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ENERGIE

Blocs de carbone, teflon et plomb dans lesquels sera réalisé la mesure du temps de ralentissement des neutrons.

Sels fondus et thorium : avenir du nucléaire ?

A Grenoble, des chercheurs du CNRS étudient les avantages et les inconvénients d'une filière nucléaire en émergence. Explications.

Dans la vallée grenobloise, entouré des montagnes du massif du Vercors, le polygone scientifique regroupe de nombreux laboratoires nationaux et internationaux - tels le Synchrotron et l'Institut Laue-Langevin - spécialisés dans les études de structure de la matière. C'est dans ce cadre montagnard et boisé que se trouve le Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (LPSC)1. Un grand calme règne dans le bâtiment. Là, la quinzaine de chercheurs, enseignants-chercheurs et thésards du groupe de Physique des réacteurs, dirigé par Roger Brissot, élabore des scénarios pour le nucléaire du futur. L'un d'eux met en scène un nouveau protagoniste qui suscite beaucoup d'intérêt : le réacteur à sels fondus associé au thorium.
Pour Jean-Marie Loiseaux et Daniel Heuer, physiciens du nucléaire de l'équipe, comme pour l'ensemble des experts, en 2050, les énergies fossiles ne devraient plus représenter que 40 % de la production énergétique, effet de serre et épuisement des réserves obligent. Il faudra combler les besoins. « S'il ne peut être écarté des options futures, un développement de la filière du nucléaire ne pourra pas reposer sur le modèle actuel. Il devra répondre aux exigences fortes de sécurité, de compétitivité énergétique et d'un développement durable passant par une meilleure gestion des déchets radioactifs et des réserves naturelles », commente Daniel Heuer. Si elle doit devenir une option compétitive, nous estimons que l'énergie nucléaire devra représenter 25 % de la production mondiale d'énergie en 2050 soit sept à dix fois plus que sa valeur actuelle », poursuit Jean-Marie Loiseaux. Les chercheurs tentent donc d'imaginer les solutions possibles. Premier scénario : la continuité du développement des réacteurs à eau pressurisée (REP) actuels qui fonctionnent avec l'uranium enrichi comme combustible. Problème : « Cela n'est pas compatible avec un développement durable, commente Daniel Heuer. En effet, les réserves de vingt millions de tonnes d'uranium dans la nature seraient totalement épuisées en quarante à soixante-dix ans. » Par ailleurs, l'option REP génère des quantités très importantes de plutonium et de déchets radioactifs : les actinides mineurs (américium, curium et neptunium) très difficiles à recycler. Deuxième scénario : le développement de réacteurs à neutrons rapides (RNR)
« régénérateurs ou surgénérateurs » qui utilisent comme combustible le plutonium produit par les réacteurs à eau pressurisée. Avantage : il produit plus de matière fissile qu'il n'en consomme. Ce scénario permettrait une multiplication des réacteurs, mais ne suffirait pas pour atteindre raisonnablement la production envisagée pour 2050. S'il permet le recyclage du plutonium, il présente l'inconvénient majeur de le faire circuler en très grande quantité, ce qui rend la filière difficile à gérer et son acceptation sociale encore plus délicate.

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© L. Médard/CNRS Photothèque

Détail de la plate-forme Peren dédiée à la neutronique.



Comme les deux premiers scénarios ont leurs faiblesses, les chercheurs se sont penchés sur une nouvelle filière : les réacteurs à sels fondus (RSF) régénérateurs associés au cycle du thorium. « Nous sommes partis sur l'idée simple, explique Jean-Marie Loiseaux, que la meilleure façon de gérer les déchets du nucléaire c'est d'en produire le moins possible. La filière du thorium est, dans ce sens, prometteuse. » Les réacteurs à sels fondus utilisent, à la différence des autres, un combustible liquide. Comme il circule, il fait aussi office de « transporteur de chaleur». Il permet par ailleurs, sans qu'on ait besoin d'aller au cœur du réacteur, de récupérer directement tout au long du circuit les produits de fission qui l'empoisonnent. Ce combustible est un mélange de fluorures d'uranium 233, un isotope de l'uranium, et de thorium 232, un des deux noyaux fertiles2 présents dans la nature. L'uranium 233 qui n'existe pas à l'état naturel peut être remplacé pour le démarrage du réacteur par de l'uranium 235 ou du plutonium. Dans le premier cas, la mise en oeuvre est compliquée et peu efficace et dans le second, on produit énormément d'actinides mineurs radioactifs. La solution ? Produire l'uranium 233 à partir d'un REP utilisant partiellement du thorium au lieu de l'uranium. À Orsay, des chercheurs de l'Institut de physique nucléaire se consacrent tout particulièrement à l'étude de ce mode de production. Cette filière « réacteurs à sels fondus-thorium » présente trois avantages de taille. Tout d'abord, les RSF nécessitent dix fois moins de matière fissile pour démarrer que les RNR. Les actinides mineurs sont produits en quantité nettement moindre. Et enfin, les produits de fission et les actinides qui restent peuvent être retraités en continu. Forts de ces résultats, les chercheurs ont bâti un troisième scénario. Un seul REP au thorium fournit pendant sa durée de vie (40 ans) de quoi démarrer quatre réacteurs à sels fondus. Mais aussi du plutonium pour les RNR si cette filière est aussi retenue pour ses performances d'une utilisation complète et optimisée du plutonium. À quoi pourrait ressembler le nucléaire du futur ? La solution serait donc de se diriger - pour 25 % des besoins mondiaux - vers un parc hétérogène de réacteurs nucléaires complémentaires. « Ce scénario nous plaît bien, conclut Jean-Marie Loiseaux. On n'utilise que 10 à 20 % des réserves naturelles d'uranium et on recycle les déchets en les incinérant dans des réacteurs appropriés. De plus, cette filière est beaucoup plus facile à gérer. »

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© L. Médard/CNRS Photothèque

L'accélérateur produisant de impulsions brèves de neutrons.



Parallèlement, les scientifiques cherchent à mettre au point les caractéristiques physiques des différents de réacteurs. Peren, par exemple, une plate-forme récemment installée au LPSC, est dédiée à la neutronique. Elle va permettre aux chercheurs de valider certaines données concernant les composants du RSF comme la mesure des propriétés de ralentissement des neutrons, l'extraction des produits de fission et le retraitement des déchets. Roger Brissot, responsable du groupe, insiste : « Notre groupe repose sur une indispensable complémentarité. Nous avançons grâce aux résultats à la fois des simulations et des expériences. C'est ainsi que nous avons établi que le RSF devrait être démarré à partir de l'uranium 233. C'est sur ce résultat que nous avons bâti le scénario d'utilisation de ce type de réacteurs qui, peu à peu, est accepté au niveau national et même européen. » En effet, dans le cadre d'un programme européen, le CNRS en collaboration avec EDF prévoit de réaliser un démonstrateur du RSF au thorium dans les quinze années à venir. Une recherche d'importance puisque ce réacteur est aussi l'un des six concepts retenus pour la génération IV3. « Si nous prêtons une attention particulière au thorium, commente Jean-Marie Loiseaux, nous tenons à conserver une expertise sur l'ensemble des solutions. » Et il ajoute : « Les choix énergétiques doivent être logiques et non dirigés par les seuls intérêts économiques des industriels du secteur. C'est la raison pour laquelle il est important qu'une recherche académique soit menée4. Elle doit être le garant d'une transparence et d'une diffusion objective des connaissances. » Le nucléaire du futur et la filière du thorium figurent ainsi parmi les douze thèmes du programme Énergie du CNRS.

Stéphanie Belaud

Un monde dévoreur d'énergie
D'ici 2050, la population mondiale devrait passer de 6 milliards à 10 milliards d'individus. Ce saut démographique global couplé au fort développement des pays en voie de développement va se traduire par une augmentation de la consommation d'énergie mondiale estimée au double de la demande actuelle et ce, en dépit des dispositions prises en matière d'économie d'énergie. Actuellement, la répartition énergétique mondiale est la suivante : 7 % nucléaire, 14 % renouvelable et 79 % fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel). Largement majoritaires, les énergies fossiles posent deux problèmes : l'épuisement des réserves naturelles et leur participation au réchauffement climatique. Face à la croissance de la demande, il s'agit désormais de réduire la part de ces énergies (protocole de Kyoto) au profit du développement des énergies renouvelables, des nouvelles technologies de l'énergie avec la piste de l'hydrogène (cf. JDC n° 160-161) et du nucléaire.

Notes :

1. UMR CNRS-IN2P3/université Joseph-Fourier/INPG.
2. Noyau potentiellement fissile qui rend possible la réaction nucléaire. Il n'existe qu'un noyau fissile dans la nature : l'isotope 235 de l'uranium et deux noyaux fertiles : l'isotope 238 de l'uranium et l'isotope 232 du thorium.
3. À l'initiative des États-Unis et prévue pour un déploiement à partir de 2030, la génération IV des réacteurs nucléaires est à l'étude. Six concepts ont été retenus : quatre reposent sur la technologie des RNR, un sur celle du réacteur HTR (non régénérateur, au plutonium) et un sur celle du RSF au thorium.
4. Au CNRS, les groupes de Physique des réacteurs du LPSC de Grenoble et de l'IPN d'Orsay travaillent en collaboration avec le département de Chimie sur les réacteurs du futur.

Contact

Jean-Marie Loiseaux
Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie, Grenoble
loiseaux@lpsc.in2p3.fr


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