Le corium de Fukushima (2) : effets et dangers

12 août 2011 5 12 /08 /août /2011 10:03

Le corium de Fukushima (2) : effets et dangers

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« Le corium de Fukushima ».

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Sommaire

Le corium de Fukushima

partie 1 : description et données
1. Définition du corium
2. Matière de tous les extrêmes
3. Quand le corium de Fukushima s’est-il formé ?
4. Combien de tonnes de combustible ont fondu ?
5. Aspect et composition du corium
6. Progression du corium

partie 2 : effets et dangers
7. Que se passe-t-il quand le corium rencontre du béton ?
8. Que se passe-t-il quand le corium rencontre du métal ?
9. Que se passe-t-il quand le corium rencontre de l’eau ?
10. Que veulent dire les termes « Melt-down », « Melt-through » et « Melt-out » ?
11. Possibilité de contenir le corium
12. Dangers du corium

7. Que se passe-t-il quand le corium rencontre du béton ?
Au contact du corium, le béton se vitrifie puis se décompose et ce, de plus en plus vite au fur et à mesure de l'augmentation de la masse qui s’accumule au même endroit. Un béton siliceux a un point de fusion à 1300°C. Un corium à 2800°C le transforme ainsi en divers gaz et aérosols : chaux vive (CaO), silice (SiO₂), eau et gaz carbonique, mais aussi monoxyde de carbone et hydrogène qui peut être produit en de grandes quantités à cette occasion.
La chaux vive, à l’état solide, réagit habituellement avec l’eau en produisant de la chaleur et de la chaux éteinte (Ca(OH)₂). Il est probable que des phases de condensation de la chaux entretiennent ainsi la chaleur du corium.
Du tellure est aussi relâché au fur et à mesure de la décomposition du tellurure de zirconium.

Tous ces produits, entre autres, se mélangent donc et interagissent continuellement, alimentant l’énergie du magma.
L'interaction corium-béton comme celui du bouclier inférieur de Fukushima Daiichi produit une fulgurite au point d'attaque, c'est-à-dire que le béton se vitrifie et forme un tube ‒ dont la structure cristalline est proche de celle des céramiques ‒ et se désolidarise du reste de la masse de béton car sa structure moléculaire est différente. Ensuite cette fulgurite, d'un diamètre de quelques centimètres à quelques dizaines de cm selon la masse de corium, peut servir de conduit pour le reste de la masse en fusion. La structure moléculaire des fulgurites procure à celles-ci une faible conductivité thermique et de ce fait, le reste de la masse de béton ne peut pas ou plus agir comme dissipateur thermique.

405px-Graphic TMI-2 Core End-State Configuration

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8. Que se passe-t-il quand le corium rencontre du métal ?
Il y a peu de métaux qui résistent à des températures de 2500 à 3000°C. De plus, ces métaux sont rares et ne possèdent pas les propriétés mécaniques de l’acier. C’est pourquoi les cuves des réacteurs sont toujours fabriquées en acier. Tout va bien si la température est maîtrisée. Mais en cas de panne du système de refroidissement, la cuve peut subir de graves dommages causés par la montée de la température et de la pression. Le point de fusion du fer étant à 1538°C, on peut comprendre pourquoi une cuve ne résiste pas longtemps à un corium puissant comme celui de Fukushima.

Par ailleurs, dans une atmosphère inerte, l'alliage argent-indium-cadmium provenant des barres de contrôle produit du cadmium. En présence d'eau, l'indium forme les instables oxydes d'indium et hydroxyde d'indium qui s'évaporent et forment un aérosol. L'oxydation de l’indium est inhibée par une atmosphère riche en hydrogène. Le césium et l'iode des produits de fission volatiles réagissent pour produire l'iodure de césium, qui se condense aussi sous forme d'aérosols.
Le bain de corium est donc un milieu multiconstituant et multiphasique (liquide, solide, gaz) dont la composition et les propriétés physiques évoluent constamment au cours de ses interactions avec les éléments de son environnement.

9. Que se passe-t-il quand le corium rencontre de l’eau ?
L’eau est « craquée » à partir de 850°C par thermolyse, ce qui signifie qu’elle subit, à cause de la chaleur, une réaction de décomposition chimique en deux éléments : l’oxygène et l’hydrogène. Dans le même temps, l’eau subit une radiolyse, qui est le « craquage » de la molécule d’eau par la forte radioactivité, en donnant des radicaux libres d’hydrogène et d’hydroxyde. Dans les deux cas, en expérimentation, on constate autour du corium la formation d’une bulle de gaz formée d’hydrogène, d’oxygène et de vapeur, plus ou moins importante suivant la quantité de corium, son activité et sa température. De ce fait, l'eau n’est jamais vraiment en contact avec la masse en fusion.
La radiolyse et la thermolyse participent à la perte d'énergie du corium sur le long terme mais pas à un refroidissement à proprement parler, sauf à partir du moment où le corium a perdu son état de criticité.

Vapeur fortement radioactive

du réacteur 1

(début juin 2011)

10. Que veulent dire les termes « Melt-down », « Melt-through » et « Melt-out » ?
On rencontre parfois ces mots dans les articles concernant la fonte des cœurs de réacteurs nucléaires. Ce sont des mots anglais qui n’ont pas d’équivalents en français.

« Melt-down » (ou « Meltdown ») est un terme général faisant référence à la fusion d'un cœur de réacteur nucléaire à la suite d'un grave accident nucléaire. Lors de cet évènement, les barres de combustible fondent et s’effondrent sur elles-mêmes. Si le refroidissement n’est pas rétabli suffisamment tôt, elles se retrouvent dans le fond de la cuve sous la forme d’un corium.

Le « Melt-through » est la suite logique du « Melt-down ». Suite à la fusion du cœur d’un réacteur nucléaire et du percement de la cuve, ‒ le met-through de la cuve du réacteur peut prendre de quelques dizaines de minutes à plusieurs heures ‒ le corium peut poursuivre son avancée en traversant le fond de l’enceinte de confinement. S’il n’est pas étalé, refroidi ou piégé dans une cavité prévue à cet effet, il arrive finalement à perforer la dalle de béton de base du réacteur.

Animation du ministère de l’Industrie du Japon sur le Melt-through dans un réacteur du type de Fukushima.

Le « Melt-out » correspond à la phase finale de cet accident majeur. Le combustible fuit à l’extérieur des différentes barrières de confinement des réacteurs, soit la cuve du RPV et l’ampoule du Drywell : il atteint le sol géologique, continue sa descente ‒ plus ou moins rapidement selon la nature du terrain ‒ et diffuse une forte radioactivité dans l’environnement. Il est probable que l’on doive ce nouveau mot à Hiroaki Koide, de l’Université de Kyoto, car l’expression semble apparaître pour la première fois dans un article rapportant ses propos. Ce phénomène est aussi connu sous le nom de « syndrome chinois », en référence à des travaux évoqués pour la première fois par le physicien Ralph Lapp en 1971 (7), mais surtout à un film catastrophe sorti quelques jours avant l’accident de Three Mile Island. A ce propos, il est peu probable que le corium puisse rejoindre le magma, et de toute manière impossible qu’il puisse dépasser le noyau terrestre.

11. Possibilité de contenir le corium
Comme le souligne la synthèse R&D relative aux accidents graves dans les réacteurs à eau pressurisée : Bilan et perspectives (2006, IRSN-CEA), « il n’est pas possible, sur la base des résultats des essais réalisés (…), de conclure actuellement quant à la possibilité de stabilisation et de refroidissement d’un bain de corium en cours d’ICB [interaction corium-béton] par injection d’eau en partie supérieure. Les progrès dans ce domaine sont malaisés du fait des difficultés technologiques (effets de taille, ancrage de croûte, représentativité du mode de chauffage, …) auxquelles se heurte la réalisation d’essais en matériaux réels à une échelle suffisamment grande. »
Donc pour ce qui concerne le corium, l’arrosage des réacteurs de Fukushima est bien une mesure de pis-aller. En fait, l'eau apportée n'est pas destinée à refroidir l'ensemble du cœur initial mais à maintenir en place le corium résiduel. Celui-ci, dont la masse réduite n’engendre plus de criticité, peut en effet être refroidi.

Vidéo d’un corium

contenu dans un creuset :

expérience du CEA

diffusée par l’IRSN

http://www.irsn.fr/FR/popup/Pages/Experience_Vulcano.aspx

Le pire des cas serait un corium qui s’engouffrerait ou s'enfermerait dans le béton ou le sol, ce qui non seulement offrirait la meilleure forme possible pour conserver son intégrité, augmenterait le nombre de neutrons récupérés, mais en plus, la masse deviendrait, de facto, inaccessible, ce qui le rendrait impossible à refroidir.
C’est ce cas de figure qui semble se produire actuellement à Fukushima pour au moins l’un des réacteurs (n° 1). D’où l’idée de construire une enceinte souterraine qui limiterait la dissémination de la radioactivité dans le sol. Mais Tepco, entreprise privée exsangue, ne paraît pas être pressée de protéger l’environnement car ce projet, s’il était soumis aux actionnaires, ne serait sans doute pas accepté car trop coûteux.
Lors de l’accident de Tchernobyl, les Soviétiques n’avaient pas hésité à construire une dalle de béton sous le réacteur pour empêcher la descente du corium. Pourquoi les Japonais n’ont pas fait la même chose ? Peut-être à cause du coût, peut-être à cause de la présence de l’eau, peut-être parce que c’était trop tard ?

12. Dangers du corium

Les dangers du corium sont nombreux et vont s’inscrire malheureusement dans la durée. D’où l’absence de communication de Tepco sur le sujet…

Le premier danger est la formation d’hydrogène. On connaît bien le danger de ce gaz qui a provoqué les explosions dans bâtiments des 4 premiers réacteurs au cours des premiers jours de la catastrophe. C’est ainsi que l’hydrogène, l’élément le plus simple et le plus abondant de l’univers, est aussi le gaz le plus redouté dans l’industrie nucléaire.

Or le corium, une fois constitué, continue à en fabriquer. On a vu plus haut comment : en craquant l’eau par thermolyse et par radiolyse, mais aussi lors de la vaporisation du béton. C’est pourquoi Tepco injecte régulièrement de l’azote dans les réacteurs, afin d’atténuer les effets explosifs de l’hydrogène en présence d’oxygène. Une nouvelle explosion pourrait être catastrophique, car les bâtiments ont déjà beaucoup souffert ‒ en particulier le n° 4 dont la structure est devenue instable ‒ et les piscines de combustible usé sont perchées à plus de 20 mètres de hauteur. Ce serait donc véritablement un désastre si l’une d’elle venait à lâcher.

Le deuxième danger est précisément la faculté qu’a le corium de fragiliser le béton. Dans le cas où il y a Melt-through, le corium le traverse sans problème, mais son action va avoir une conséquence sur la solidité des fondations : lors du refroidissement de la fulgurite, il se produit un changement de phase qui a la particularité de produire une forte augmentation de volume ; ainsi les parois de béton en contact, mais désolidarisées mécaniquement des fulgurites, sont détruites par effet de compression. On peut donc s'attendre, avec le refroidissement du bouclier inférieur dans les mois à venir, à une destruction d'éléments massifs de la structure en béton de soutènement, ce qui pourrait avoir plusieurs effets négatifs : fragilisation des bâtiments réacteurs et apparition de failles supplémentaires où l’eau hautement radioactive utilisée continuellement pour le refroidissement pourrait s’échapper dans l’environnement, accentuant la pollution.

Un troisième danger a longtemps été évoqué dans les premières semaines de la catastrophe : la possibilité d’une explosion de vapeur. Le corium, dans sa descente souterraine, pourrait rencontrer une masse d’eau qui, sous la chaleur du magma, la transformerait immédiatement en vapeur qui, avec la pression engendrée, provoquerait une énorme explosion si l’eau n’est pas dans un milieu ouvert. C’est ce que redoutaient déjà les soviétiques à Tchernobyl ; pour éviter ce grave danger, ils avaient vidé la piscine de suppression de pression avant que le corium ne l’atteigne. A Fukushima, on peut se demander si le même scénario ne s’est pas produit car le 4 avril, Tepco a commencé à vider 11 500 tonnes d’eau. Le porte-parole du gouvernement, Yukio Edano, annonçait à l’occasion : « Nous n'avons pas d'autre choix que de rejeter cette eau contaminée dans l'océan comme mesure de sécurité » (8). Quant au porte-parole de Tepco, il pleurait en annonçant la nouvelle. Pleurait-il parce qu’il déversait de l’eau faiblement radioactive dans la mer ou parce qu’il savait que le corium allait définitivement être perdu ? Dans cette hypothèse, le corium (de quel réacteur ?) aurait mis plus de trois semaines pour atteindre les sous-sols de la centrale.

Quant à la possibilité de rencontrer brutalement une masse d’eau naturelle, cela est peu probable. En effet, une nappe phréatique n’est pas un lac souterrain, mais une masse d’eau répartie dans le sol entre les éléments le constituant. Si le corium traverse cette nappe, il ne rencontrera pas suffisamment d’eau à la fois pour provoquer une explosion. Cela provoquera en revanche des jets de vapeur, voire des geysers, qui pourront apparaître n’importe où à la surface, passant dans les failles et les interstices du sol. Et cela constitue le quatrième danger, celui de la contamination de l’environnement. L’eau, au contact avec le corium, se charge d’uranium, de plutonium, de cobalt, de césium, etc. à des niveaux extrêmement élevés et se trouve donc fortement contaminée. Si elle parvient à sortir de terre, la pollution se propagera dans l’atmosphère sous forme de vapeurs, de gaz ou d’aérosols radioactifs. Si la vapeur se condense dans le sol, elle polluera irrémédiablement le sol, et les radionucléides rejoindront inévitablement la nappe phréatique.

Un autre grand danger, le cinquième, est celui que le corium rencontre la nappe aquifère en relation avec la mer. Après tout, les réacteurs ne sont situés qu’à 200 mètres du rivage, et les sous-sols des bâtiments réacteurs sont clairement en dessous du niveau de la mer, comme cela apparaît dans un plan du METI (Ministère de l’économie, du commerce et de l’industrie). Donc si un corium a réellement traversé le radier, il s’est probablement trouvé en contact avec un niveau géologique en relation avec l’océan, car la centrale est construite sur des roches sédimentaires de type « grès », assez perméable à l’eau car souvent fracturé. Or, une contamination continue de la mer durant des dizaines d’années pourrait créer des dommages considérables pour l’ensemble du littoral oriental de l’archipel.

On a aussi également beaucoup parlé dans les forums d’un risque d’explosion nucléaire, hypothèse qui a été reprise dans quelques articles. Le terme d’« explosion nucléaire » avait déjà été employé de manière incorrecte dans les médias pour des explosions d’hydrogène. En fait, dans une centrale nucléaire, une explosion n’est pas forcément nucléaire. En revanche, une explosion d’hydrogène dans une centrale nucléaire rejette de la radioactivité dans l’environnement. Même s’il reste de grandes interrogations sur la nature des explosions de l’unité 3, il ne faut pas faire d’amalgame.

En octobre 1999, un accident de criticité a eu lieu au Japon à Tokaï-Mura : lors d’une phase de mélange de composants, le dépassement de la masse critique d’uranium enrichi avait déclenché un « début d'explosion atomique » (9). Pour autant, les défenseurs de l’énergie nucléaire ont toujours affirmé qu’une centrale nucléaire ne pouvait pas exploser comme une bombe atomique. Il y a du vrai et du faux. Une explosion nucléaire implique un emballement de la réaction en chaîne. Or cet emballement peut être plus ou moins important. Quand il est important, c’est que le combustible est très pur et très enrichi. On ne rencontre ça que dans une bombe. Dans une centrale nucléaire en fonctionnement normal, le combustible peut être sujet à un emballement suite à une erreur de manipulation ou une panne du système de refroidissement, mais il ne donnera jamais une explosion atomique du type bombe A car l’environnement, les taux et la nature des combustibles ne le permettent pas. En revanche, cet emballement, même minime, peut conduire à une explosion nucléaire ‒ sixième danger ‒ mais à des niveaux d’énergie comparable à celle des explosions conventionnelles, c’est-à-dire des millions de fois plus petite qu’une explosion nucléaire militaire (10).

En outre, il reste encore une grande inconnue, c’est le comportement des différents coriums engendrés par la catastrophe du 11 mars. Ils ont chacun des masses et des compositions différentes, selon ce qu’il y avait au départ dans chaque réacteur et ce qu’ils ont « mangé » sur leur passage. La modélisation de l’activité de coriums d’une aussi grande masse n’a jamais été réalisée, et l’accident de Fukushima devient une « expérience », sauf que cette expérience se fait et se fera dans un milieu non confiné aux dépens de la population japonaise au premier chef, mais aussi de la population mondiale puisqu’elle est partie pour durer des dizaines d’années. L’idée défendue par le milieu nucléaire de se servir du retour d’expérience de Fukushima pour réaménager le parc nucléaire mondial existant est donc un leurre puisque l’on ne connaîtra réellement ce qui s’est passé que dans des décennies. D’où l’utilité de réclamer en urgence un moratoire sur l’emploi de l’énergie nucléaire, au moins pour les centrales les plus vieilles, afin de ne plus prendre le risque d’une telle catastrophe.

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(7) LAPP (Ralph E.), “Thoughts on nuclear plumbing”, The New York Times, 12 déc. 1971, p. E11.

(8) Source : « Fukushima : 11.500 tonnes d'eau radioactive à la mer », Le Figaro, 5 avril 2011.

(9) Source : « Tokaï-Mura.1999 : Un accident de criticité au Japon », site La radioactivité.com

(10) Source : « Une centrale nucléaire peut-elle exploser comme une bombe nucléaire ? »

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En France, il existe un laboratoire spécialement conçu pour étudier le corium : le Laboratoire d’études du corium et du transfert des radioéléments (LETR, anciennement LEPF). Celui-ci fait partie du Service d'études et de modélisation de l'incendie, du corium et du confinement (

Semic) de la Direction de prévention des accidents majeurs (DPAM). Situé sur le centre de recherches de Cadarache, dans sud-est de la France, il est dirigé par Didier Vola.
L’étude du corium en fusion est donc en lui-même un domaine de recherche : des programmes d’essais sont organisés : MASCA (thermochimie du corium), FOREVER, ou VULCANO (écoulement du corium), LHF (percement de la cuve), QUENCH (renoyage du corium), ainsi que tous les tests portant sur le refroidissement du corium hors cuve. Voici quelques liens pour ceux qui veulent approfondir le sujet :

http://www-lgit.obs.ujf-grenoble.fr/users/peyrotm/documents/rapportCEA.pdf
http://gsite.univ-provence.fr/gsite/Local/sft/dir/user-3775/documents/actes/Congres_2007/communications/134.pdf
http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00001391/
http://www.irsn.fr/FR/Larecherche/publications-documentation/aktis-lettre-dossiers-thematiques/RST/RST-2005/Documents/F5RST05-3.pdf
http://www.sar-net.org/upload/s2-presentationoverviewcoriumbonnet.pdf
http://www.irsn.fr/FR/Larecherche/Formation_recherche/Theses/Theses-soutenues/DPAM/Documents/2010-these-introini.pdf
http://www.irsn.fr/FR/Larecherche/publications-documentation/Publications_documentation/BDD_publi/DSR/SAGR/Documents/rapport_RetD_AG_VF.PDF