La frontière de l'ingénierie : affronter les sans précédent

Aucune installation nucléaire n'avait jamais connu de triple fusion suivie d'un dommage explosif à l'hydrogène avant Fukushima Daiichi. La séquence d'accident, déclenchée par un tremblement de terre de magnitude 9,0 et un tsunami subséquent le 11 mars 2011, a désactivé tous les systèmes de secours de puissance et de refroidissement, entraînant la découverte de cœurs et des réactions à vapeur de zirconium qui ont produit des explosions d'hydrogène dans les unités 1, 2 et 3. Comprendre l'emplacement précis, la composition et l'état physique des débris de combustible résultant est le puzzle technique fondamental.

Dans l'unité 1, la plupart des combustibles semblent avoir sombré au fond du confinement, tandis que dans les unités 2 et 3, des portions importantes restent probablement sur les structures de soutien de base. L'Institut international de recherche pour la désaffectation nucléaire (IRID) a coordonné la cartographie détaillée de ces sites, mais l'incapacité d'obtenir des échantillons directs jusqu'à récemment a forcé les ingénieurs à se fier fortement à la modélisation informatique et aux matériaux de substitution pour la planification. Le processus de récupération exige un séquençage qui respecte la fragilité structurelle des bâtiments endommagés et la nécessité de prévenir la récriticité.

Caractérisation du Corium et la race robotique

La Tokyo Electric Power Company (TEPCO) a déployé des robots submersibles comme le « PMS » (Perimeter Monitoring System) et les sondes « MHI Mecatronics » dans les chambres de suppression des unités 1, 2 et 3 pour cartographier les compartiments inférieurs inondés. Ces robots portent des caméras, des dosimètres et des jauges d'épaisseur ultrasoniques pour évaluer l'état des réservoirs de confinement en acier et des murs en béton. Les données de ces inspections alimentent des modèles de dynamique des fluides qui simulent les distributions possibles de débris.

La méthode de récupération comprendra probablement la coupe au laser ou le cisaillement mécanique des débris de combustible dans des conditions submergées pour réduire la production de poussière. Toshiba et Hitachi-GE ont développé des prototypes de bras manipulateurs et des outils de coupe testés au Centre de développement technologique à distance de Naraha. Le processus commencera par un retrait à petite échelle de l'unité 2, qui a relativement plus de clarté en raison de l'effondrement de la structure. Les leçons tirées de ce premier gramme de matériaux extraits valideront les modèles et permettront d'augmenter jusqu'à 880 tonnes de débris de combustible dans les trois unités.

Gestion du fardeau hydrologique

Chaque jour, environ 100 mètres cubes d'eau souterraine se mélangent avec de l'eau de refroidissement injectée dans les réacteurs, devenant ainsi radioactivement contaminée. TEPCO a construit un réseau de traitement de l'eau élaboré centré sur le Système avancé de traitement des liquides (ALPS), qui enlève 62 radionucléides à l'exception du tritium. L'eau traitée est stockée dans plus de 1 000 réservoirs massifs occupant une grande partie du site. L'accumulation d'eau tritiée a conduit à la décision internationalement examinée de la libérer dans l'océan Pacifique d'une manière contrôlée et diluée, à partir d'août 2023 et devrait prendre des décennies.

D'autres stratégies de gestion de l'eau comprennent un système de drainage souterrain, une série de puits et de murs de coupure qui détournent les eaux souterraines propres autour des bâtiments du réacteur. La paroi imperméable côté terre, une barrière de sol gelé d'environ 1,5 km de long, a été achevée en 2021 pour réduire l'entrée d'eau du flanc de colline. TEPCO a également installé une paroi imperméable marine dans le port pour empêcher les fuites d'eau contaminée dans l'océan. Ces systèmes ont réduit l'afflux quotidien d'eau souterraine d'un pic initial de 400 mètres cubes par jour à des niveaux actuels d'environ 100 mètres cubes. L'effet combiné de la réduction des sources et du traitement agressif a stabilisé l'inventaire total de l'eau contaminée.

Résilience sismique et structurelle

Les bâtiments du réacteur sont gravement endommagés et leurs cadres en acier ont été affaiblis par les explosions d'hydrogène. Le site doit rester robuste face aux futurs grands tremblements de terre, qui sont attendus dans la région sismique active. Les ingénieurs ont renforcé les éléments structuraux clés avec des armatures en acier et des emplissages en béton, et ont installé des systèmes de surveillance à distance qui mesurent continuellement l'inclinaison, la tension et l'accélération sur plus de 500 capteurs. L'enlèvement du combustible usé du réservoir de combustible usé de l'unité 4 – achevé en décembre 2014 – a été une opération à fort coefficient parce que tout tremblement aurait pu déstabiliser le bâtiment compromis.

Par exemple, la machine de manutention du combustible pour la piscine de l'unité 3 est montée sur des roulements de caoutchouc au plomb qui le découplent du mouvement du bâtiment pendant un tremblement de terre. La grue de manutention du fût de combustible usé du bâtiment de stockage du combustible usé commun intègre également des amortisseurs. La surveillance en temps réel alimente les données dans un système d'analyse central qui peut déclencher l'arrêt automatique des opérations de récupération si l'accélération du sol dépasse un seuil prédéfini.

L'équilibre des livres : le calcul coût-avantages

L'application d'une analyse coûts-avantages formelle à une remise en état des catastrophes nucléaires est controversée parce que de nombreux avantages — l'évitement des cancers latents, le rétablissement de la confiance de la collectivité et la prévention des dommages écologiques — sont difficiles à monétiser.

L'étiquette de prix croissant de récupération

L'estimation officielle du Ministère de l'économie, du commerce et de l'industrie (MITI) en 2016 a fixé les coûts totaux de déclassement, de compensation et de décontamination à environ 21,5 milliards de yens (environ 190 milliards de dollars à l'époque).Depuis, de nouveaux défis dans la récupération des débris de combustible et la gestion de l'eau ont poussé ce chiffre à 23 milliards de yens. Ces sommes sont réparties en trois catégories : déclassement des réacteurs (8 billions de yens), décontamination des zones avoisinantes (6 billions de yens), compensation et soutien aux évacuations (9 billions de yens).

Les estimations de coûts sont révisées périodiquement par le Comité d'estimation et de vérification des coûts dans le cadre du METI. Leur rapport de 2022 indiquait que les incertitudes liées à la récupération des débris et à l'élimination des déchets pourraient ajouter 2,5 à 4 billions de yens à l'élément de la ligne de déclassement. Ces incertitudes découlent de l'absence de précédent pour l'élimination des débris de combustible mélangés d'un confinement BWR Mark I. Le Comité a également signalé le coût à long terme de la gestion de l'eau tritiée si des technologies de traitement supplémentaires, telles que la séparation du tritium, deviennent viables.

Quantifier l'intangible : la restauration de la santé et de l'environnement

Si les débris de combustible étaient laissés in situ sans encapsulation adéquate, les eaux souterraines pourraient transporter des radionucléides à longue durée de vie comme le césium 137, le strontium 90 et les isotopes du plutonium dans le Pacifique ou les terres agricoles. Le nettoyage, par l'enlèvement des sols et les installations de stockage intérimaire, vise à réduire la dose efficace supplémentaire aux résidents à moins de 1 mSv/an au-dessus de l'arrière-plan, la norme internationale pour l'exposition publique. Les économistes de la santé ont utilisé la valeur d'une vie statistique (VSL), généralement d'environ 700 millions de yens dans les évaluations des politiques publiques japonaises, pour estimer les avantages monétaires des cancers évités dans les dizaines de milliards de dollars.

Sur le plan économique, le programme de déclassement est un employeur direct de milliers de travailleurs qualifiés et a catalysé une industrie de la robotique et de la mesure des radiations dans la préfecture de Fukushima. Le gouvernement et le Cadre d'innovation de Fukushima (CCC) établissent des liens entre la recherche et le développement en vue de la désaffectation et de nouvelles entreprises dans les drones, la télédétection et les énergies renouvelables. Le rejet éventuel de zones réglementées pour la réhabitation, comme Okuma et Futaba, a vu la levée partielle des ordonnances d'évacuation, rétablir la valeur des biens immobiliers et permettre aux exportations agricoles de reprendre sous des essais rigoureux.

L'équité intergénérationnelle et le problème de l'actualisation

Un taux d'actualisation élevé réduirait la valeur actuelle des avantages pour la santé, rendant le projet moins attrayant. Les autorités japonaises ont appliqué un taux d'actualisation social de 4 %, compatible avec les projets d'infrastructure, mais certains experts soutiennent que pour les risques environnementaux à long terme, un taux inférieur (1-2 %) devrait être utilisé pour refléter le devoir de soins envers les générations futures. Lorsque des taux plus faibles sont adoptés, la valeur nette actuelle du déclassement favorise fortement l'élimination complète des débris et la remise en état des sols, même si les coûts initiaux sont énormes.

Le débat sur l'actualisation se croise avec le principe de précaution dans la gestion des risques. S'il y a une probabilité non négligeable que laisser les débris en place entraîne un rejet important des décennies plus tard, le calcul coût-bénéfice change. Les analyses de scénarios effectuées par l'Agence japonaise de l'énergie atomique (JAEA) ont modélisé la probabilité d'une future défaillance du confinement sur 100 ans, compte tenu de la corrosion progressive des coquilles de confinement.

Financement du projet générationnel

Pour soutenir un projet multidécennies et multi-trillions de yens, il faut une structure de financement qui puisse absorber les chocs politiques, économiques et techniques. Japon’ l'approche repose sur une combinaison de fonds publics, de contributions des exploitants et d'instruments financiers novateurs qui répartissent le fardeau financier à travers le temps et les intervenants.

La Société d'indemnisation et de facilitation du démantèlement des installations nucléaires

Le mécanisme de financement est constitué par le FND, société publique adotée en 2014. Le FND canalise les fonds publics par l'entremise d'obligations garanties par l'État et gère les réserves accumulées à partir de TEPCO et de 8217; ses bénéfices et ses ventes d'actifs. Le FND est légalement tenu de payer pour l'accident, mais sa capacité financière a été brisée par l'ampleur de la responsabilité. Le FND a pris une part de contrôle dans TEPCO, nationalisant ainsi sa gestion et conçu un plan de redressement qui entonne TEPCO et de 8217; ses profits provenant de ses usines rentables restantes dans le pot de déclassement.

Le FDN agit également comme un organisme de surveillance technique, évaluant les plans de déclassement et la mise en service d'examens par des pairs indépendants, dont le conseil comprend des représentants du gouvernement, des institutions financières et des experts en génie nucléaire. La société émet des obligations de déclassement garanties par le gouvernement, dont les échéances s'étendent à 20 ans. Ces obligations sont détenues principalement par des investisseurs institutionnels nationaux, y compris des banques et des fonds de pension, fournissant une source stable et à long terme de capitaux.

Crédits gouvernementaux directs et subventions stratégiques

Le gouvernement central subventionne directement la R-D dans les technologies de déclassement à distance par l'entremise du METI et du ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie (MEXT). Les crédits annuels appuient la caractérisation des débris de combustible, le développement de robots et la collaboration internationale avec des entités comme l'AIEA et l'Agence de l'énergie nucléaire de l'OCDE.

Les lignes budgétaires spécifiques comprennent le Fonds de désaffectation de la recherche et du développement (40 milliards de yens par an) et le Fonds de réhabilitation de l'environnement (200 milliards de yens par an), qui sont alloués par le biais de subventions concurrentielles aux universités, aux laboratoires nationaux et aux consortiums privés. Un succès notable est le développement de manipulateurs téléguidés et de la caméra de champ d'action du robot serpent par la JAEA et l'Université Tohoku, qui sont financés par ce mécanisme.

Synergies internationales et capitaux privés

Bien que l'essentiel du financement soit national, les partenariats internationaux ont fourni des compétences et, dans certains cas, un cofinancement pour des équipements spécifiques. Le Royaume-Uni et le ministère de l'Énergie des États-Unis ont partagé les leçons tirées du déclassement de Sellafield et du site de Hanford. Les entreprises privées de technologie, comme Toshiba, Hitachi-GE, Framatome et les entreprises de robotique internationales, investissent dans des prototypes de systèmes sous contrat avec la société de déclassement TEPCO, qui comportent souvent des paiements axés sur la performance, qui entraînent un certain risque financier pour les entrepreneurs et qui encouragent l'adoption de solutions efficaces.

L'Institut international de recherche sur la désaffectation nucléaire (IRID), un consortium regroupant 30 organisations de 10 pays, coordonne le partage des connaissances et les expériences conjointes. Par exemple, un projet de collaboration entre la France et le Japon et le Japon et le Japon et le Japon; le JAEA a mis au point un système de spectroscopie par décompression par laser pour l'analyse élémentaire à distance des débris de combustible.

Réserves pour éventualités et tests de stress financier

Compte tenu des incertitudes techniques, les dépassements de coûts ne sont pas seulement possibles, mais ils sont attendus. Pour atténuer cette situation, un fonds de réserve de 5 000 milliards de yens a été réservé spécifiquement pour les travaux de déclassement. Ce tampon est reconstitué par le TEPCO’ les contributions annuelles et les émissions d'obligations du FNL. Une installation distincte, le Fonds de gestion de l'eau contaminée, finance la construction de réservoirs, l'exploitation du SPLA et l'infrastructure pour le rejet d'eau traitée.

Le fonds de réserve est soumis à un test de stress annuel qui simule l'impact financier de scénarios extrêmes, comme un retard de 10 ans dans la récupération du carburant ou une augmentation soudaine des réclamations pour blessures des travailleurs.Ces tests de stress sont publiés dans le cadre du rapport annuel NDF’ afin d'assurer la transparence aux détenteurs d'obligations et au public.Dans le dernier test de stress (2023), même dans le pire des cas, le fonds de réserve resterait positif jusqu'en 2035, après quoi des injections gouvernementales supplémentaires pourraient être nécessaires.

La dimension humaine et le jeu des déchets

Deux dimensions souvent négligées du défi de déclassement sont la préservation de l'expertise humaine au fil des générations et la résolution du processus d'élimination des déchets de haute activité.

Bâtir un héritage de la connaissance

Le financement doit donc soutenir des systèmes de gestion des connaissances robustes, y compris des jumeaux numériques 3D des bâtiments du réacteur, des registres de procédures détaillés et des programmes de formation de maître-apprentis. Le NDF a créé le Centre de développement de la technologie à distance de Naraha, où de nouveaux robots sont testés dans des environnements de simulation à grande échelle simulant l'intérieur des PCV. Cette installation abrite un système de formation à la réalité virtuelle (VR) qui guide les opérateurs dans tout le processus d'enlèvement des débris, y compris des scénarios d'urgence comme une crise soudaine de radiation ou une panne d'équipement. Le centre forme environ 1 000 travailleurs par année, avec un programme qui s'étend de la sécurité de base aux contrôles avancés des manipulateurs.

La voie de l'élimination des déchets non résolus

Le Japon n'a pas de dépôt permanent de déchets radioactifs de haute activité et l'implantation d'une telle installation est politiquement contestée. Le plan actuel prévoit un stockage provisoire sur le site de Fukushima Daini pendant 70 ans au maximum, mais le coût et la responsabilité de ce stockage prolongé ne sont pas entièrement inclus dans le budget actuel de démantèlement.

Si l'installation de stockage provisoire nécessite un entretien et un suivi approfondis pendant 70 ans, les coûts pourraient rivaliser avec ceux du déclassement du réacteur lui-même. De plus, le défi politique d'installer un dépôt permanent pour les déchets de haute activité au Japon, pays à forte densité de population, signifie que les déchets générés par le nettoyage de Fukushima pourraient rester un fardeau fiscal et environnemental pendant un siècle ou plus. Cette réalité souligne l'importance d'intégrer les coûts de gestion des déchets dans le budget de déclassement dès le départ, plutôt que de les reporter à une génération future.

Une entreprise collective

La désaffectation de Fukushima Daiichi est plus qu'un nettoyage; c'est une entreprise multigénérationnelle qui relie robotique avancée, physique des rayonnements, génie financier et restauration sociale. L'analyse coûts-avantages, lorsqu'elle tient compte correctement des pertes à long terme évitées pour la santé et l'environnement, soutient fortement l'investissement colossal.Les stratégies de financement, centrées sur le FDN, les obligations gouvernementales, le TEPCO’ les bénéfices réorientés et les fonds de réserve dédiés, fournissent un cadre résilient, bien qu'il faille évoluer avec chaque découverte dans les noyaux de réacteurs.