11.05.2011

Les événements à Fukushima-Daiichi

Le séisme sous-marin du 11 mars 2011 au large de la côte nord-est du Japon et le tsunami qui a suivi sont à l'origine d'un accident majeur à la centrale nucléaire de Fukushima-Daiichi: les systèmes de refroidissement de secours sont tombés en panne, il y a eu plusieurs explosions d'hydrogène, et des quantités importantes de rejets radioactifs ont été émises dans l'environnement. Trois réacteurs et une piscine de désactivation de combustible continuent, jusqu'à nouvel avis, d'être refroidis par voie externe.

Le présent rapport repose sur des données en partie non certifiées et sur des restitutions à partir de sources diverses. Il se limite à certains aspects techniques des événements survenus à Fukushima Daiichi. Le déroulement de l'accident dans les différents réacteurs peut être déduit de simulations et d'études de risques. Mais seule une analyse définitive permettra d'établir avec certitude le comportement effectif des réacteurs et l'étendue des dégâts.

Le quatrième plus gros séisme depuis mille ans

Un énorme séisme sous-marin a eu lieu le 11 mars 2011, à 14 h 46 (heure locale), à quelque 80 km au large de la côte nord-est de l'île japonaise principale de Honshu, à une profondeur de 32 km. Avec une magnitude de 9,0, il passe pour être le quatrième plus gros séisme survenu depuis plus de mille ans. En réponse immédiate, il a conduit quelques secondes plus tard aux arrêts automatiques de onze réacteurs nucléaires japonais. Au moment du séisme, les trois réacteurs à eau bouillante (BWR) de la Tohoku Electric Power Co. en service à Onagawa (distance par rapport à l'épicentre: env. 80 km) se sont arrêtés d'urgence. A Fukushima-Daiichi (Fukushima I) – située à quelque 150 km au sud-ouest de l'épicentre – trois des six réacteurs (des BWR eux aussi), soit les tranches 4, 5 et 6 de la Tepco (Tokyo Electric Company), étaient à l'arrêt pour des travaux de révision. Les trois autres réacteurs se sont arrêtés automatiquement. Les quatre BWR de la centrale nucléaire jumelle de Fukushima-Daini (Fukushima II) – située à environ 10 km plus au sud – se sont elles aussi arrêtées en mode automatique, tout comme le BWR de la Japan Atomic Power Co. Tokai, situé à environ 260 km au sud-ouest de l'épicentre. En plus des onze réacteurs, bon nombre de centrales à gaz et à charbon et d'usines hydrauliques se sont retrouvées découplées du réseau, détruit sur de larges portions du territoire.

Le séisme a provoqué la défaillance des trois systèmes d'alimentation électrique externes de Fukushima-Daiichi. A ce moment-là, la plupart des réacteurs concernés étaient encore indemnes, et les dispositifs diesel de refroidissement de secours s'étaient enclenchés de manière automatique. La production de chaleur par fission nucléaire a été stoppée comme prévu. Tant en direction qu'au départ du confinement primaire, l'ensemble des amenées et des conduites d'évacuation non indispensables au plan de la sécurité technique ont été fermées, assurant ainsi l'étanchéité du confinement. En raison de la désintégration des produits de fission dans le combustible, un réacteur nucléaire produit, après un arrêt d'urgence, encore 6% environ de la chaleur produite en exploitation normale; un jour plus tard, ce pourcentage n'est plus que d'environ 1% et au bout de cinq jours, de 0,5%. Cette chaleur de désintégration ne pose normalement aucun problème, à condition bien sûr que le cœur du réacteur puisse être refroidi conformément au protocole.

Des vagues de 14 m de haut

Le séisme du 11 mars a entre-temps déclenché un tsunami (mot japonais pour «vague portuaire»). A 15 h 41 (heure locale), une déferlante de 14 m a frappé de plein fouet la centrale nucléaire de Fukushima-Daiichi, implantée directement à la côte, à environ 10 m au-dessus du niveau de la mer. Les dispositifs de protection contre les inondations n'ayant été conçus que pour une hauteur maximale de 5,7 m, le tsunami a immergé les tranches 1, 2, 3 et 4 jusqu'à une hauteur de 5 m. Dans les tranches 5 et 6 situées toutes deux légèrement en amont, le niveau de l'eau a atteint 1 m environ. Servant au refroidissement des installations, les pompes d'eau de mer à l'entrée des canaux d'amenée d'eau ont été complètement inondées, au même titre que les diesels de secours dans les bâtiments des turbines situés entre les réacteurs et la côte. Les générateurs diesel ont probablement été submergés parce que de l'eau a pénétré dans les bâtiments des turbines après avoir emprunté des fosses souterraines. Les six tranches sont équipées chacune de deux générateurs diesel, la tranche 6 étant en outre dotée d'un groupe turbogénérateur refroidi par air. Pour parer aux pannes des générateurs diesel, les réacteurs 2 à 6 de Fukushima-Daiichi sont dotés d'un mécanisme qui, à l'aide de pompes à vapeur, prélève de l'eau dans la piscine de condensation du confinement primaire – l'enceinte humide (wettwell) – pour l'acheminer vers la cuve du réacteur afin de la refroidir ou, du moins, empêcher une hausse de la température. Même s'il repose sur un fonctionnement à la vapeur, ce processus a besoin d'électricité. Dans le cas de Fukushima-Daiichi 2 à 6, le courant nécessaire est produit par des batteries. Pour que le système soit opérationnel, la température dans la piscine de condensation doit être inférieure à 100° C.

Défaillance du refroidissement de secours

Le 11 mars, à 16 h 36, la pompe électrique de refroidissement de secours de la tranche 1 est tombée en panne, les batteries étant à plat, suivie par une panne de la pompe de secours à vapeur dans la tranche 3, le 13 mars, vers 3 heures du matin, due à l'épuisement des batteries pour le courant de commande. La pompe de la tranche 2 a été endommagée le 14 mars, à 13 h 25.

Faute de toute forme de refroidissement, la chaleur de désintégration fait évaporer l'eau de la cuve du réacteur en y faisant grimper progressivement la pression, d'où une évacuation automatique de la pression dans le wetwell. Plus l'évaporation est importante, plus les assemblages combustibles commencent à pointer hors de l'eau. Or lorsque des assemblages du type Fukushima sont dénudés sur deux tiers de leur longueur, la température à la surface des crayons combustibles grimpe à 900° C et les gaines commencent à se dégrader. A 1200° C, l'alliage de zirconium des gaines entre en réaction chimique avec la vapeur d'eau. Lors de cette réaction dite exothermique, l'oxygène contenu dans l'eau provoque l'oxydation du zirconium, tandis que la température continue de grimper et qu'il se forme de l'hydrogène. Ce gaz peut s'échapper librement et, après être passé de l'enceinte humide à l'enceinte sèche dans le confinement primaire, pénétrer dans le bâtiment réacteur, où il peut former un gaz détonant hautement explosif avec l'oxygène contenu dans l'air.

Les confinements des tranches 1, 2 et 3 de Fukushima-Daiichi se sont en quelque sorte transformés en cocottes-minute. La pression y est montée à 8 bar, alors qu'ils sont conçus pour résister à 5 bar.

Evacuations de la pression suivies d'explosions d'hydrogène

D'entente avec l'autorité de surveillance japonaise Nisa (Nuclear and Industrial Safety Agency), les équipes de la Tepco ont procédé dans les trois tranches à des évacuations contrôlées de la pression les 12 et 13 mars, cela afin de prévenir des dommages majeurs aux confinements. Cette opération, qui a ramené la pression intérieure en dessous de 4 bar, n'a toutefois pas manqué de relâcher dans l'environnement les substances radioactives retenues dans le confinement, tandis que la concentration d'hydrogène dans les bâtiments réacteurs a continué à grimper. D'où les explosions d'hydrogène à la tranche 1 le 12 mars, puis le 14 mars à la tranche 3; elles ont touché les étages de service au-dessus des confinements, endommageant gravement les enceintes extérieures des bâtiments réacteurs. Les constructions en béton armé entourant les réacteurs ont résisté. Une explosion moins importante a eu lieu le 15 mars dans la tranche 2; elle n'a pas causé de gros dégâts au bâtiment réacteur mais a endommagé le confinement primaire, ce qui a provoqué d'importants rejets de substances radioactives.

Au moment du séisme, la tranche 4 se trouvait à l'arrêt pour des travaux de révision, ses 1331 assemblages combustibles ayant été déposés dans la piscine de désactivation qui contenait ainsi plus de 80% de combustible irradié. D'où la production d'une grosse chaleur résiduelle. L'amenée d'eau fraîche étant, ici encore, tombée en panne, l'eau de la piscine s'est évaporée, dénudant la partie supérieure des assemblages au bout de quelques jours. Les structures des crayons se sont disloquées et une partie du combustible s'est mise à fondre. Le même 15 mars, un incendie a éclaté dans la zone de la piscine et il est probable qu'une explosion a détruit l'enceinte du bâtiment réacteur.

Les bâtiments étant endommagés, les substances radioactives se sont échappées pour ainsi dire librement des tranches 1, 3 et 4 dans l'environnement. Des rejets plus importants encore ont été enregistrés lorsque le 15 mars, en raison du refroidissement insuffisant, l'eau s'est mise à bouillir non seulement dans la piscine de stockage de combustible de la tranche 4 mais aussi à la tranche 3, endommageant ainsi les assemblages qui s'y trouvaient stockés.

Les tranches 5 et 6 étaient elles aussi arrêtées le 11 mars pour des travaux de révision. Aussi bien les réacteurs que les piscines de désactivation contenaient des assemblages combustibles: il y a eu une hausse provisoire des températures, mais avant que la situation ne se dégrade, un générateur diesel et donc le refroidissement ont pu être remis en marche le 20 mars.

Maîtrise technique de l'accident

Pour assurer le refroidissement des réacteurs et des piscines de désactivation, Tepco a pris la décision de pomper de l'eau dans les systèmes des réacteurs et d'arroser de l'extérieur les confinements et les piscines de désactivation. Seule l'eau de mer était au départ disponible. Au terme d'une interruption de près de 28 heures de l'amenée d'eau vers le réacteur de la tranche 1, Tepco a lancé l'opération dans la soirée du 12 mars. Le cœur du réacteur avait entre-temps atteint des températures de 2700° C, suffisantes pour déclencher la fusion du cœur et la formation d'un magma – le corium – au fond de la cuve du réacteur. Le refroidissement du réacteur 2, interrompu pendant trois heures environ, a débuté le soir du 14 mars avec de l'eau de mer. Selon les estimations, la température maximale y aurait atteint les 2500° C et disloqué les crayons combustibles. La tranche 3 a dû se passer de refroidissement pendant 8 heures environ, jusqu'à ce que l'apport d'eau de mer commence le 13 mars, peu après midi. La température maximum y aurait atteint les 1800° C, entraînant la fonte des parties en métal et en acier spécial des structures des assemblages. La piscine de désactivation de la tranche 4 a elle aussi été refroidie à l'eau de mer. Une machine à projeter du béton a été utilisée à cette fin dès le 22 mars.

De l'eau douce en lieu et place d'eau de mer

Le remplissage des réacteurs avec de l'eau de mer a formé des dépôts de sel sur les assemblages combustibles, dépôts constituant un frein supplémentaire à l'évacuation de la chaleur. C'est pourquoi les équipes d'intervention lui ont préféré l'eau douce pour refroidir les réacteurs 1 à 3 dès qu'elle est redevenue disponible le 25 mars. Dès le 1er avril, elles ont aussi utilisé de l'eau douce exclusivement pour refroidir les piscines de désactivation du combustible usé près des réacteurs et dans le dépôt central de stockage intermédiaire.

En parallèle aux mesures de refroidissement, les équipes de la Tepco se sont attachées à remettre en état l'alimentation électrique externe. La centrale a pu être recouplée au réseau électrique le 20 mars, et le 2 avril, les six tranches étaient à nouveau alimentées en externe. Les pompes d'incendie mobiles, utilisées jusque-là pour acheminer de l'eau dans les réacteurs, ont dès lors pu être remplacées par des pompes électriques. Les dégâts dus à l'inondation ont toutefois empêché la remise en service des pompes des réacteurs.

Par l'arrosage des réacteurs et des piscines de stockage, de grandes quantités d'eau contaminée se sont échappées dans les sous-sols des bâtiments réacteurs et des salles des machines et s'y sont accumulées. C'est par des fissures et des fuites causées par le séisme que des eaux hautement radioactives se sont déversées en grande quantité dans la mer en empruntant des puits et des canaux. La plus grosse fuite d'eau très fortement contaminée a été découverte au bout de quatre jours de recherches dans une fosse près de la tranche 2. Elle a été colmatée le 6 avril.

Etat actuel

A l'heure actuelle, l'eau hautement radioactive qui s'est accumulée dans les sous-sols et dans les bâtiments des turbines des tranches 1 à 3 de Fukushima-Daiichi est pompée vers d'autres parties de l'installation, où elle sera stockée jusqu'à sa décontamination. Cela donnera accès aux réacteurs pour les travaux de remise en état. Le confinement endommagé de la tranche 2 doit être réparé avant le rétablissement des dispositifs usuels de refroidissement. De l'hydrogène est pompé depuis le 6 avril hors du confinement de la tranche 1 pour éviter les nouvelles explosions. Ces mesures n'étaient pas encore achevées le 4 mai 2011, date de clôture de la rédaction.

Perspectives

Il est impossible de prédire à quel moment l'installation pourra être inspectée ni quand on pourra dresser un bilan exhaustif des dégâts. La Tepco a publié un train de mesures qui s'étend sur six mois.

On peut d'ores et déjà admettre que les dispositifs parasismiques ont été suffisants, même dans le cas de ce séisme dont la magnitude a dépassé de 25% les accélérations admises dans le dimensionnement. Il est plus que probable que le tsunami est seul responsable des dommages étendus ayant empêché le refroidissement ponctuel et suffisant des assemblages combustibles dans les réacteurs et dans les piscines de stockage. Fukushima-Daiichi a en effet été conçue pour résister à une vague de 5,7 m de haut, alors que la déferlante du 11 mars a atteint une hauteur de 14 m.


M.Re./P.V. d'après VGB Powertech «Earthquake and Tsunami in Japan on March 11, 2011 and Consequences for Fukushima and other Nuclear Power Plants»; le rapport du 5 mai 2011 de l'Inspection fédérale de la sécurité nucléaire et divers communiqués de presse de la Tepco, de la Nisa ainsi que des informations du Japan Atomic Industrial Forum, de Kyodo News et de NHK World