Certains éléments, comme l’isotope 235 de l’uranium ou le plutonium, présentent la propriété de pouvoir fissionner, c'est-à-dire de se diviser en deux fragments (appelés produits de fissions). Cette réaction nucléaire peut être « spontanée » ou « induite » par une particule (un neutron) interagissant avec l’élément. Lors de cette réaction de fission, un fort dégagement d’énergie se produit.
Cette réaction de fission s’accompagne de la production de rayonnements gamma et de l’émission de neutrons (2 à 3 en moyenne) qui, à leur tour, pourront éventuellement induire de nouvelles fissions (cf. figure 1). Les milieux constitués de ces éléments peuvent donc être le siège de réactions de fissions en chaîne.
Réaction de fission de l'uranium 235
Dans certaines conditions, lorsque chaque fission entraîne en moyenne plus d’une autre fission, le nombre de fissions augmente de manière exponentielle (on parle alors de réaction en chaîne divergente). Si un tel phénomène se produit de manière accidentelle dans une installation nucléaire (usines, laboratoires) ou dans un moyen de transport de matières fissiles, il peut causer une irradiation grave, voire létale, des personnes se trouvant à proximité de l'équipement concerné. On parle alors d’un accident de criticité. Celui-ci, en outre, entraîne la production de produits de fission, notamment sous forme gazeuse, qui peuvent conduire à un rejet radioactif, en général limité, dans l’environnement.
Il n’est pas nécessaire de disposer de quantités importantes de matières fissiles pour amorcer une réaction de fission en chaîne divergente. Environ 500 g de plutonium 239 mélangés à de l'eau, dans une configuration géométrique sphérique, peuvent suffire.
Aussi, dans les installations nucléaires autres que les réacteurs et pour les transports de colis de matières fissiles, il est impératif de prendre des dispositions pour empêcher l’atteinte de conditions pouvant conduire à une réaction de fission en chaîne divergente (ou configuration sur-critique) : c’est le rôle de la prévention des risques de criticité dont l’objectif est de maintenir les matières fissiles dans des configurations sous-critiques présentant des marges par rapport aux configurations pouvant conduire à la réaction en chaîne non maîtrisée tant lors du fonctionnement normal des installations que dans les situations incidentelles ou accidentelles pouvant s’y produire.
Les risques de criticité sont considérés dans toutes les étapes du cycle du combustible mettant en œuvre du plutonium, de l’uranium dès lors que l’enrichissement en 235U dépasse 1% et/ou certains actinides mineurs (curium, américium…) : usines d’enrichissement et de conversion de l’uranium, de fabrication des combustibles à base de plutonium et/ou d'uranium, les installations de traitement de combustibles irradiés ou de déchets, les entreposages et les transports de matières fissiles (combustibles, déchets radioactifs…), les laboratoires d'étude mettant en œuvre des matières fissiles, les installations de fabrication d’armes nucléaires.
Différentes dispositions, appelées modes de contrôle de la criticité, permettant de maintenir les matières fissiles dans une configuration sous critique, sont mises en œuvre seules ou de manière associée, telles que :
- la limitation des quantités de matières fissiles présentes en un poste de travail,
- la limitation de la taille des équipements recevant les matières fissiles (volume, diamètre ou épaisseur),
- la limitation de la concentration des matières fissiles lorsqu’elles sont en solution,
- la limitation de la quantité de modérateur (produits hydrogénés comme l’eau par exemple), le modérateur en ralentissant les neutrons les rendant plus efficaces dans la réaction en chaîne,
- l’utilisation de poisons neutroniques dont l’objectif est de capter les neutrons avant leur choc avec un atome fissile.
L’analyse des risques de criticité a pour objectif de définir, sur la base des modes de contrôle précités, les dispositions constructives, d’exploitation ou/et administratives (consignes) nécessaires et suffisantes pour prévenir le déclenchement d’une réaction de fission en chaîne divergente lors du traitement ou de la manipulation des matières fissiles. Elle porte sur les configurations dans lesquelles peuvent se trouver les matières fissiles compte tenu des actions envisageables lors des opérations d’exploitation normale, des modifications pouvant être induites par d’éventuelles défaillances (erreur, défaillance d’un composant…) ou par les situations accidentelles (incendie, séisme…). Les objectifs à respecter dans le cadre de cette analyse sont définis dans une règle fondamentale de sûreté (RFS n°I.3.c). Cette dernière précise en particulier que :
- un accident de criticité ne doit en aucun cas découler d'une seule anomalie (critère de défaillance unique) : défaillance d'un composant, d'une fonction, erreur humaine (non respect d'une consigne par exemple), situation accidentelle (incendie par exemple) ;
- si un accident de criticité peut découler de l'apparition simultanée de deux anomalies, il doit être démontré que :
- les deux anomalies sont rigoureusement indépendantes ;
- la probabilité d'occurrence de chacune des deux anomalies est suffisamment faible ;
- chaque anomalie est mise en évidence à l'aide de moyens de surveillance appropriés et fiables, dans un délai acceptable permettant l'intervention.
Dans les cas où malgré les dispositions de prévention retenues, le risque, bien que très faible, ne peut pas être totalement exclu, un dispositif de détection de l’accident et d’alarme, d’une grande fiabilité, est installé de manière à permettre une évacuation rapide des locaux par les opérateurs situés à proximité de l’équipement siège de l’accident et limiter ainsi les doses reçues par ces derniers. Cet équipement permet également de recueillir des informations sur les rayonnements émis, utiles pour la gestion de l’accident qui est réalisée dans le cadre de l’organisation générale de gestion des accidents dans les installations nucléaires (plan d’urgence interne ou PUI, plan particulier d’intervention ou PPI, cellules de crises).
Une vingtaine d’accidents de criticité a été répertoriée dans des installations du cycle du combustible, dans les années 50, 60 et 70, principalement aux Etats-Unis et dans l’ex URSS. Les mesures de renforcement des dispositions de prévention ont conduit à une meilleure maîtrise du risque (aucun accident répertorié entre 1978 et 1997). Toutefois, deux accidents ont eu lieu récemment dans des installations mettant en œuvre des solutions d’uranium très enrichi, l’un en 1997, à Novosibirsk en Russie qui n’a pas fait de victime, le dernier en 1999, à Tokaï-Mura au Japon, qui a entraîné la mort de deux opérateurs.
L’IRSN dans le cadre de ses missions d’expertise réalisées à la demande des autorités de sûreté donne un avis sur la suffisance des dispositions de prévention des risques de criticité retenues par les exploitants nucléaires, exposées dans les dossiers de sûreté transmis.
Pour ses missions d’expertise, l’IRSN doit disposer d’outils de calcul performants et validés lui permettant d’évaluer précisément les marges de sécurité existant dans les installations nucléaires vis-à-vis des risques de criticité. Il contribue lui-même au développement de ces outils de calcul (code de calcul neutronique MORET basé sur la méthode de Monte-Carlo, associé à des données nucléaires d’origine française ou internationale). Par ailleurs, l’IRSN initie et finance partiellement des expériences de criticité dans les installations du CEA à Valduc lui permettant de valider les codes de calcul de criticité pour des configurations pouvant être rencontrées dans les installations nucléaires.