Pas d’inquiétude sur le nucléaire japonais

Préambule : cet article est la traduction d’un billet écrit par le D^r Josef Oehmen, publié sur le blog Morgsatlarge. Il a été ensuite repris et maintenu par le Département des sciences et de l’ingénierie nucléaire du M.I.T. (Massachusetts Institute of Technology). Les membres de ce département ont édité le billet original afin de répondre aux commentaires et d’ajouter de nouvelles informations.  Le titre initial du billet ne reflète pas les vues des membres du département, qui ont adopté l’article original du D^r Oehmen parce qu’il fournissait un bon résumé des événements qui se sont produits à la centrale de Fukushima.

Voici tout d’abord quelques connaissances fondamentales à avoir en tête avant de s’intéresser à ce qui se passe actuellement.

La construction de la centrale nucléaire de Fukushima

Les réacteurs de Fukushima sont des réacteurs à eau bouillante (abrégé R.E.B). Un réacteur de ce type produit de l’électricité en faisant bouillir de l’eau dans le but de faire tourner une turbine : le combustible nucléaire chauffe l’eau jusqu’à ébullition, créant ainsi de la vapeur d’eau qui entraîne alors la turbine qui produit de l’électricité ; la vapeur d’eau est ensuite refroidie, condensée en eau, puis retourne dans le réacteur afin d’être à nouveau chauffée par le combustible. Le réacteur fonctionne à une température d’environ 285 °C.

Le combustible nucléaire utilisé est de l’oxyde d’uranium, un matériau céramique dont le point de fusion (température de passage de l’état solide à liquide) est de 2 800 °C environ. Ce combustible est conditionné en petites pastilles cylindriques d’environ 1 cm de diamètre sur 1 cm de haut, qui sont empilées dans un long tube en Zircaloy (un alliage à base de zirconium), résistant à une température de 1 200 °C et scellé hermétiquement. Ces tubes, appelés crayons, sont ensuite regroupés par centaines afin de constituer le cœur du réacteur nucléaire.

Le combustible est conditionné en pastilles dans une matrice d’oxyde de céramique constituant la première barrière retenant la plus grande partie des produits de fission. Les gaines de Zircaloy dans lesquelles on empile les pastilles constituent la seconde barrière séparant le combustible nucléaire du reste du réacteur.

Le cœur du réacteur est placé dans une enceinte pressurisée en acier épais, soumise à une pression de 7 Mpa (~ 1 000 psi). Celle-ci est conçue pour résister aux hautes pressions qui pourraient survenir lors d’un accident, il s’agit de la troisième barrière contre les fuites de matériel radioactif.

L’ensemble du circuit primaire du réacteur nucléaire – enceinte pressurisée, tubes, pompes contenant le liquide de refroidissement (eau), etc. – sont situés dans une enceinte de confinement. Il s’agit d’une structure très épaisse faite de béton et d’acier, hermétiquement scellée ; il s’agit de la quatrième barrière contre les fuites de matériaux radioactifs. Cette enceinte est conçue, construite, et testée pour n’assurer qu’un seul objectif : le confinement, indéfini, des effets d’une fusion complète du cœur du réacteur nucléaire. À celle-ci s’ajoute une structure secondaire de protection, en béton épais, autour de l’enceinte de confinement primaire.

Ces deux structures de confinement, primaire et secondaire, se trouvent elles-mêmes dans le bâtiment du réacteur, qui joue le rôle de carapace extérieure ; sa fonction supposée est d’empêcher le milieu extérieur de pénétrer, mais pas le milieu intérieur de sortir (c’est cette partie qui a été endommagée par les explosions à Fukushima, voir ci-dessous).

Fondamentaux des réactions nucléaires

Le combustible composé d’uranium génère de la chaleur par un processus de fission nucléaire provoquée par des neutrons. De gros atomes d’uranium sont scindés en des atomes plus légers (appelés produits de fission) en créant de la chaleur et d’autres neutrons (l’une des particules qui forme les atomes). Lorsque l’un de ces neutrons entre en collision avec un autre atome d’uranium, ce dernier se divise, générant davantage de neutrons et ainsi de suite. C’est ce l’on appelle une réaction nucléaire en chaîne. Durant le fonctionnement normal à plein régime, la quantité de neutrons dans le cœur est stable (elle reste identique) et le réacteur est dans ce que l’on appelle l’état critique.

Il est judicieux de noter qu’à ce moment, le combustible radioactif contenu dans le réacteur ne peut jamais provoquer une explosion nucléaire du même type qu’une bombe nucléaire. À Tchernobyl, l’explosion a été causée par une accumulation de pression excessive, une explosion  d’hydrogène et la rupture de tous les systèmes de confinements, mettant les matériaux en fusion du cœur au contact de l’environnement. Notons également que Tchernobyl ne disposait pas de structure de confinement servant de barrière à l’environnement. Pourquoi cela n’a pas et n’arrivera pas au Japon est détaillé ci-dessous.

Afin de contrôler la réaction nucléaire en chaîne, les opérateurs du réacteur utilisent des « crayons de contrôle ». Ces crayons sont composés de bore qui a la capacité d’absorber les neutrons. Durant le fonctionnement normal d’un R.E.B., les crayons de contrôle sont utilisés pour maintenir la réaction en chaîne dans son état critique. Les crayons de contrôle sont aussi utilisés pour éteindre le réacteur en passant de 100 % de puissance à environ 7 % (chaleur résiduelle ou de désintégration).

La chaleur résiduelle provient de la désintégration radioactive des produits de fission. La désintégration radioactive est le processus par lequel les produits de fission se stabilisent en émettant de l’énergie sous forme de petites particules (alpha, beta, gamma, neutron, etc.). Il existe une multitude de produits de fission qui sont créés au sein du réacteur, dont notamment le césium et l’iode. Cette chaleur résiduelle diminue avec le temps après l’arrêt du réacteur et doit être évacuée via les systèmes de refroidissement pour empêcher le crayon de surchauffer et de ne plus assurer son rôle de barrière à un relâchement de radioactivité. Le maintien d’un refroidissement suffisamment efficace pour éliminer la chaleur de désintégration du réacteur est actuellement le principal défi dans les réacteurs touchés au Japon.

Il est important de noter que nombre de ces produits de fission se désintègrent (produisent de la chaleur) extrêmement rapidement et deviennent inoffensifs avant que vous ayez pu épeler « R-A-D-I-O-I-S-O-TO-P-E ». Les autres se désintègrent plus lentement, tels le césium, l’iode, le strontium et l’argon.

Les événements de Fukushima (en date du 12 Mars 2011)

Ce qui suit est un résumé des principaux faits. Le séisme qui a touché le Japon était 5 fois plus puissant que le pire tremblement de terre pour lequel le réacteur a été prévu (l’échelle de Richter est une échelle logarithmique ; la différence entre une magnitude 8,2 pour laquelle la centrale a été construite et la magnitude de 8,9 enregistrée est de 5 fois, et non pas 0,7).

Lorsque le séisme s’est produit, les réacteurs nucléaires se sont tous automatiquement éteints. Quelques secondes après le début du tremblement de terre, les crayons de contrôle ont été insérés dans le cœur et la réaction nucléaire en chaîne a été arrêtée. Ensuite, le système de refroidissement doit évacuer la chaleur résiduelle, environ 7% de la chaleur produite à pleine puissance en conditions normales de fonctionnement.

Le séisme a détruit l’alimentation extérieure en électricité du réacteur nucléaire. C’est un accident sérieux pour une centrale nucléaire, c’est ce que l’on appelle une « perte d’alimentation extérieure ». Le réacteur et les systèmes de secours sont conçus pour gérer ce type d’accident en ayant à disposition des systèmes d’alimentation de secours pour que les pompes du système de refroidissement continuent de fonctionner. De plus, étant donné que la centrale a été arrêtée, elle ne peut plus produire de l’électricité d’elle-même.

Pendant la première heure, l’un des nombreux jeux de groupes électrogènes de secours s’est activé et a fourni l’électricité requise. Cependant, lorsque le tsunami est arrivé (rare, et bien plus important que ce qui était attendu), il a inondé tous les groupes électrogènes, les mettant hors d’usage.

L’un des principes fondamentaux de la conception d’une centrale nucléaire est la « Défense en profondeur ». Cette approche amène les ingénieurs à concevoir une centrale qui peut faire face à des catastrophes graves, même si de nombreux systèmes subissent une défaillance. Un tsunami important mettant hors d’usage tous les systèmes de secours en une fois est un tel scénario, mais le tsunami du 11 mars était au-delà de tout ce qui était prévu. Pour limiter l’impact d’un tel événement, les ingénieurs ont conçu une ligne de défense supplémentaire en mettant tout dans la structure de confinement (voir ci-dessus) qui est prévue pour tout contenir.

Lorsque les groupes électrogènes de secours ont été mis hors d’usage à la suite du tsunami, les opérateurs du réacteur ont basculé vers les batteries d’urgence. Les batteries sont l’un des systèmes de secours prévu pour fournir de l’énergie nécessaire au refroidissement du cœur pendant 8 heures. Et elles l’ont fait.

Après 8 heures, les batteries étaient épuisées, et la chaleur résiduelle ne pouvait plus être évacuée. À ce moment les opérateurs de la centrale commencent à suivre les procédures d’urgence qui sont en place pour un événement du type « perte du système de refroidissement ». Ce sont des étapes de la procédure suivant l’approche « Défense en profondeur ». Tout ceci, aussi choquant que cela puisse nous sembler, fait partie de l’entrainement quotidien auquel sont soumis les opérateurs.

À ce moment, les gens ont commencé à évoquer la possibilité d’une fusion du cœur, car si le système de refroidissement ne peut être rétabli, le cœur finira par fondre (après plusieurs jours), et sera probablement retenu dans le confinement. Notez que le terme « fusion » n’est pas très précis. « Défaillance du combustible » serait plus approprié pour décrire la défaillance de la gaine du crayon (en zircaloy). Ceci surviendra avant la fusion du combustible, et est la conséquence de défaillances mécaniques, chimiques ou thermiques (trop de pression, trop d’oxydation, ou trop de chaleur).

Néanmoins, la fusion n’était pas encore proche d’arriver à ce moment-là, le but principal était de gérer le cœur pendant qu’il se réchauffait, tout en s’assurant que la gaine du combustible restait intacte et opérationnelle le plus longtemps possible.

Étant donné que le refroidissement du cœur est la priorité, le réacteur a de nombreux systèmes de refroidissement indépendants et variés (le système de nettoyage de l’eau du réacteur, le système d’évacuation de la chaleur de désintégration, le système de refroidissement de l’isolation du cœur du réacteur, le système de refroidissement liquide de veille, et d’autres qui composent le système de refroidissement d’urgence du cœur). Quand et quels sont ceux qui ont, ou n’ont pas fonctionné, n’est pas très clair pour l’instant.

Vu que les opérateurs ont perdu la plupart de leurs capacités de refroidissement à la suite de la disparition de l’alimentation électrique, ils ont du utiliser toutes les possibilités de refroidissement dont ils disposaient pour évacuer autant de chaleur que possible. Mais tant que la production de chaleur dépasse la capacité d’évacuation de celle-ci, la pression augmente car davantage d’eau se change en vapeur. La priorité est dorénavant de conserver l’intégrité des crayons en maintenant la température sous 1 200 °C, tout en gardant aussi la pression à un niveau maîtrisable. Pour ce faire, la vapeur (et les autres gaz présents dans le réacteur) doivent être relâchés de temps en temps. Ce processus est important lors d’un accident car il faut éviter que la pression ne dépasse ce que les composants peuvent tolérer, et par conséquent, l’enceinte pressurisée du réacteur et les structures de confinement disposent de nombreuses valves de dépressurisation. Donc pour protéger l’intégrité de l’enceinte et du confinement, les opérateurs ont commencé à libérer de la vapeur de temps en temps pour contrôler la pression.

Comme indiqué précédemment, de la vapeur et d’autres gaz sont évacués. Certains de ces gaz sont des produits de fission radioactifs, mais n’existent qu’en faibles quantités. Par conséquent, lorsque les opérateurs ont commencé la ventilation du système, certains gaz radioactifs ont été relâchés dans l’environnement de manière contrôlée (c-à-d dans de petites quantités à travers des filtres et des épurateurs). Bien que certains de ces gaz soient radioactifs, ils ne posaient aucun risque significatif pour la sécurité publique, même pour les employés sur place. Cette procédure est fondée car ses conséquences sont mineures, notamment par comparaison avec les conséquences potentielles d’une absence de ventilation, risquant l’intégrité de la structure de confinement.

Pendant ce temps, des groupes électrogènes mobiles ont été transportés sur place et une partie de l’alimentation électrique a ainsi été rétablie. Néanmoins, il y avait plus d’eau transformée en vapeur et évacuée qu’il n’en était ajoutée au réacteur, diminuant ainsi la capacité de refroidissement des systèmes de refroidissement restants. À un certain moment de ce processus de ventilation, il est possible que le niveau de l’eau se soit trouvé sous le sommet des crayons. Quoi qu’il en soit, la température d’une partie de la gaine des crayons a dépassé 1 200 °C, déclenchant une réaction entre le Zircaloy et l’eau. Cette réaction d’oxydation produit de l’hydrogène sous forme de gaz, qui se combine au mélange de vapeur et de gaz ventilé. C’est un phénomène connu et prévu, mais la quantité d’hydrogène produite était indéterminée car les opérateurs ne connaissaient ni la température exacte des crayons, ni le niveau de l’eau. Étant donné que l’hydrogène est un gaz extrêmement inflammable, lorsque suffisamment de ce gaz est mélangé à l’air, il réagit avec l’oxygène. Plus la quantité est importante, plus la réaction est rapide, provoquant ainsi une explosion. À un certain moment durant le processus, suffisamment d’hydrogène s’était accumulé à l’intérieur du confinement (il n’y a pas d’air contenu dans celui-ci), ainsi lorsqu’il a été ventilé dans l’air extérieur, une explosion s’est produite. Celle-ci a eu lieu à l’extérieur du confinement mais à l’intérieur et autour du bâtiment abritant le réacteur (qui n’a aucun rôle de protection). Notez que par la suite, une explosion similaire s’est produite dans le réacteur n°3. L’explosion a détruit le sommet et certaines parties des murs du bâtiment, mais n’a endommagé ni la structure de confinement, ni l’enceinte pressurisée. Bien que cet événement n’était pas prévu, il est survenu à l’extérieur du confinement et n’a posé aucun risque aux structures de protection de la centrale.

Étant donné que le gainage des crayons a dépassé 1 200 °C, le combustible a subi des dommages. Le matériel nucléaire en lui-même est intact, mais la gaine de Zircaloy l’entourant a commencé à être défaillante. À cet instant, certains des produits de fission radioactifs (césium, iode, etc.) ont commencé à se mélanger avec l’eau et la vapeur. Il a été signalé que de faibles quantités de césium et d’iode ont été mesurées dans la vapeur qui a été relâchée dans l’atmosphère.

Vu la capacité de refroidissement du réacteur limitée, et la diminution de la réserve d’eau dans le réacteur, les ingénieurs ont décidé d’injecter de l’eau de mer (mélangée avec de l’acide borique – un absorbeur de neutrons) pour s’assurer que les crayons restaient recouverts d’eau. Bien que le réacteur a été éteint, l’ajout d’acide borique est une mesure préventive pour garantir que le réacteur reste dans cet état. L’acide borique a aussi la capacité de piéger une partie de l’iode restant dans l’eau pour qu’il ne puisse pas s’échapper, néanmoins ce n’est pas sa fonction principale.

L’eau utilisée dans le système de refroidissement est de l’eau purifiée et déminéralisée, ceci afin de limiter son pouvoir corrodant en conditions de fonctionnement normales. L’injection d’eau de mer implique davantage de nettoyage après l’événement, mais celle-ci a fourni le refroidissement nécessaire au moment donné.

Ce procédé a abaissé la température des crayons jusqu’à un niveau non préjudiciable pour ceux-ci. Vu que le réacteur est à l’arrêt depuis longtemps, la chaleur de désintégration a diminué jusqu’à un niveau significativement plus bas, la pression au sein de la centrale s’est donc stabilisée et la ventilation n’était plus nécessaire.

MISE À JOUR – Mardi 15 mars, 01:15 GMT

Les réacteurs n°1 et 3 sont pour le moment dans un état stable selon le communiqué de presse de TEPCO, mais l’étendue des dommages subis par les crayons est inconnue. Ceci dit, les niveaux de radiation à la centrale de Fukushima ont diminué jusqu’à 231 microsieverts (23,1 millirem), en date du 14 mars à 14:30 (heure locale, soit 05:30 GMT).

MISE À JOUR – Mardi 15 Mars, 03:55 GMT

Les précisions concernant ce qu’il s’est passé au réacteur n°2 sont toujours à déterminer. Le billet concernant les événements du réacteur n°2 contient des informations plus récentes. Le niveau de radiation a augmenté, mais on ne sait exactement jusqu’où.

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