Pourquoi les enceintes des réacteurs de Fukushima ont explosé

Explications concernant les explosions d’hydrogène dans les réacteurs et les piscines d’entreposage de combustible usagé

Les explosions des réacteurs n°1 et 3 sont dues à des causes similaires. Lorsqu’un un incident survient dans une centrale nucléaire, telle une perte de refroidissement ou d’alimentation électrique, la première réponse est généralement de dépressuriser le réacteur.

Cette opération est effectuée en ouvrant les valves de dépressurisation de l’enceinte du réacteur. Le mélange eau/vapeur va ensuite s’écouler dans une piscine de dépressurisation, qui, pour la conception d’un réacteur, a la forme d’une tore (terme technique pour un donut). En expulsant la vapeur bouillante dans la piscine de dépressurisation, une partie de cette vapeur est condensée en phase liquide, ce qui aide à maintenir une pression basse dans le confinement.

La pression dans l’enceinte du réacteur est réduite par la ventilation du mélange eau/vapeur. Il est beaucoup plus simple de pomper de l’eau dans l’enceinte lorsque la pression est réduite, facilitant ainsi le refroidissement du combustible. Cette procédure était bien en route après le séisme, malheureusement, à cause de l’énorme magnitude de celui-ci, un tsunami d’égale importance a été créé.

Ce tsunami a désactivé les groupes électrogènes sur place ainsi que le poste électrique extérieur. Sans électricité pour faire fonctionner les pompes et évacuer la vapeur, la température dans l’enceinte du réacteur a commencé à s’élever.

Avec l’augmentation de la température de l’eau au sein du cÅ“ur, une partie de celle-ci a commencé à se vaporiser et a finalement exposé certains des crayons de combustible. Les crayons possèdent d’une gaine de protection composée d’un alliage de Zirconium. Si le zirconium est suffisamment chaud et en présence d’oxygène (fourni par la vapeur ambiante), il peut alors subir une réaction qui produit de l’hydrogène sous forme de gaz. Une concentration d’hydrogène supérieure à 4 % est hautement inflammable s’il est associé à de l’oxygène ; néanmoins, ce n’est pas le cas s’il est aussi en présence de beaucoup de vapeur.

Au fur et à mesure, la pression dans le confinement a augmenté jusqu’à un niveau bien plus élevé qu’habituellement. Le confinement représente la plus importante barrière face au relâchement d’éléments radioactifs dans l’environnement, et devrait être maintenu à n’importe quel prix. La réponse planifiée face à un tel événement est de libérer une partie de la vapeur dans l’atmosphère, simplement pour conserver la pression sous contrôle.

Ce qui s’est exactement passé par la suite n’est pas corroboré ; néanmoins, ce qui suit est l’explication générale la plus probable pour l’explosion. Il a été décidé d’évacuer la vapeur via un circuit menant à l’espace au-dessus et à l’extérieur du confinement, mais à l’intérieur du bâtiment abritant le réacteur. À ce moment, la vapeur et l’hydrogène gazeux ont été mélangés à l’air présent dans la partie supérieure du bâtiment. Ce mélange n’était  pas encore explosif car une grande quantité de vapeur était toujours présente au côté de l’hydrogène et de l’oxygène (de l’air).

Néanmoins, le sommet du bâtiment était significativement plus froid que l’intérieur du confinement du fait de la météo extérieure. Cette situation a provoqué la condensation d’une partie de la vapeur, concentrant davantage le mélange hydrogène/air. Ce processus a probablement duré pendant une longue période de temps, et à un certain point une source d’allumage (tel une étincelle provenant d’un équipement électrique) a déclenché l’explosion qui a été constatée dans les réacteurs n°1 et 3. Les toits des bâtiments ont été sévèrement endommagés, mais la structure de confinement n’a montré aucun signe de dégâts.

Juste après les explosions, des pics de radiation ont été détectés à cause de la présence de matériaux radioactifs dans la vapeur. Lorsque le gainage en alliage de zirconium a réagi pour créer l’hydrogène, il a également libéré des produits de fission. La grande majorité des matériaux radioactifs du combustible sont restés dans celui-ci, cependant, certains de ces produits de fission sont des gaz nobles (le xénon (Xe) et le krypton (Kr)) et ceux-ci quittent immédiatement les crayons de combustible lorsque l’intégrité du gainage est compromise.

Heureusement, le xénon et le krypton ne présentent pas de risque radiologique sérieux car ils sont chimiquement inertes et ne réagissent ni avec les humains,  ni avec les plantes. De plus, de petites quantités d’iode (I) et de césium (Cs) peuvent être entraînées avec la vapeur.

Lorsque la vapeur a été libérée dans le bâtiment du réacteur, le xénon et l’argon ont donc suivi ainsi que de petites quantités d’iode et de césium. Par conséquent, lorsque le toit du bâtiment a été endommagé, les radioisotopes contenus dans celui-ci ont été également relâchés. C’est là la raison du pic soudain du niveau de radiation. Ces radiations plus grandes ont rapidement diminuées parce que le confinement n’avait aucun dommage, ce qui aurait sinon augmenté les quantités de radioisotopes relâchées, et parce que les radioisotopes libérés durant l’explosion se sont rapidement désintégrés ou dispersés.

Explosion dans le réacteur n°2

Des informations récentes indiquent que le réacteur n°2 pourrait souffrir d’une brèche de son confinement. Le relâchement de pression du réacteur n°2 a été compliqué par une valve de dépressurisation défaillante, ce qui a rendu plus difficile l’injection d’eau de mer et l’évacuation de la vapeur et de l’hydrogène. Il a été signalé que les crayons ont été complètement exposés (hors de l’eau) deux fois.

Les explosions signalées hier dans le réacteur n°2 ont endommagé la piscine de dépressurisation. Comme indiqué ci-dessus, la chambre/tore de dépressurisation (c-à-d l’enceinte en forme de donut contenant de l’eau) est utilisée pour diminuer la pression du réacteur. La piscine est conçue pour condenser la vapeur chaude en provenance du réacteur, mais ne peut ce faire que tant qu’elle contient suffisamment d’eau froide. Notons également que la piscine de dépressurisation fait partie du confinement primaire.

L’hydrogène gazeux, provenant de l’oxydation de la gaine des crayons au contact de la vapeur, s’est accumulé dans la piscine et s’est enflammé. Ce scénario est différent de celui des réacteurs n°1 et 3, où dans ce cas les explosions avaient eu lieu à l’extérieur du confinement primaire, dans la partie supérieure du bâtiment abritant les réacteurs.

Les raisons ayant entraîné la non libération du mélange gaz/vapeur dans le bâtiment du réacteur ne sont pas encore claires. Cette brèche dans le confinement primaire est certainement beaucoup plus grave que la situation dans les réacteurs n°1 et 3. De l’eau de mer est toujours pompée dans le confinement et dans l’enceinte du réacteur. À ce moment-ci, les relâchements d’éléments radioactifs du réacteur n°2 ont été similaires à ceux observés dans les réacteurs n°1 et 3.

Feu dans le réacteur n°4

Un feu a été signalé dans le réacteur n°4 alors que celui-ci était éteint durant le séisme et le tsunami pour un arrêt temporaire prévu. Les derniers rapports indiquent que le feu a été éteint.

Feu dans la piscine d’entreposage du combustible usagé du réacteur n°4

De récents rapports émanant de TEPCO font état qu’une fuite de lubrifiant dans une pompe de refroidissement était la cause du feu qui a brûlé pendant environ 2 heures mardi. Mercredi matin (heure locale, c-à-d CET+8), un autre feu s’est déclaré, mais il est indiqué que le feu ne se situait pas dans la piscine d’entreposage du combustible usagé. La cause en est toujours inconnue.

Les piscines d’entreposage du combustible usagé des réacteurs

Les piscines d’entreposage sont conçues pour refroidir le combustible nucléaire utilisé après leur retrait du réacteur. Le combustible nucléaire utilisé contient toujours de ma chaleur résiduelle provenant de la désintégration des produits de fission et doit donc être entreposé dans une piscine d’eau refroidie jusqu’à un traitement intermédiaire ou total.

Si le refroidissement appliqué aux piscines est insuffisant, l’eau de celles-ci bout ce qui peut potentiellement mener à l’exposition du combustible usagé. Avec l’augmentation de température, le gainage s’oxyderait avec la vapeur relâchant ainsi de l’hydrogène qui peut ensuite s’enflammer. Ceci entraînerait aussi des défaillances du combustible et une libération de gaz radioactifs tel l’iode, le césium et le strontium.

Notons que le réacteur n°4 était au repos depuis 105 jours et que le combustible dans le réacteur avait été déplacé dans la piscine d’entreposage. Les rapports tout au long de la journée indiquent que la température de la piscine d’entreposage était en augmentation.

Les rapport actuels signalent aussi que les températures des piscines d’entreposages des réacteurs n°5 et 6 augmentent également.

Plus d’informations sur le rôle des piscine d’entreposage du combustible usagé

Les piscines d’entreposage du combustible usagé (Spent Nuclear Fuel,  S.N.F.)  fait référence au combustible après que celui-ci a alimenté le réacteur. Ce combustible ressemble à du combustible neuf car il est aussi composé de pastilles solides contenus dans des crayons. La seule différence est que le S.N.F. contient des produits de fission et des actinides, tel que le plutonium, qui sont radioactifs et doivent donc être isolés.

Comme pour les crayons de combustible dans un réacteur éteint, le S.N.F. produit de la chaleur de désintégration car la plupart de la radioactivité des produits de fission et des actinides est déposée dans le combustible et convertit en énergie thermique (c-à-d de la chaleur). Par conséquent, le S.N.F. doit aussi être refroidi, mais à un niveau bien moindre que le combustible d’un réacteur récemment (moins de 12 heures) éteint car il ne produit qu’une part infime de chaleur. En résumé, le S.N.F. est entreposé pour un certain temps pour :
1/ permettre au combustible de se refroidir pendant que sa chaleur de désintégration diminue ;
2/ isoler la radiation émise.

Dans cette optique, le S.N.F. est stocké dans des piscines remplies d’eau et de grands barils où de l’air est utilisé pour refroidir les crayons. Les piscines sont souvent situées à proximité du réacteur (dans les étages supérieurs de la structure de confinement pour un R.E.B. à confinement de type Mark-1). Ces piscines sont très grandes, en général 12 mètres de profondeur (ou davantage selon la conception). Elles sont faites de béton épais, renforcé par de l’acier inoxydable.

Les assemblages de S.N.F. sont positionnés dans des casiers au fond de ces piscines, ils sont donc recouvert d’au moins 9 mètres d’eau. Ces assemblages sont souvent séparés par des plaques contenant du bore empêchant le démarrage d’une réaction en chaîne par les neutrons. La probabilité d’un tel événement est encore plus réduite car l’uranium utilisable dans le combustible a été épuisé lorsqu’il était dans le réacteur, il n’est donc plus capable d’entretenir une réaction en chaîne.

L’eau de la piscine est suffisante pour refroidir le S.N.F. et la chaleur est rejetée par un échangeur thermique, la piscine reste donc en principe à une température moyenne assez constante. La hauteur d’eau assure également que la radiation émise par le S.N.F. soit isolée à un niveau suffisant pour permettre aux gens de travailler en toute sécurité autour des piscines.

Si il y a une brèche dans la piscine ou une défaillance de l’échangeur thermique, la température de la piscine va augmenter. Si tel est le cas pendant une durée suffisamment longue, l’eau peut commencer à bouillir. Si la situation perdure, le niveau de l’eau dans la piscine peut chuter sous le sommet du S.N.F., exposant ainsi les crayons.

Cela peut constituer un problème car l’air n’a pas la capacité d’évacuer assez de chaleur provenant du S.N.F., provoquant donc le réchauffement des crayons. Si les crayons deviennent suffisamment chaud, le gainage en alliage de zirconium va s’oxyder au contact de la vapeur et de l’air, libérant de l’hydrogène qui peut ensuite s’enflammer.

Ces événements entraineraient probablement une rupture de la gaine, relâchant des produits de fission tels que l’iode, le césium et le strontium. Il est important de noter que chacun de ces processus (défaillance du système de refroidissement, ébullition de l’eau de la piscine, crayons de combustible surchauffant à l’air, réaction d’oxydation du zirconium) doivent tous durer un temps suffisamment long pour causer un accident, ce qui rend ainsi la probabilité globale d’une situation grave assez basse.

Le danger le plus significatif si un tel événement se produit est l’absence de structure de confinement (comme celle abritant le réacteur) pour entourer la piscine du S.N.F. Bien que les piscines soient en elles-même des constructions très robustes, le toit surplombant chaque piscine n’est pas aussi résistant et a pu subir des dommages, ce qui implique que la surface des piscines peut être en contact avec l’extérieur.

Tant que l’eau recouvre le combustible, il n’y a de menace directe à l’environnement, néanmoins cela permettrait une dispersion des produits de fission si un feu venait à se déclarer. Mais si le niveau de l’eau reste au-dessus du combustible, la menace d’un événement de grande dispersion reste faible.

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Source : MIT NSE Nuclear Information Hub

Cet article est la compilation et traduction des articles suivants :

http://mitnse.com/2011/03/15/explanation-of-hydrogen-explosions-at-units-1-and-3/

http://mitnse.com/2011/03/15/unit-2-explosion-and-unit-4-spent-fuel-pool-fire/

http://mitnse.com/2011/03/16/a-primer-on-spent-fuel-pools/

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Pas d’inquiétude sur le nucléaire japonais