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Risque sismique et installations nucléaires

Evaluation de l’aléa sismique: La réglementation applicable aux sites nucléaires français

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Pour concevoir une installation nucléaire, il importe de bien identifier les séismes susceptibles de produire des effets à l’endroit où l’installation sera construite. Ensuite, il faut définir les « séismes de référence » à prendre en compte pour dimensionner l’installation de telle sorte qu’elle résiste à ces séismes. L’évaluation de l’aléa sismique, c’est la détermination de ce niveau de référence.

En France, la Règle Fondamentale de Sûreté (dite RFS 2001-01) précise la démarche pour évaluer l’aléa sismique sur les sites des installations nucléaires. La RFS 2001-01 prévoit les étapes suivantes :

 

1. Définir les zones géologiques où les séismes historiquement connus pourraient se reproduire à l’avenir (zones sismotectoniques) sur la base d’une synthèse des données géologiques et sismologiques

La genèse des séismes répond à des lois physiques, pour l’essentiel contrôlées par l’action des forces tectoniques sur la croûte terrestre, et plus spécifiquement au niveau des zones de faiblesses de celle-ci que sont les failles. Dans le contexte sismotectonique français, caractérisé par une sismicité modérée, les failles susceptibles de générer des séismes sont rarement identifiées.

Compte tenu de ce manque de connaissance, la RFS demande aux exploitants d’étudier tous les éléments qui jouent, directement ou indirectement, un rôle dans la genèse des séismes. Il s’agit d’analyser les paramètres géologiques et sismologiques et de définir des zones (dites zones sismotectoniques) considérées comme homogènes du point de vue de leur potentiel à générer des séismes. Dans les zones sismotectoniques ainsi définies, on considère que, pour une zone donnée, tous les séismes qui s’y sont produits peuvent s’y reproduire à l’avenir en n’importe quel endroit de la zone.

La figure 1 présente le zonage sismotectonique de la France le plus récent utilisé par l’IRSN dans le cadre de ses travaux d’analyse des dossiers de sûreté des exploitants, effectués pour le compte des autorités. Ce zonage est régulièrement mis à jour afin d’intégrer les nouvelles connaissances issues, soit de travaux de recherches menés par l’IRSN, soit de travaux menés par d’autres organismes, dont les exploitants, ou des équipes universitaires.

Le zonage sismotectonique de la France utilisé par l’IRSN, produit à partir de la synthèse de données géologiques, géophysiques
Figure 1 : Le zonage sismotectonique de la France utilisé par l’IRSN, produit à partir de la synthèse de données géologiques, géophysiques et sismologiques. Par définition, les séismes qui se sont produit dans une zone pourraient se reproduire n’importe où dans cette zone. Selon ce zonage, la France métropolitaine comporte un peu plus de 80 zones sismotectoniques. Les triangles noirs indiquent la localisation des installations nucléaires.

 

2. Sélectionner les séismes qui, s’ils se reproduisaient, créeraient les effets les plus forts dans la zone du site et dans les zones adjacentes

En s’appuyant sur le fait que, pour une zone sismotectonique, les séismes localisés dans cette zone sont susceptibles de se produire en tous points de la zone, l’étape suivante consiste à translater virtuellement les séismes les plus importants de chaque zone (celle qui contient le site considéré et celles qui lui sont adjacentes) au plus près du site. Pour la zone qui contient le site, cela revient à placer le séisme le plus important sous le site ; pour les zones adjacentes, cela conduit à translater les séismes à la limite de la zone, au plus près du site. La figure 2 montre un exemple de ces déplacements pour le site nucléaire de Paluel.

Identification des séismes susceptibles de produire les effets les plus forts sur le Centre Nucléaire de Production Electrique
Figure 2 : Identification des séismes susceptibles de produire les effets les plus forts sur le Centre Nucléaire de Production Electrique de Paluel. 

Dans chaque zone sismotectonique, une hypothèse est faite : les séismes passés pourraient se reproduire dans leur zone d’appartenance et, dans une démarche « conservative » de sûreté, les épicentres sont déplacés (flèches rouges) dans la position la plus pénalisante pour le site. Par exemple, les séismes de Veules-les-Roses (1769) et de Breteuil (1756), survenus dans la même zone que le site, sont déplacés « sous » celui-ci, tandis que les séismes du Pas-de-Calais (1580) ou de Caen (1775), survenus dans une zone voisine, sont rapprochés à environ 75 km du site.

 

3. Calculer les deux paramètres principaux (magnitude et profondeur) des séismes historiques de référence, dits Séismes Maximaux Historiquement Vraisemblables (SMHV)

En France, la plupart des séismes importants retenus pour évaluer l’aléa sismique sont des évènements historiques pour lesquels il n’existe pas d’enregistrements instrumentaux, donc pas de mesure directe de leur magnitude.

Afin de préciser les principales caractéristiques de ces séismes, l’IRSN a établi des relations empiriques permettant d’estimer la magnitude et la profondeur des séismes historiques. Ces relations sont établies à partir de l’étude de la répartition géographique des intensités observées des séismes historiques rapportés par les archives et de l’étude des séismes récents pour lesquels on dispose à la fois d’informations sur les intensités observées et sur leur magnitude et leur profondeur grâce aux données instrumentales. L’utilisation de cette méthode permet par ailleurs d’évaluer les incertitudes associées à la magnitude et à la profondeur ainsi estimées pour le séisme.

Exemple d’estimation de la magnitude et de la profondeur du séisme de Caen (1775).
Figure 3 : Exemple d’estimation de la magnitude et de la profondeur du séisme de Caen (1775). A partir des intensités observées lors de ce séisme (figure du haut), il est possible de déterminer le couple magnitude/profondeur (et les incertitudes associées) pour ce séisme (en bas à gauche). Ce séisme a une magnitude d’environ 5,2 et une profondeur de l’ordre de 10 km.

 

4. Augmenter la magnitude des séismes de référence ainsi déterminés de 0,5

Cette majoration forfaitaire, qui conduit à définir un ou des Séismes Majorés de Sécurité (SMS) permet de tenir compte des incertitudes inhérentes à l’estimation des caractéristiques des séismes de référence.

 

5. Etudier les indices de paléoséismes

Au cours des dernières décennies, les recherches effectuées par les géologues ont conduit à reconnaître l’existence de forts séismes survenus à des périodes très reculées (quelques milliers à quelques dizaines de milliers d’années). La RFS préconise de prendre en compte ces indices de séismes passés (paléoséismes), parce qu’ils complètent les catalogues existants (sismicité instrumentale et sismicité historique) qui recouvrent une période trop courte pour décrire avec suffisamment de recul dans le temps la sismicité française.

L’IRSN participe activement à la constitution d’une base de données nationale recensant les indices de paléoséismes en France (www.neopal.net); il est membre du comité d’experts correspondant.

Exemple d’indice de paléoséisme (Courthézon) sur la faille de Nîmes
Figure 4 : Exemple d’indice de paléoséisme (Courthézon) sur la faille de Nîmes. Les couches géologiques superficielles ont été décalées par le jeu de la faille, ce qui atteste de son activité.

 

6. Calculer les mouvements du sol à prendre en compte pour le dimensionnement des installations

Une base de données mondiale d’enregistrements sismiques est utilisée pour calculer les mouvements sismiques qui peuvent être associés aux couples magnitude/distance précédemment déterminés.

Ces mouvements sismiques, qui sont ensuite utilisés par les ingénieurs pour établir ou vérifier le dimensionnement des installations et des équipements, peuvent être décrits sous différentes formes, par exemple l’évolution de l’accélération du sol en fonction du temps ou encore un spectre de réponse. Ce dernier, couramment utilisé, permet de déterminer, selon les fréquences caractéristiques des bâtiments et des équipements, l’accélération (et donc la force) maximale à laquelle ils seraient soumis si les séismes de référence se produisaient.

Le spectre de réponse décrit le comportement d’oscillateurs simples sous sollicitation sismique.
Figure 5 : Le spectre de réponse décrit le comportement d’oscillateurs simples sous sollicitation sismique. Il permet d’évaluer les forces qui s’exerceront sur un bâtiment lors d’un séisme.

 

7. Tenir compte des effets de sites

La nature des sédiments les plus superficiels peut aussi influencer le mouvement sismique en surface. La RFS recommande donc d’adapter le spectre de réponse en fonction du type de sol sur lequel repose l’installation. La RFS distingue différents types de sol en fonction d’une de leurs propriétés mécaniques, la vitesse Vs des ondes sismiques de cisaillement (ondes S) moyennée sur les 30 derniers mètres de la colonne de sol sous le site. Pour les sols ayant des vitesses Vs faibles (qualifiés de sédiments meubles), le mouvement sismique incident peut être amplifié et sa durée augmentée.

Par ailleurs, des configurations particulières peuvent aussi perturber la propagation des ondes sismiques, comme l’existence d’un bassin sédimentaire enchâssé dans un milieu rocheux. Plusieurs études ont montré que les ondes sismiques incidentes peuvent être piégées dans un bassin sédimentaire, augmentant notablement l’importance des secousses sismiques. Dans une telle situation, la Règle recommande de mener des études spécifiques en vue de déterminer le mouvement sismique à prendre en compte (aux niveaux SMHV et SMS).

Pour plus de détails, voir la page consacrée aux effets de site.

Le spectre de réponse décrit le comportement d’oscillateurs simples sous sollicitation sismique.
Figure 6 : La présence d’une cuvette sédimentaire (en bleu) dans un massif rocheux (en jaune) étant susceptible de modifier le mouvement sismique, il est nécessaire de conduire une étude spécifique pour tenir compte des spécificités locales du milieu géologique. 

 

L’application de la règle fondamentale de sûreté 2001-01 permet ainsi de définir l’aléa sismique à retenir sur le site d’une installation nucléaire. Cet aléa est généralement défini par un spectre de réponse. La définition de l’aléa sismique sur un site nucléaire fait l’objet de réévaluations régulières (à l’occasion de la préparation des visites décennales) permettant de prendre en compte l’évolution des connaissances tant dans le domaine de la géologie que dans celui de la sismologie. Ces réévaluations peuvent conduire à une modification sensible de l’aléa, ce qui impose que soient réalisées des vérifications de la tenue au séisme des installations et des équipements avec les nouveaux paramètres ; dans certains cas, cela peut conduire l’exploitant à réaliser des travaux de renforcement.

Un exemple de la mise en application de cette règlementation : l’étude de l’aléa sismique pour le centre de recherche de Cadarache.

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