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Allons-nous vers un Tchernobyl japonais ?

Envoyé par Gérard Rogemi 
Allons-nous vers un Tchernobyl japonais ?
(info # 011703/11) [Analyse]
Par Jean Claude Zerbib, ingénieur atomiste © Metula News Agency

Les faits

Un puissant séisme, de magnitude de 8,9 sur l'échelle de Richter [1] s’est produit à 80km à l’est de l’île d’Honshu, la plus grande île et la plus peuplée du Japon, le 11 mars 2011, à 14h46 (heure locale). Les centrales nucléaires situées sur la côte est de l’île : Onagawa, Fukushima et Tokay se sont arrêtées automatiquement.

Sur le site nucléaire de Fukushima, où sont implantés 10 des 55 réacteurs nucléaires japonais (17 sites), il y a deux centrales nucléaires distinctes : Daiichi avec 6 réacteurs à eau bouillante (BWR) et Daiini, et ses 4 réacteurs (BWR).

Ce séisme a également entraîné l’arrêt automatique d’urgence de tous les réacteurs en fonctionnement sur le site. Les installations construites selon des normes antisismiques ont bien résisté aux puissantes secousses, mais pas au tsunami.

La digue de protection du site nucléaire aurait une hauteur de 5 mètres, mais la vague, deux fois plus élevée que la digue, a submergé plusieurs dispositifs – les appareils électriques notamment – et les a mis hors d’usage.


Les problèmes posés par l’arrêt d’un réacteur nucléaire

L’arrêt d’un réacteur nucléaire n’est pas comparable à celui d’un moteur à essence, car si les réactions nucléaires contrôlées sont stoppées, il reste, dans le cœur du réacteur, toutes les substances radioactives (les "radionucléides") créées dans le combustible.

Sous forme solide ou gazeuse, ces radionucléides se désintègrent inévitablement, en émettant des rayonnements qui se dissipent sous forme d’énergie calorifique.

La première seconde suivant son arrêt [2], le cœur d’un réacteur délivre, du fait de la dissipation de cette chaleur, encore 7% environ de l’énergie fournie à pleine puissance. Il faut donc absolument éliminer ces calories, sinon le "combustible nucléaire" (les pastilles d’uranium enfermées dans un long tube métallique - la "gaine"-) s’échauffera jusqu’à atteindre la fusion. Ces élévations de température augmentent la pression de la vapeur d’eau dans la cuve où se trouve le cœur du réacteur. La vapeur d’eau va ainsi se décomposer au contact de la gaine du combustible [3], portée à plus de 1200°C, donnant de l’hydrogène qui peut s’enflammer ou exploser au contact de l’air.

Pour éviter ce scénario catastrophe, il faut disposer d’un environnement technique en état de fonctionnement (alimentation électrique, pompes, source d’eau, etc.). Eliminer l’énergie thermique produite par le rayonnement dans le combustible nécessite, en effet, dès l’arrêt du réacteur, l’alimentation électrique des pompes, qui enverront de l’eau afin d’assurer le refroidissement du cœur du réacteur. Sur le site concerné, il existe deux alimentations électriques externes aux deux centrales, suppléées, en cas de défaillance, par des groupes électrogènes de secours. Mais, après le passage du tsunami :

Les groupes électrogènes de secours n’ont pas fonctionné (moteurs inondés ?), et le circuit de refroidissement d’eau (injection de sécurité et système d’aspersion dans l’enceinte de confinement) n’a pu être mis en marche.

La station de pompage d’eau de mer du site, affectée par la puissante vague, ne permet plus d’assurer le refroidissement des réacteurs (perte de la "source froide").


L’impact sur les réacteurs des défaillances de matériels

Sur le 1er réacteur de Fukushima, le défaut de ces moyens techniques a entraîné une situation grave : le niveau d’eau a baissé dans la cuve, découvrant le haut des combustibles ("dénoyé" disent les techniciens). Ceux-ci ont rapidement chauffé (de 320°C à près de 1300°C en surface) en produisant de la vapeur d’eau, de l’hydrogène et une pression excessive.

En expulsant cette vapeur afin de réduire la pression dans la cuve, les opérateurs ont été contraints de laisser également s’échapper de l’hydrogène et des substances radioactives gazeuses (krypton et xénons), ou volatiles (des iodes et des césiums radioactifs). Ce processus va aussi se produire dans les autres réacteurs.

Une série de conséquences graves découlent de cette fusion partielle, plus ou moins étendue du combustible : en fonction de sa concentration, l’hydrogène explosera ou s’enflammera [4] lors de son contact avec l’air dans le bâtiment réacteur et des bouffées radioactives importantes contamineront l’installation et les extérieurs plus ou moins proches. Les jours suivant, ces défaillances vont affecter progressivement les quatre premiers réacteurs du site.

En plus des réacteurs, se pose le problème des "piscines" de stockage, qui renferment les combustibles "usés" déchargés du réacteur. Ces éléments combustibles, immergés dans les piscines situées dans les bâtiments-réacteurs, au-dessus de l’enceinte béton–acier protégeant le réacteur (certains réacteurs ayant utilisé des combustibles à base de plutonium [5]), exigent un refroidissement continu.


Des dégâts très conséquents

En l’absence de refroidissement, l’eau de la piscine se mettant à bouillir, s’évapore, et la mise à l’air libre des combustibles, se dégradant, l’environnement proche de l’émission de rayonnements dangereux (neutrons et gammas) ne serait plus protégé, ce qui rendrait le site inaccessible pour les interventions humaines sur les réacteurs. Les doses seraient trop élevées, même dans l’optique d’une intervention en situation accidentelle, où un dépassement des limites de dose est inévitable.

Le ministre de la Santé japonais a élevé à 250 milli-sieverts la dose "tolérable" pour les intervenants dans les réacteurs accidentés. La dose annuelle réglementaire étant de 20 milli-sieverts, la limite adoptée par le ministère correspond ainsi à 12,5 années de travail en butée de limite règlementaire.

Situation du réacteur n°1

La fusion partielle du cœur est très importante. Elle est évaluée à 70% par l’exploitant. Le refroidissement du réacteur est assuré par injection d’eau de mer borée [6] au moyen du réseau incendie.

L’utilisation de l’eau de mer dans le réacteur établissait le fait que la préoccupation principale de l’exploitant consistait à éviter une situation catastrophique et ses répercussions, et non de sauver son installation.

Le maintien de l’injection d’eau dans la cuve est un point fondamental. Son arrêt conduirait à la ruine de la cuve, puis à celle de l’enceinte de confinement. Cette brèche entrainerait des rejets radioactifs et des explosions dues à l’hydrogène.

Les premières opérations de décompression volontaire de l’enceinte ont conduit à un rejet d’hydrogène, qui a provoqué une explosion dans la partie supérieure du bâtiment réacteur, le 12 mars à 15h36 (heure locale).

Le toit du bâtiment-réacteur s’est effondré. Le gouvernement japonais a déclaré par la suite que l’enceinte de confinement est néanmoins restée intègre après l’explosion. Des dépressurisations de l’enceinte de confinement continuent d’être réalisées. Elles se traduisent par de nouveaux rejets de substances radioactives dans l’environnement.


Piscine du réacteur n°1

La présence de combustibles "usés" est confirmée, et le délai de dénoyage (quand la tête du combustible est hors de l’eau) supérieur à 48 jours, selon l’Institut français de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire IRSN.


Situation du réacteur n°2

Le non refroidissement du cœur pendant plusieurs heures a provoqué la fusion partielle d’éléments combustibles. L’exploitant estime que cette fusion du combustible concerne environ le tiers du cœur.

Le personnel du réacteur poursuit avec difficulté (blocage d’une soupape du réservoir torique) l’opération de refroidissement du cœur par injection d’eau de mer.

La décompression de la cuve provoque une montée en pression de l’enceinte [7]. Pour réduire les risques engendrés par cette surpression, l’exploitant procède à des décompressions volontaires de l’enceinte au moyen d’un rejet contrôlé dans l’atmosphère. Ces décompressions entraînent des rejets de gaz et de substances radioactives dans l’environnement.

Le 15 mars, deux explosions, à 06h10 et 10h (heures locales), ont probablement entraîné une dégradation de l’enceinte de confinement. L’augmentation significative des rejets radioactifs détectés en limite du site témoigne d’une détérioration importante de l’intégrité de l’enceinte.


Piscine du réacteur n°2

La présence de combustibles "usés" est confirmée et le délai de dénoyage supérieur évalué à 16 jours selon l’IRSN.


Situation du réacteur n°3

La fusion partielle du cœur est confirmée et le refroidissement du réacteur est réalisé par une injection d’eau de mer au moyen du réseau incendie. Comme pour le réacteur n°2, la décompression de l’enceinte a conduit à des rejets radioactifs dans l’atmosphère. Une explosion liée à la présence d’hydrogène s’est produite dans la partie supérieure du bâtiment-réacteur, le 14 mars à 11h01 (heure locale).

Selon le gouvernement japonais, l’enceinte de confinement du réacteur pourrait avoir été endommagée. Des dégagements de vapeur étaient visibles le 16 mars.


Piscine du réacteur n°3

L’eau de la piscine est en ébullition. Le délai de dénoyage est estimé à 7 jours à compter du tsunami (11 mars), selon l’IRSN. Des essais de noyage du combustible sont en cours.

A ceci s’ajoute une interrogation majeure : la piscine de ce réacteur pourrait contenir des combustibles de type MOX (oxydes mixtes UO2 et PuO2). Les conséquences d’une défaillance de cette piscine seraient plus graves que celles concernant les combustibles classiques, compte tenu de la teneur élevée en plutonium de ces combustibles. Il n’y a pas eu de données publiées sur la situation de cette piscine, qui présente, potentiellement, l’un des risques le plus graves.


Situation du réacteur n°4

Les réacteurs n°4, 5 et 6 étaient à l’arrêt pour maintenance lors du séisme. L’exploitant nucléaire TEPCO avait indiqué ne pas rencontrer de problèmes de sûreté sur ces réacteurs.

Cependant un incendie s’est déclaré au niveau de la piscine d’entreposage du combustible "usé" du réacteur n°4, le mardi 15 mars 2011 aux alentours de 09h30 (heure locale). Il est vraisemblable que la perte d’eau a découvert la partie haute des combustibles stockés. Une telle situation entraîne une vaporisation de l’eau de la piscine, provoquant à son tour la formation d’hydrogène à l’origine de l’incendie. Ce "dénoyage" du combustible a dû conduire à un endommagement important des gaines du combustible.

Le feu a été éteint vers 12h00 (heure locale). Un deuxième incendie s’est cependant déclaré le 16 mars 2011 à 5h45 (heure locale). Cet incendie a été éteint, mais l’ossature du bâtiment a été fortement endommagée. Deux brèches de huit mètres de large seraient apparues dans l'enceinte extérieure du bâtiment.

Les autorités japonaises ont indiqué que des rejets radioactifs sont maintenant susceptibles d’être émis directement dans l’atmosphère. C’est une situation très préoccupante.

L’exploitant TEPCO et les autorités japonaises recherchent des moyens leur permettant de remplir la piscine afin d’immerger le combustible. Le 15 mars, la température de l’eau de la piscine atteignait 84°C. L’armée japonaise a tenté de jeter une bâche d’eau de mer, transportée par hélicoptère, mais a renoncé compte tenu des très forts débits de dose [8] mesurés à l’aplomb de la piscine, 0,4 sievert par heure (la dose mortelle est de 6 sieverts environ). D’autres intervenants ont été empêchés de s’approcher de la piscine pour la même raison.

Les autorités japonaises envisagent maintenant d'utiliser un canon à eau, prêté par l’armée américaine, pour tenter de remplir la piscine du réacteur n°4. Le réacteur n°4 est devenu, avec la piscine du n°3, le point le plus préoccupant du site de Fukushima.

La salle de commande du réacteur n°4 est devenue très irradiante, limitant fortement le temps de présence des intervenants.

Situation des réacteurs n°5 et 6

Les réacteurs n°5 et 6 étaient à l’arrêt pour maintenance lors du séisme.

Comme un générateur électrique du réacteur n°6 a pu être préservé à la suite du tsunami, il a permis d’assurer une certaine alimentation en eau des deux réacteurs. Ce n’est pas le cas de leurs piscines, dont la température augmente. Des diesels supplémentaires devraient être mis en place pour l’alimentation des piscines.


Situation de la piscine de stockage commune du site

Cette piscine contiendrait 6000 assemblages combustibles, soit l’équivalent d’environ 40 cœurs de réacteurs usés. Ils ont été refroidis plus longtemps que ceux entreposés dans chaque piscine de réacteur, mais leur charge radioactive reste considérable.


Situation des réacteurs du 2ème site Fukushima (Daini)

Dans la 2ème partie du site de Fukushima, les quatre réacteurs (n°1, 2, 3 et 4) ont été mis en arrêt d’urgence lors du déclenchement du séisme. Les alimentations électriques externes de cette partie du site n’ont pas été affectées. Le refroidissement, à l’aide de la source froide, a été rétabli sur le réacteur n°3, et cette restauration est en cours sur les autres réacteurs.

Cependant, une augmentation de la température de l’eau des piscines stockant les combustibles "usés" a été observée le 15 mars.

Après un incessant travail des techniciens du 2ème site de Fukushima, l’exploitant a pu annoncer, le mardi 15 matin, la mise à l’arrêt "normale" des 4 réacteurs (BWR de 1100 Mégawatts électriques (MWe). Ils seraient donc dans une situation stable.


Globalement, le bilan nucléaire du tsunami est très lourd

Les cœurs des trois premiers réacteurs de Fukushima ont fondu à des niveaux divers et des débits de dose très élevés ont été mesurés aux abords des réacteurs n°1, n° 2 et n°3. La piscine du réacteur n°4, qui renferme des combustibles usés endommagés, est à l’air libre. Elle provoque des débits de dose très élevés qui interdisent toute approche humaine.

Les contraintes demeurent, car réacteurs et piscines doivent constamment être refroidis par des apports massifs d’eau de mer. Les explosions et incendies ont altéré les enceintes de confinement des réacteurs n°2 et n°3 et/ou de la piscine d’entreposage des combustibles "usés".

L’état des réacteurs se situe à un degré de dégradation relativement inconnu de l’exploitant et des autorités, car les niveaux d’irradiation interdisent les constats visuels.

Compte tenu des forts débits de dose mesurés à l’extérieur des installations, les conditions d’intervention qui nécessitent une approche ou un survol seront de plus en plus difficiles.


La mesure d’un accident nucléaire

En 1991, une "échelle de gravité" a été adoptée à l’échelon international, pour classer les incidents nucléaires en fonction de leur gravité. Il s’agit de l’échelle "INES" (International Nuclear Event Scale), qui comporte 8 niveaux croissants, notés de 0 à 7.

Le classement se fait en fonction de critères estimés de gravité (prenant en compte la possibilité d’occurrences plus graves que celles observées à ce jour) et non d’une mesure physique [9]. Les responsables des installations nucléaires proposent un échelonnement qui peut être corrigé par l’autorité du pays concerné. Avant l’actuel épisode japonais, on relevait, au sommet de l’échelle INES, deux accidents graves :

Celui survenu en Pennsylvanie (USA), sur le 2ème réacteur PWR de 900 MWe du site de "Three Mile Island", le 28 mars 1979, qui fut classé au niveau 6 de l’échelle INES. Environ 45% du cœur du réacteur avait fondu, des gaz et des iodes radioactifs avaient été rejetés, mais ils avaient eu un impact limité (le calcul sur un individu stationné en bordure de site révélait 1 millisievert).

La catastrophe de Tchernobyl, en Ukraine, intervenue le 26 avril 1986 sur le 4ème réacteur du site, classée au niveau 7, le plus élevé de l’échelle INES.

Les accidents japonais ne concernent pas un seul réacteur mais au moins 4, avec des niveaux de gravité continument croissants. Bien qu’il n’existe pas de valeurs intermédiaires entre les nombres entiers de l’échelle INES, le classement se situe actuellement entre 6 et 7, avec un glissement qui semble inexorable vers 7.

Le 15 mars 2011, l’Autorité de Sûreté Nucléaire française (ASN) a classé cet accident au niveau 6.

Il est clair que le classement au niveau 4 par l’exploitant japonais, même au début de l’accident du réacteur N°1, était notoirement sous-évalué.


Ce qui distingue Fukushima de Tchernobyl

Il faut prendre en compte plusieurs critères pour conduire une comparaison.

S’agissant des populations, à Tchernobyl, la population est restée 3 jours en place avant d’être évacuée. Les enfants rassasiaient leur curiosité, s’approchant à quelques centaines de mètres de la centrale qui brûlait.

A Fukushima, 6h1/4 après le séisme, la décision d’évacuation de la zone proche fut prise, de même que celle de confinement – ordre de rester chez soi en calfeutrant les entrées d’air et en coupant la climatisation - de la zone suivante. Les distances d’évacuation et de confinement furent élargies dès l’augmentation du risque.

Les densités de population au Japon, et notamment à Tokyo et dans ses environs (32 millions d’individus), pénalisent davantage Fukushima que Tchernobyl.

Sur le plan du matériel en cause, le réacteur russe était entouré de graphite, matériau difficilement inflammable mais très difficile à refroidir. La fusion du cœur a été accompagnée, pendant 10 jours, par un feu qui propulsait à plus de 1000m d’altitude les gaz et aérosols, qui ont constitué, de triste mémoire, le fameux nuage de Tchernobyl.

Il y eut, en fait, non pas un nuage, mais une quinzaine de trajectoires distinctes de ces émissions radioactives.

A Fukushima, il n’y a pas de graphite, mais les sites renferment plus de cœurs de réacteurs susceptibles de se dégrader. Les contenus de ces cœurs sont beaucoup plus riches en matières toxiques que celui du réacteur russe RBMK. Pour l’instant, les rejets de Fukushima ne vont pas en altitude, mais personne ne peut prédire leur évolution.

La disposition japonaise, face à la mer, est moins pénalisante, du point de vue des rejets, qu’un réacteur implanté au milieu des terres.


Procédures de protection de la population

Dans un premier temps, le 11 mars à 21h (heure locale), les autorités japonaises ont décidé d’évacuer les personnes vivant dans un rayon de 3km, et d’assurer le confinement de celles résidant entre 3 et 10km.

Le 15 mars, les Autorités japonaises ont informé l’AIEA que la mesure d’évacuation avait été étendue à 20km, portant ainsi à 210 000 le nombre de personnes évacuées. Le confinement concerne depuis les populations situées dans un rayon compris entre 20 et 30 km.

Des pastilles d’iode (230.000 boîtes) ont été distribuées aux riverains des deux sites nucléaires mais sans donner de consigne pour leur administration. Environ 150 personnes ont été soumises à un contrôle de contamination et 23 d’entre-elles ont été décontaminées.

Le stoïcisme des japonais, notamment l’absence de scènes de panique, est digne de respect. Il rappelle le comportement de la population anglaise lors de la 2ème guerre mondiale.


Conclusions provisoires

Il faut tout également saluer le comportement exemplaire des travailleurs affectés à la réparation des réacteurs accidentés. Ces derniers ont continué à intervenir sachant pertinemment les risques encourus. Les personnes qui ont été retirées par l’exploitant de tâches sur certains réacteurs se sont portées volontaires, dès le premier appel pour la réalisation de nouvelles opérations.

Il est difficile de prévoir l’évolution du niveau de risque, car elle dépend des parades qui pourront être mises en œuvre. Tant qu’il sera possible d’injecter de l’eau, en continu, dans les cuves, les enceintes et les piscines, la situation pourra être provisoirement stabilisée et les rejets dans l’environnement réduits.

C’est donc l’urgence n°1 : imaginer des moyens et procédures pour apporter cette eau salvatrice.

Dans un deuxième temps, il faudra concevoir et réaliser un confinement sérieux des quatre réacteurs et de leurs bâtiments, ce qui nécessitera la construction d’un ou plusieurs "sarcophage", à l’intérieur duquel ou desquels des interventions pourront être envisagées (cartographie des débits de dose, prises de vues, au moyen de robots, installation de rampes d’arrosage, etc.).

Comme cela a été le cas après les accidents graves de Three Mile Island ou de Tchernobyl, les normes de sécurité des réacteurs vont certainement être remises à l’examen, comme celles relatives à la protection des matériels utilisés lors des situations d’urgence (exemple : la protection contre l’inondation des moteurs électriques) vis-à-vis d’agressions comme celles de l’eau et du feu.

Un état des lieux sur les contaminations de l’environnement terrestre et marin devra être réalisé afin de définir des restrictions en matière de consommation (produits terrestres et marins) et d’habitation, dans l’attente de la réhabilitation des terrains et bâtiments.

La tâche est immense !

FIN

Notes

[1] Richter est une échelle logarithmique pour laquelle un accroissement de magnitude de 1 correspond à une multiplication par 30 de l'énergie et par 10 de l'amplitude du mouvement. L’échelle a 9 niveaux, qui vont de 1,9 pour les micro-tremblements, à "9 et plus" pour les séismes dévastateurs.

[2] Au bout d’une heure 1,5%, un jour 0,5%, un mois 0,12%, un an 0,06%, 10 ans 0,03% et 100 ans 0,01%.

[3] La gaine, dans laquelle sont insérées les pastilles d’uranium est un alliage de zirconium (environ 99%) et d’étain. A haute température, en contact de la vapeur d’eau, l’eau va oxyder le zirconium en libérant l’hydrogène.

[4] Les télévisions japonaises ont montré une explosion pour le réacteur n°1 mais une explosion et des flammes pour le réacteur n°3. Ceci est dû au fait que l’hydrogène, qui peut connaître des concentrations différentes durant la purge, s’échappe de la cuve du réacteur et génère, par intervalles, des inflammations et des explosions.

[5] Les pastilles des combustibles MOX (Mixed oxyde) sont constituées d’oxyde d’uranium et d’oxyde de plutonium (7% en moyenne).

[6] Le bore est un élément naturel qui permet de "capturer" les neutrons émis par le combustible afin de ne plus entretenir de réaction nucléaire. Cette caractéristique fait que le bore est dit "neutrophage".

[7] Le système de défense en profondeur d’une installation nucléaire est parfois comparé aux poupées russes. Les pastilles de combustible sont dans une gaine, la gaine dans la cuve, la cuve dans l’enceinte de confinement. Si la gaine est endommagée, les substances radioactives passent dans la cuve. Ce qui sort de la cuve se retrouve dans l’enceinte, dernière barrière.

[8] [fr.wikipedia.org]

[9] Ce n’est pas comparable à l’échelle de Richter pour évaluer la gravité des séismes. C’est un outil de communication qui permet aux autorités de sûreté nucléaire d’un pays d’informer la presse et les populations.
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