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FAQ Sûreté des installations nucléaires

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1 - Quelles sont les installations nucléaires sur le site de la centrale de Fukushima ? 

Il y a six réacteurs à eau bouillante avec des piscines de déchargement du cœur qui se situent sur le haut des bâtiments réacteurs. Lors du séisme, trois installations étaient en fonctionnement et se sont arrêtées automatiquement. Trois autres installations étaient déjà à l’arrêt avant le séisme. Au moment de l'accident, l'IRSN ne connaissait pas l’état de déchargement du cœur de chacune de ces trois installations.

 

Les six réacteurs à eau bouillante de la centrale nucléaire de Fukushima 1.


 
2 - Qu'est-ce qu'un réacteur à eau bouillante ?

Alors qu’en France, le principal type de réacteur utilisé est le « réacteur à eau pressurisée » (REP ou PWR pour Pressurized Water Reactor), il existe d’autres types de réacteurs, comme les « réacteurs à eau bouillante » (REB ou  BWR pour Boiling Water Reactor), utilisés notamment au Japon. 

Comme le réacteur à eau pressurisée, le réacteur à eau bouillante produit de la chaleur qui est ensuite convertie en électricité. Dans un réacteur nucléaire, les noyaux d'uranium remplacent le combustible fossile utilisé dans les centrales thermiques (charbon, pétrole). En se cassant (on parle de fission nucléaire), ces noyaux libèrent de l'énergie sous forme de chaleur, qui sera utilisée pour produire de la vapeur d'eau. De la même manière que dans les centrales thermiques, c’est cette vapeur qui entraîne une turbine et son alternateur pour produire l’électricité.

Pour empêcher la dispersion des éléments radioactifs dans l’environnement, ce combustible nucléaire est placé dans des gaines en alliage de zirconium qui constituent ce que l’on appelle la première barrière de confinement. Le cœur du réacteur, qui contient le combustible, est placé dans une cuve qui constitue la deuxième barrière de confinement. Cette cuve est-même contenue dans une enceinte comportant une peau d'étanchéité métallique : c’est la troisième barrière de confinement.

La conception d'un réacteur à eau bouillante présente les principales spécificités suivantes par rapport à un réacteur à eau pressurisée :

  • l'eau chauffée par le cœur est transformée dans la cuve en vapeur directement envoyée à la turbine, alors que dans un REP,  l’eau échange sa chaleur dans un générateur de vapeur avec un circuit secondaire dont l'eau vaporisée alimente la turbine ;
  • les barres de contrôle sont insérées par le bas de la cuve alors qu’elles sont insérées par le haut dans un REP ;
  • l'enceinte de confinement est incluse dans le bâtiment du réacteur, alors que c’est le bâtiment du réacteur qui constitue l'enceinte et abrite la cuve dans le REP.

 

Fonctionnement d'un réacteur à eau bouillante - Source : US NRC

 

 

 

Voici le schéma général d’un réacteur à eau bouillante qui montre un bâtiment externe, avec à l'intérieur, une enceinte de confinement dans laquelle est placée la cuve du réacteur où sont placés les éléments de combustible :

 

    

3 - Qu'est-ce qu'un combustible MOX ? Quels risques présente-t-il en cas d'accident ? 
  

Le MOX est un combustible nucléaire qui contient de l’uranium et du plutonium. Avant son chargement dans le cœur du réacteur, le MOX contient environ 6 % de plutonium. Après utilisation, lors du déchargement du combustible irradié (c'est-à-dire usé), il reste environ 4 % de plutonium.   

Le combustible classique – à base d'uranium enrichi – ne contient, au départ, pas de plutonium. Mais puisque la réaction de fission crée du plutonium, le combustible usé en contient environ 1 %. Et environ 30?% de l'énergie produite par un réacteur provient de la consommation de plutonium qui s'est formé au cours de l'irradiation.   

Donc tout combustible contient du plutonium.   

En termes de risques en cas de rejet, les éléments radioactifs les plus dangereux immédiatement sont les produits de fission très volatiles, notamment les iodes, les césiums et les gaz rares. En revanche, le plutonium est un métal lourd présent dans les pastilles de combustible et le corium ; lorsque le cœur est très dégradé, il ne sera pas rejeté dans l’atmosphère.   

A la centrale nucléaire de Fukushima, le cœur du réacteur n°3 contient effectivement 32 assemblages combustibles de type MOX sur les 548 assemblages que contient le cœur. Toutefois, ceci ne modifie pas significativement l’ampleur des conséquences d’un rejet qui résultent principalement des produits de fission. 

> Plus d'information sur le MOX.

  

4 - Que sont les produits de fissions ?

Dans toutes les centrales nucléaires et quel que soit le type de réacteur, la production d’électricité provient de la fission de noyaux d’uranium ou de plutonium, le combustible. Lorsqu’un noyau d’uranium ou de plutonium fissile est bombardé par un neutron, il se casse. C’est la fission nucléaire, qui engendre toujours trois phénomènes : tout d’abord elle libère de la chaleur, et produit également des neutrons (deux ou trois par fission) qui, dans un réacteur de production d’électricité, entretiennent la réaction en chaîne ; le niveau de puissance est régulé par des dispositifs capturant les neutrons (barres de contrôle). Enfin, elle crée de nouveaux atomes que l’on appelle les produits de fissions.   

Les produits de fission (tels que le xénon, le krypton, l’iode, le strontium, le césium et le tellure) ont une durée de vie très variable selon l’élément, de quelques secondes à plusieurs dizaines d’années. La désintégration de ces atomes radioactifs dégageant de l’énergie (appelée puissance résiduelle), il faut continuer à refroidir le combustible. S’il n’est pas refroidi, le combustible peut fondre relâchant des éléments radioactifs dans le circuit primaire, puis dans le confinement.   

Plus rarement, un atome d’uranium peut capturer le neutron qui l’atteint et se transformer en plutonium. Celui-ci est aussi fissile : bombardé par un neutron, il peut se casser en produisant chaleur et produits de fission.

 

5 - Que signifient les termes : perte de refroidissement du cœur, dénoyage du combustible, fusion du cœur, dégagement d'hydrogène, terme source ?

Un accident de perte de refroidissement du cœur se produit lorsque les dispositifs qui permettent normalement de refroidir le cœur d’un réacteur nucléaire sont défaillants : défaillances de pompes, rupture de tuyauteries, bouchage des alimentations en eau froide... Dans ce cas-ci, le combustible n’est plus refroidi pendant plusieurs heures : il faut alors redouter un dénoyage du cœur, voire une fusion du cœur. 

Dénoyage du combustible : il intervient quand le niveau d’eau dans la cuve du réacteur diminue rapidement : elle s’évapore. Dans le cas d’un réacteur à eau bouillante, ceci est accompagné d’une augmentation de la pression.

Fusion du cœur : si tout ou partie du combustible ne peut plus être refroidi, sa température va fortement augmenter et conduire à une dégradation des gaines de zirconium qui l’entourent, puis à la fusion du cœur. Les matériaux de structure qui soutiennent le combustible dans la cuve du réacteur vont également fondre et se mélanger avec le combustible fondu : il se forme alors un magma appelé « corium ».

Dégagement d’hydrogène : les tubes qui contiennent le combustible sont un alliage de zirconium. Quand celui-ci est chauffé à haute température dans de la vapeur d’eau, le métal s’oxyde en dégageant un gaz, l’hydrogène, qui peut exploser quand il est mélangé avec de l’air. La chaleur produite par cette réaction contribue également à l’échauffement du combustible. 

Terme source : A tout moment, lors du fonctionnement normal d’un réacteur, on connait la quantité de chacun des produits de fission radioactifs présents dans le cœur (césium, iode, strontium, tellure, etc.). Lors d’un accident nucléaire, une partie de ceux-ci pourrait être relâchée dans l'environnement, cela va dépendre des caractéristiques de cet accident et des dégradations des systèmes de protections (intégrité de l’enceinte de confinement,…). C’est cette partie de produits radioactifs relâchés dans l’environnement que l’on appelle « terme source ». On peut faire une estimation de cette quantité grâce à des calculs qui utilisent les mesures faites dans l'environnement et les conditions météorologiques. Le calcul du terme source permet ensuite l’évaluation des conséquences d’un rejet radioactif dans l’environnement.

 

6 - Combien de temps doit être refroidi un réacteur arrêté ? Quel est le risque pendant le refroidissement ? 

La puissance thermique du cœur d'un réacteur décroît tout d'abord rapidement après son arrêt, puis plus lentement (de 5 % après une minute, puis 1,5 % après une heure, 0,3 % après une semaine...).

Si l’on compare l'énergie produite par un réacteur à celle dégagée par une ampoule de 100 Watt, lorsque l’on éteint l'interrupteur, il reste encore immédiatement 3 Watt de puissance. Au bout de 3 mois, il reste environ 0,1 Watt de puissance à évacuer. Cela est peu, mais rapporté à la puissance thermique d'un réacteur qui est de 2400 Mégawatt (soit 24 millions d’ampoules !), la puissance à évacuer est de 2,4 Mégawatt. Cela impose donc un refroidissement pendant des années, ce qui est aussi le cas pour les combustibles placés en piscine après déchargement.

A la centrale nucléaire de Fukushima, la puissance thermique résiduelle à évacuer des cœurs des réacteurs était de 2,5 Mégawatts (MW) pour le réacteur n°1, et de 4,2 MW chacun pour les réacteurs n°2 et 3. L’évacuation de la chaleur résiduelle nécessite à minima 1,6 tonne d’eau par Mégawatt et par heure. En revanche, dès qu'il n'y a plus d’apport d'eau, la température augmente et l'eau contenue dans le cœur se vaporise, augmentant la dégradation du combustible et entraînant sa fusion. Le mélange fondu (appelé corium) peut percer la cuve du réacteur et atteindre le béton qui constitue l'enceinte de confinement. Pour l’éviter, il faut donc à tout prix maintenir le refroidissement du cœur, et donc avoir une présence d'eau permanente.

 

7- Pourquoi faut-il refroidir le combustible dans les piscines de déchargement ?Le combustible déchargé dans une piscine de déchargement contient des produits radioactifs qui continuent à dégager de la chaleur. L’eau assure à la fois le refroidissement du combustible et la protection contre les rayonnements dans les piscines. Au fil du temps, la quantité de chaleur à évacuer diminue.

Puissance résiduelle des assemblages combustibles à évacuer dans une piscine.

Aussi, comme dans un réacteur, il faut s'assurer qu'il y a suffisamment d'eau dans dans les piscines de déchargement. S’il n’est pas possible de remettre de l’eau dans la piscine, l’eau va bouillir et son niveau baisser. Lorsque l’eau ne sera plus à une hauteur suffisante pour refroidir correctement le combustible, celui-ci va être en partie ou totalement hors d’eau (dénoyage). La gaine de métal qui contient les pastilles de combustible peut alors réagir fortement avec la vapeur ou l’air, se casser en laissant échapper des produits de fissions. Les débris de combustible resteraient au fond de la piscine pouvant former un magma problématique.

 

8 - Pourquoi depuis que l'accident de Fukushima s'est produit, ne peut-on toujours pas savoir si le cœur est fondu ? 

Dans les jours et les semaines qui ont suivi l'accident, il a été clairement établi que le cœur des réacteurs 1, 2 et 3 avait partiellement fondu. Une part importante des rejets radioactifs dans l'environnement proviennent de ces fusions partielles. 

Cependant, il n'est pas possible d'aller voir "dans les réacteurs" l'état réel des coeurs. Lors de l'accident de la centrale de Three Mile Island aux Etats-Unis en 1979, il a ainsi fallu attendre 6 ans pour connaitre l'état de dégradation réel du coeur du réacteur.

>Plus d'information sur l'accident de Three Mile Island.

A l'été 2011 (cf. point de situation IRSN du 25 août 2011), les investigations menées par TEPCO n’ont pas remis en cause les évaluations précédentes de l’état des coeurs des récteurs et des enceintes de confinement (combustible partiellement voire totalement fondu dans les réacteurs 1,2 et 3, fuites liquide ou vapeur avérées au niveau des cuves des réacteurs et des enceintes de confinement). Il reste impossible cependant à l'heure actuelle de savoir si du combustible fondu a pu se localiser au fond des enceintes et dans quelle quantité. 

 

9 - A Fukushima, que se passerait-il en cas de formation de corium ? Est-il possible qu'il y ait divergence ou une explosion de vapeur ? 

Les cœurs des réacteurs n°1, 2 et 3 ont été endommagés du fait de leur dénoyage partiel.  Il n’est donc pas exclu que du corium ait pu se former. Toutefois le risque d’explosion de vapeur est peu probable dans la mesure où de l’eau a toujours été injectée dans ces réacteurs.

L’existence de corium ne favorise pas l’apparition d’un risque de divergence. Une divergence n’est pas plausible car les Japonais ont pris soin d’ajouter du Bore à l’eau injectée dans les cœurs des réacteurs.

  

10 - Quelles seraient les conséquences en termes de radiation si l'un des cœurs finissait par traverser toutes les couches de confinement, y compris la dalle de béton ?   

Si l'on suppose que le combustible en fusion atteint le béton, comme il est très chaud, il va réagir avec le béton et commencer à le percer. Dans le cas de Fukushima, il y a environ 8 mètres de béton sous l’enceinte de confinement. Si un refroidissement par de l’eau est assuré en même temps, il est très probable que le mélange fondu s'arrêtera dans le béton. 

En revanche, s'il venait à traverser le béton, il atteindrait la roche qui est sous le bâtiment et continuerait à dégrader la roche le temps de se refroidir en s'étalant. 

Donc on aurait affaire à un mélange solidifié. Le risque est alors lié à la présence d'eau de ruissellement dans le sol, qui pourrait entraîner des éléments radioactifs vers l'océan.

  

11 - Qu'est-ce qui prévient un emballement des réactions et donc une catastrophe de type Tchernobyl ? Quelles seraient les conditions "nécessaires" pour arriver à une telle situation ?   

A Tchernobyl, l'accident est survenu alors que le réacteur était en fonctionnement. Il y avait donc une réaction nucléaire qui se développait dans le réacteur, et du fait d'une mauvaise gestion de la réactivité du cœur, il y a eu un emballement brutal de la réaction de fission, qui a expulsé la dalle de couverture du réacteur. Le cœur s'est donc retrouvé à l'air libre, avec un feu important pendant une douzaine de jours, en raison de la présence de graphite (charbon ultra-pur) dans le coeur. En outre, à Tchernobyl, il n'y avait pas d'enceinte de confinement autour du réacteur. Pour cette raison, les rejets ont été très importants.  

A Fukushima, lors du séisme, les barres de contrôle ont été automatiquement introduites dans le cœur des réacteurs : la réaction de fission était arrêtée. Les réacteurs étaient donc à l'arrêt depuis quelques heures avant le début de la dégradation des cœurs. Le réacteur n’est par ailleurs pas constitué de graphite pouvant induire un incendie. Et il y a une enceinte de confinement en béton recouverte intérieurement par une peau en acier.  

Les explosions qui ont été observées à Fukushima sont dues à l'hydrogène produit par la dégradation des gaines des combustibles. Afin de maintenir l'étanchéité de l'enceinte de confinement, qui montait en pression du fait du refroidissement insuffisant, l'exploitant a été amené à ouvrir une vanne permettant de réduire la pression dans l'enceinte de confinement.  

Cela a conduit à un rejet de radioactivité et d'hydrogène dans les parties hautes des bâtiments, parties hautes dans lesquelles l'hydrogène a explosé. Ces explosions n'ont pas dégradé l'enceinte de confinement de manière importante.  

Le fait de conserver une enceinte de confinement, même non étanche, autour des réacteurs contribue à réduire les rejets et constitue une des différences majeures avec Tchernobyl.  

En conclusion, il n’y avait plus de réaction de fission lorsque les problèmes de refroidissement des réacteurs sont survenus. C'est la puissance thermique résiduelle du cœur qui pose problème, l'enjeu étant de refroidir ce cœur. On n’a pas craint d’explosion "atomique". 

>Plus d'informations sur l'accident de Tchernobyl.

 

12 - Le dégagement d’hydrogène à Fukushima est-il uniquement dû à l'oxydation du zirconium et pas aussi à la radiolyse de l'eau ?

L’hydrogène provient effectivement de l’oxydation des gaines des combustibles en zirconium et de la radiolyse de l’eau.
D’ailleurs, pour le réacteur n° 4, l’explosion survenue en partie supérieure du bâtiment a résulté de la radiolyse de l’eau de la piscine, qui contient environ deux cœurs de réacteur.

  

13 - Que va-t-on faire du considérable volume d’eau contaminée présent sur le site de Fukushima ?

Que devient l'eau injectée par le système de sécurité incendie dans les enceintes de confinement des réacteurs dans la centrale nucléaire de Fukushima ?

Il faut rappeler que l'eau dont on parle provient de trois sources :

  • Une première origine, c'est le tsunami qui a amené de l'eau sur le site.
  • La deuxième, c'est l'eau qui a été envoyée au-dessus des réacteurs et qui a donc ruisselé sur le site (par exemple 4 500 m3 d'eau ont été injectés au-dessus du réacteur n°3). Une partie de cette eau a rejoint l'océan.
  • Et une troisième origine, c'est l'eau qui provient de l'enceinte de confinement des bâtiments réacteurs et qui explique la très forte contamination rencontrée à certains endroits des bâtiments auxiliaires.
      

L’exploitant Tepco a eu deux possibilités pour intervenir dans les bâtiments auxiliaires :

  • pomper l'eau pour la mettre dans des réservoirs, soit sur le site lui-même, soit dans un tanker en mer par exemple ;
  • pour intervenir près d'un endroit où se trouve de l'eau très contaminée, rejeter un peu de cette eau contaminée à l'océan.
      

L’exploitant Tepco a essayé au maximum de limiter les rejets en mer et a privilégié la mise en cuve de cette eau. Pour le traitement ultérieur, il faudra examiner quelles sont les meilleures solutions pour traiter cette eau. 

Note : Les notes d’informations disponibles sur le site de l’IRSN mettent à jour régulièrement les réponses à cette question.

 

14 - Lors de l’accident de Fukushima, pourquoi ne pas avoir utilisé des cuves dès le départ ? 

Il faut rappeler que lorsqu'est arrivé l'accident, les exploitants du site ont eu à faire brutalement face à six réacteurs qui étaient accidentés et à sept piscines d'entreposage de combustibles usés. L’environnement du site était par ailleurs ravagé par le séisme et le tsunami.

Ils ont donc agi dans l'urgence pour à tout prix refroidir les cœurs des réacteurs et maintenir de l'eau dans les piscines. C'était l'enjeu majeur pour éviter un accident encore plus grave. A ce moment, la question du devenir de l'eau était un peu secondaire. 

L'eau a été un bien nécessaire, mais est devenu une difficulté, depuis, pour l'intervention. 

 

15 - Quelle est la nature du sous-sol de la centrale de Fukushima ? Est-il envisageable de faire un coffrage étanche ?   

L’IRSN ne connait pas la nature du sous-sol de la centrale. La réalisation a posteriori d’un cuvelage pour récupérer des fuites n’est pas une solution envisageable. Il est plus facile de récupérer l’eau contaminée présente dans les locaux par des moyens de pompage et de la stocker en vue d’un traitement a posteriori.

 

16 - Pourquoi les Japonais n'ont-il pas construit immédiatement un sarcophage autour de la centrale ? 

Il faut bien comprendre qu'à Fukushima, le coeur des réacteurs est toujours dans l'enceinte de confinement. Cela n'a rien à voir avec le sarcophage construit dans l'urgence à Tchernobyl et imposé par le fait que le cœur était en plein air. A Fukushima, le cœur est dans l'enceinte de confinement, même si celle-ci n'est pas entièrement étanche.  Il n'est donc pas nécessaire de construire un sarcophage.

En revanche, les bâtiments des réacteurs ayant été fortement dégradés par les explosions, il est nécessaire de réaliser autour une construction pour mettre le bâtiment endommagé à l'abri de l'atmosphère et pour permettre les opérations de décontamination et de nettoyage.
Par ailleurs, les piscines du réacteur 4 devront être renforcées. 

Note : Les notes d’informations disponibles sur le site de l’IRSN mettent à jour régulièrement les réponses à cette question.

  

17 - La centrale de Fukushima était-elle considérée comme "dangereuse" avant cette catastrophe ? 

La centrale a été dimensionnée pour résister à un séisme, et elle avait été placée sur une plate-forme de 6,50 mètres de haut par rapport au niveau de la mer. Lors du séisme très violent qui est survenu, les trois réacteurs en fonctionnement se sont arrêtés automatiquement, et ont été refroidis par les systèmes de secours normaux du réacteur.   

En revanche, une heure après cet arrêt normal est arrivée la vague du tsunami, qui a dépassé la digue de protection. C'est cette vague qui a fait perdre les circuits électriques et les moyens de refroidissement du réacteur.   

Ce que l'on peut conclure, c'est que le risque lié au séisme et au tsunami avait été pris en compte, mais que si, pour le séisme, ces dispositions semblent avoir été suffisantes, elles ne l'ont pas été pour le niveau d'eau induit par le tsunami.   

 

18 - En cas de manque d'eau dans la Loire ou par suite de tremblements de terre majeurs, pouvez-vous être certains de l'approvisionnement nécessaire en eau de refroidissement d'un réacteur, en supposant que toutes les tuyauteries soient déficientes ?  

Si le niveau d’eau de la Loire venait à baisser, ce ne serait pas immédiat et des dispositions sont prévues pour le fonctionnement des réacteurs. Si toutes les tuyauteries étaient rompues, il ne serait effectivement plus possible de refroidir le réacteur. Mais, dans les réacteurs, ces tuyauteries sont dimensionnées pour résister à un séisme.

Au Japon, lors du séisme, ces tuyauteries ont résisté car le réacteur a été refroidi normalement jusqu’à l’arrivée de la vague du tsunami. La perte de refroidissement qui en a résulté est due à la perte prolongée des alimentations électriques de la centrale (perte du réseau électrique national par les effets du séisme et perte des alimentations électriques de secours de la centrale par l’inondation due au tsunami) et à la dégradation des ouvrages de prise d’eau.

  

19 – Pourquoi n’a-t-on pas refroidi les réacteurs avec de l’azote liquide ?   

L'injection d'azote liquide risque de provoquer des réactions chimiques multiples dans les réacteurs, et également d'endommager les matériels encore en fonctionnement. 

Par ailleurs, les vapeurs qui seraient produites lors de l'interaction entre de l'azote liquide et des composants chauds pourraient être très toxiques. C'est pourquoi l'eau est privilégiée.

 

20 - Est ce que le processus de refroidissement des cœurs des réacteurs endommagés reste le même que s'ils n'avaient pas été endommagés ?

La géométrie du cœur du réacteur, après un accident ayant entrainée sa fusion, ne permet plus d’assurer son refroidissement dans des conditions satisfaisantes. De plus, la dégradation réelle des cœurs des réacteurs 1, 2 et 3 reste inconnue.   

L'exploitant maintient une injection d'eau douce en continu qui contribue à stabiliser la situation alors que la puissance à évacuer diminue progressivement. Le processus de refroidissement peut durer plusieurs mois.

Note : Les notes d’informations disponibles sur le site de l’IRSN mettent à jour régulièrement les réponses à cette question. 

 

21- Vous dites que les réacteurs de Fukushima, contrairement à Tchernobyl, ne contiennent pas de barres de graphite. Mais alors, quel est le procédé utilisé pour réguler la réaction de fission ?

Dans les réacteurs de Fukushima, la régulation de la réaction de fission est assurée par des barres de contrôle, qui sont des barres mobiles parallèles verticales qui contiennent des absorbeurs de neutrons. Ces barres de commandes contiennent des absorbants neutroniques généralement de l’acier, du carbure de bore ou un alliage d’argent, d’iridium et de cadmium. Le graphite n’est pas utilisé par les barres de commande des réacteurs à eau.

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