filières classiques, et l’uranium-233 est plus complexe à isoler et à utiliser à des fins militaires, ce qui constitue un avantage du point de vue de la non-prolifération.
Certains concepts intègrent des systèmes de sûreté passive, comme un « bouchon de sel gelé » qui fond automatiquement en cas de surchauffe, permettant au combustible liquide de s’écouler vers une zone de confinement, sans intervention externe.
Une montée en puissance progressive en Chine
Dans cette dynamique, la Chine ne se limite pas à la recherche expérimentale. Un réacteur de démonstration d’environ 10 MWe est actuellement en développement près de Wuwei, dans la province du Gansu. Ce projet vise à produire à la fois de l’électricité et de l’hydrogène, avec une capacité thermique d’environ 60 MW et une mise en service envisagée à l’horizon 2030. Il s’inscrit dans une stratégie plus large de développement d’un pôle énergétique bas-carbone dans des zones désertiques [3] .Parallèlement, l’Inde poursuit ses propres travaux sur le cycle thorium, en lien avec ses ressources domestiques importantes.
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Références
[1] World Nuclear Association. "Thorium." World Nuclear Association Information Library, mise à jour 1 mai 2024. World Nuclear Association, https://world-nuclear.org/information-library/current-and-future-generation/thorium.
[2] Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA). Thorium Fuel Cycle — Potential Benefits and Challenges. IAEA-TECDOC-1450. AIEA, 2005. https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/TE_1450_web.pdf.
[3]Nuclear Engineering International. "China refuels thorium reactor without shutdown." Nuclear Engineering International, 2024, https://www.neimagazine.com/news/china-refuels-thorium-reactor-without-shutdown/.
[4] Nuclear Regulatory Commission. "History." Nuclear Regulatory Commission – NRC, https://www.nr-ha.org/history.
