RGN N° 4 Juillet-Août 2007 p. 77–89

Rethinking the Thorium Fuel Cycle: an Industrial Point of View

Repenser au cycle thorium : un point de vue industriel

¹ AREVA
² CEA

Abstract

The use of thorium as a “fertile” material in combination with a fissile material (either U233, U235 or plutonium) as an alternative to the uranium fuel cycle received a great deal of attention in many venues from the 1950s to the mid 70s. More recently, new studies have been carried out on this cycle for transmutation purposes and several countries such as India still continue to consider the thorium cycle as an attractive option within the framework of their national nuclear programs.

The purpose of this paper is to provide an updated overview of the potential of the thorium cycle, taking into account the renewed interest in the development of nuclear energy as currently under consideration for future energy systems.

In this paper many of the issues related to the use of thorium at each stage of the nuclear fuel cycle are reviewed from the standpoint of industrial feasibility and economy.

First, past experience with using thorium as a fuel for prototype or commercial nuclear reactors, particularly in hgh temperature reactors, is examined. The neutronic and physic aspects of the thorium in various reactors will be overviewed. Second, updated data on world-wide thorium resources and supplies is presented. Then, the sustainability issues of nuclear energy development with regard to the future availability of natural resources (uranium and thorium) are addressed. After that follows a discussion of the pros and cons of radiological/ nuclear/chemical characteristics of thorium as it relates to the implementation of fuel cycle industrial processes and impacts on the wastes. In particular, the technical aspects of back end fuel cycle issues are examined for both open and closed fuel cycles including reprocessing and recycling technical issues. Also examined are proliferation issues related to the use of the thorium cycle. Accompanying this examination is a comprehensive analysis of the technical features of various thorium fuel cycle options from the standpoint of proliferation resistance. Finally, economical aspects of the thorium fuel cycle are addressed.

In summary, these analyses permit the reader to draw some general conclusions regarding the use of the thorium cycle for the development of a sustainable nuclear energy system.

Résumé

L’utilisation du thorium en tant que matériau “fertile” en combinaison avec un matériau “fissile” (soit de l’U233, de l’U235 ou du plutonium) comme alternative au cycle du combustible à uranium a suscité un vif intérêt des années 1950 à la moitié des années 70. Plus récemment, de nouvelles études ont été menées sur ce cycle dans l’optique de recherches sur la transmutation, et plusieurs pays, tels que l’Inde, considèrent toujours que le cycle au thorium est une option intéressante dans le cadre de leur programme nucléaire national.

Le propos de cet article est de présenter un panorama actualisé du potentiel du cycle du thorium, en intégrant le regain d’intérêt actuel pour le développement de l’énergie nucléaire telle qu’elle est actuellement envisagée pour les futurs systèmes d’énergie.

Dans cet article, les principales questions liées à l’utilisation du thorium à chaque étape du cycle du combustible nucléaire sont passées en revue et mises en perspective sous l’angle de la faisabilité industrielle et de l’économie.

Tout d’abord, on examine l'expérience passée en matière d'utilisation du thorium en tant que combustible pour les réacteurs nucléaires prototypes ou commerciaux, notamment pour les réacteurs à haute température. On aborde ensuite les aspects neutroniques et physiques du thorium pour différents réacteurs. On présente par ailleurs des données actualisées sur les ressources et l’approvisionnement mondiaux en thorium et on analyse brièvement les problèmes de durabilité du développement de l’énergie nucléaire liés à la disponibilité future des ressources naturelles (uranium et thorium). De là, on discute des atouts et des inconvénients des caractéristiques radiologiques/nucléaires/chimiques du thorium dans le cadre de la mise en oeuvre des processus industriels du cycle du combustible et de l’impact sur les déchets. On examine notamment les aspects techniques de la partie aval du cycle du combustible, tant pour les cycles du combustible ouverts que fermés, en particulier les problèmes de retraitement et de recyclage. On analyse également les questions de prolifération liées à l’utilisation du cycle au thorium. Cet examen est étayé par une analyse exhaustive des caractéristiques techniques de différentes options du cycle au thorium au regard de la résistance à la prolifération. Enfin, les aspects économiques du cycle au thorium sont abordés.

Pour terminer, on tire quelques conclusions générales sur l’utilisation du cycle au thorium dans le cadre du développement durable de l’énergie nucléaire.