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La vulnérabilité unique des piscines de combustible usé
Les réservoirs de combustible usé ne sont pas des bassins de stockage passifs; ils sont des systèmes thermiques hydrauliques actifs. À Fukushima Daiichi, les réservoirs étaient situés sur les étages supérieurs des bâtiments du réacteur — un réservoir de 4 , par exemple, était assis au niveau du cinquième étage — ce qui les rend intrinsèquement vulnérables à la défaillance structurelle et à la perte de capacité de pompage. Un réservoir de combustible usé typique de BWR à l'usine contenait des centaines d'assemblages, chacun avec un revêtement en alliage de zirconium qui, s'il était exposé à l'air au-dessus de 900 °C, s'oxyderait rapidement, produirait de l'hydrogène et libérerait des produits de fission volatils tels que le césium-137 et l'iode-131. L'inventaire des radionucléides à longue durée de vie dans les bassins a naigné celui des réservoirs de pression du réacteur.
La base de conception des réservoirs de combustible usés dans les années 1970 a pris une longue période de grâce avant de bouillir : avec une profondeur d'eau complète et aucune circulation active, la piscine aurait besoin de dizaines d'heures pour atteindre la température de saturation et beaucoup d'autres pour se réduire au sommet de la grille. Ces marges se sont effondrées lorsque les dommages sismiques ont fissuré les doublures de piscine, l'eau ensanglantée hors des bassins et coupé les lignes normales d'approvisionnement en eau de maquillage.
Dommages structurels et efforts de stabilisation
Explosions d'hydrogène qui ont dérobé les piscines
Entre le 12 et le 15 mars 2011, les explosions d'hydrogène ont démoli les parties supérieures des bâtiments du réacteur de l'unité 1, de l'unité 3 et de l'unité 4. L'explosion de l'unité 4 a été particulièrement confuse parce que le réacteur lui-même avait été décompressé; l'hydrogène avait migré de l'unité 3 par des conduits de ventilation partagés. L'explosion a explosé de tout le toit et du mur sud du bâtiment de l'unité 4, exposant directement le réservoir de combustible usé à l'atmosphère.
Les instruments sismiques avaient enregistré des secousses violentes qui dépassaient probablement la base de conception initiale. Une défaillance des colonnes de support sous la piscine, des piliers en béton armé mince à l'intérieur du bâtiment déjà endommagé, entraînerait une chute catastrophique du plancher de la piscine, dézippant la doublure et déversant l'eau dans le sous-sol du bâtiment du réacteur. Un tel événement permettrait de découvrir du combustible et de créer un risque de criticité si les crémaillères de combustible se déformaient et si les assemblages se rapprochaient en l'absence d'eau borelée neutron-absorbante. Par conséquent, la stabilité structurelle est devenue la première priorité de l'ingénierie, même avant de restaurer le refroidissement.
Évaluation rapide des risques et brassage temporaire
Tokyo Electric Power Company (TEPCO), avec le soutien de l'Agence japonaise de l'énergie atomique et de fournisseurs internationaux, a effectué une évaluation structurelle à plusieurs niveaux à l'aide de photographies, de balayages laser et de LIDAR montés par des drones. L'analyse a montré que, bien que la dalle de béton armé sous la piscine soit intacte, plusieurs colonnes de support avaient perdu une importante surface transversale de l'explosion et des contrecoups subséquents. L'équipe a immédiatement conçu des supports en acier -cadre -strongback-grands étriers en H installés du sol jusqu'au plafond du niveau sous la piscine-pour créer un autre chemin de charge. Ces supports ont été fabriqués hors site, apportés sur des camions plats et érigés à l'aide de prises hydrauliques télécommandées parce que les champs de rayonnement à l'intérieur du bâtiment (jusqu'à plusieurs centaines de millisieverts par heure) ont limité l'accès humain à des minutes.
Innovations en matière de balayage au laser et au drone
Les ingénieurs ont adapté les quadcopters commerciaux avec des appareils électroniques à rayonnement durci pour voler dans les bâtiments sans toit et capturer des images à haute résolution de fissures et de criques. Les unités LIDAR au sol montées sur des plates-formes mobiles ont produit des nuages tridimensionnels de l'intérieur, qui ont ensuite été enroulés avec des plans de construction préaccident pour calculer des déviations exactes. Ce pipeline de données, du drone au jumeau numérique, a permis aux ingénieurs structuraux à une distance sûre de vérifier que les accoudoirs portaient correctement la charge. La même méthodologie a ensuite éclairé la conception d'un renforcement permanent de la structure en acier pour les bâtiments réacteurs des unités 1 et 3, où les planchers de piscine étaient encore plus fortement endommagés.
Défauts de refroidissement et injection d'urgence
Perte de pompes de maquillage et de circulation
En fonctionnement normal, le refroidissement du réservoir de combustible usé est assuré par des boucles redondantes : une pompe de refroidissement primaire circule de l'eau du réservoir à travers un échangeur de chaleur refroidi par le réseau d'eau de service de l'usine. Sans électricité, les côtés primaire et secondaire s'arrêtaient. L'eau du bassin commençait à chauffer à un rythme d'environ 0,5 à 1 °C par heure, chiffre qui semble doux jusqu'à ce qu'on réalise qu'il est inexorable. Au 15 mars, la température du réservoir de l'unité 4 était déjà passée à 84 °C, et le taux d'évaporation s'était tellement accéléré que le niveau d'eau diminuait de façon perceptible.
Les capteurs installés à l'origine dans les bassins ont été détruits par l'explosion ou rendus inopérants parce que leurs câbles de signalisation traversaient des boîtes de jonction endommagées. Les ingénieurs ont eu recours à des trous de forage à travers le plancher de ravitaillement en débris et des thermocouples de remplissage sur un ruban de mesure d'acier. Des échantillons d'eau ont été saisis par un bras manipulateur d'un camion de pompe à béton et testés pour la concentration de chlorure et de radionucléide, qui ont servi de substitut à l'intégrité du combustible.
Injection d'eau salée et ses conséquences à long terme
Les ingénieurs savaient que la corrosion par le chlorure sous contrainte des doublures de piscine en acier inoxydable et des composants de la crémaillère de combustible était une grave préoccupation, mais la nécessité immédiate d'éviter un ébullition a surronde ces considérations. Des études métallurgiques post-accident ont depuis révélé que, bien que les doublures aient subi des piqûres superficielles, le mélange boréal d'eau de mer a effectivement favorisé l'absorption des neutrons, ajoutant une marge de sécurité de criticité non intentionnelle mais utile. Néanmoins, le passage à l'injection d'eau de mer a marqué le début d'un défi à long terme en chimie de l'eau qui a nécessité l'installation subséquente de systèmes sophistiqués de dessalement et de filtration.
Le rôle du bore dans l'injection d'eau de mer
La concentration de bore est restée au-dessus du seuil de sécurité de la criticité, même lorsque l'eau s'est évaporée. Cette teneur naturelle en bore était un facteur de sécurité fortuit. TEPCO a ensuite mené des expériences de sous-criticité sur des supports de simulation montrant que la combinaison eau-boron était en fait plus neutron-absorption que l'eau de boré déminéralisée originale, parce que les sels dissous ont augmenté la section transversale de l'absorption macroscopique.
Systèmes de refroidissement portatifs et gestion de l'eau
La première semaine chaotique, la principale méthode d'injection d'eau dans les piscines était de l'arroser par les trous de creusement dans les toits du réacteur. Les camions-pompes en béton modifiés, normalement utilisés pour placer du béton liquide sur les sites de construction à grande hauteur, étaient repositionnés avec leurs flèches articulantes étendues sur les champs de débris. Les tuyaux d'incendie contribuaient à un débit supplémentaire. Cette approche était extraordinairement inefficace : une grande partie de l'eau s'évaporait avant d'atteindre la surface de la piscine ou éclaboussait de l'acier manculé, et la distance rendait impossible de cibler précisément le jet sur les crémaillères.
TEPCO a également adapté des pompes à membrane auto-amorçantes normalement utilisées pour l'assèchement de la construction. Elles ont été placées au rez-de-chaussée et reliées à de longs tuyaux qui montent des escaliers et traversent des parois brisées au plancher de ravitaillement. Les opérateurs ont commandé la vitesse de la pompe à partir d'un poste de commande mobile, ajustant le débit en fonction des valeurs de température des thermocouples à glissières du jury.
Systèmes de refroidissement en boucle fermée à skid‐montés
À mesure que le chaos initial s'est amenuisé, les ingénieurs ont conçu un système de refroidissement du réservoir de carburant usé qui pourrait être installé à l'extérieur du bâtiment et raccordé par des tuyaux flexibles au réservoir. Le système comprenait une série d'échangeurs de chaleur montés sur des patins, de filtres à particules et de colonnes de résine échangeuse d'ions. L'eau a été tirée du réservoir par une pompe submersible, refroidie par des échangeurs de chaleur de la région de l'air (plus tard remplacée par des unités refroidies par l'eau à l'aide d'une tour de refroidissement extérieure), décontaminée et retournée.
Le système temporaire est devenu le système de refroidissement et de nettoyage de piscines à combustible (FPCCS), une installation plus permanente avec des pompes redondantes, des générateurs diesel de secours et une surveillance à distance. Une leçon importante de conception a été l'inclusion de buses de connexion à grand diamètre qui pourraient être couplées sans entrée humaine dans la zone de rayonnement élevé.
Sélection de l'échangeur de chaleur et limitations de la blast d'air
Les premiers échangeurs de chaleur de la région atmosphérique ont été dimensionnés pour une puissance d'environ 1,5 MW, mais les températures ambiantes ont dépassé 35 °C durant l'été 2011, ce qui a réduit la capacité de refroidissement de près de 20 %. Les ingénieurs ont ajouté des buses de brume pour pré- refroidir l'air entrant, mais cette eau déminéralisée consommée était déjà rare. La solution consistait à passer à un système d'eau réfrigérée en boucle fermée avec une tour de refroidissement extérieure qui utilisait l'eau de mer comme puits de chaleur ultime – une décision qui exigeait de vastes échangeurs de chaleur de tuyauterie et de plaques de titane résistant à la corrosion.
Inspection robotique et enlèvement des débris
Cartographie de l'environnement sous-marin
Avant de planifier un retrait du combustible, les ingénieurs devaient vérifier l'état exact des assemblages de combustible usé et de l'infrastructure de la piscine. L'eau de la piscine était en turbidité en raison de produits de corrosion suspendus, de fragments de béton et de matériaux isolants soufflés. Les caméras sous-marines classiques avaient une visibilité limitée. TEPCO a déployé une série de véhicules télémanipulation (ROV) équipés de sonar, de détecteurs de radiation et de voyants LED à haute intensité.
Les sonar scans ont révélé que, même si la plupart des supports de combustible restaient droits, certains avaient déplacé jusqu'à 5 cm. Les bras robotiques munis de pinces ont soigneusement enlevé les débris lâches — pièces de grille, de mains courantes et de gaines — et les ont placés dans des paniers blindés. La récupération d'un faisceau d'acier de douze mètres de long qui avait percé le bassin de la ligne nord-est exigeait une grue à grappin et à chariot lourd construite sur mesure, toutes deux exploitées à distance.
Évaluation de l'intégrité du combustible
Des 1 535 assemblages de carburant du réservoir de l'unité 4, un petit nombre d'entre eux étaient endommagés lors d'une panne de carburant antérieure, mais la question était de savoir si le tremblement de terre, l'explosion ou la chute de débris avaient causé des ruptures supplémentaires de revêtement. Pour enquêter, les VOR ont prélevé des échantillons d'eau directement au-dessus de chaque canal de carburant.
Spectroscopie gamma-ray pour l'analyse non destructive
Au-delà de l'échantillonnage d'eau, les VOR transportaient des spectromètres gamma compacts qui pouvaient identifier des produits de fission spécifiques à une distance d'un mètre. Les spectres ont été comparés aux enregistrements de brûlures avant l'accident pour déterminer si la libération de chaque assemblage correspondait à l'inventaire prévu. Cette technique a révélé que seulement une trentaine d'assemblages présentaient des ruptures importantes de revêtement et aucun ne semblait présenter de fragmentation des granulés de combustible.
Campagne de l ' Unité 4 pour l ' enlèvement des combustibles
La dôme protectrice et la grue de manutention
En éliminant le combustible usé d'une piscine située dans un bâtiment en plein air, la construction d'un bâtiment en difficulté structurelle a nécessité une approche radicale : construire un enclos géant sur tout le bâtiment sans alourdir le châssis affaibli. TEPCO a érigé une immense auvent en acier mesurant 70 mètres de long, 30 mètres de large et 30 mètres de haut, recouvert de panneaux résistant aux intempéries et équipé d'une grue de pont supérieur. La auvent a servi de structure de confinement, empêchant l'infiltration d'eau de pluie et contenant toute contamination aérienne.
La grue utilisait un manipulateur à longue portée qui pouvait extraire verticalement un assemblage de carburant de son rack, le hisser dans un fût de transfert lourd et le faire descendre à travers une trappe dédiée au niveau du sol où il pouvait être transporté par une remorque jusqu'au site du réservoir de carburant usé commun. Chaque mouvement était surveillé par des dizaines de caméras et de systèmes de positionnement guidés par laser. Pour éviter un accident de chute, le préhenseur a incorporé un mécanisme de verrouillage à sécurité de rupture qui ne se libérerait pas à moins que l'ensemble ne soit solidement assis dans le fût.
Achèvement et leçons apprises
Le retrait du combustible a commencé en novembre 2013 et s'est terminé en décembre 2014, date qui a permis de supprimer l'un des plus grands risques de radiations du site de Fukushima Daiichi. L'opération a permis de transférer 1 331 assemblages de combustible usé et 204 nouveaux assemblages de combustible non irradiés sans incident significatif. Le succès de la campagne a démontré que même après un accident grave, le combustible usé peut être récupéré en toute sécurité à condition que la chimie de l'eau de la piscine et la stabilité structurelle soient assurées pour la première fois et qu'une approche délibérément lente et robotique soit adoptée.
Installations d'entraînement et de musculation préopératoires
Avant toute manipulation de combustible dans le monde réel, chaque opérateur de grue et technicien d'armes à distance a suivi trois mois de formation dans une installation de simulation construite à -kuma, à 10 km de l'usine. La maquette consistait en une réplique à grande échelle de la piscine de l'unité 4 avec des assemblages de carburant de substitution à partir de tubes en acier inoxydable remplis de plomb pour correspondre au poids et au centre de gravité du carburant réel. Les opérateurs ont pratiqué des scénarios d'urgence — pinceau, assemblage largué, perte de l'alimentation de la caméra — jusqu'à ce que les temps de réponse aient été inférieurs à 30 secondes. La formation a également validé les protocoles de radiocommunication entre la salle de la grue, le centre de commande et l'équipe de transport du fût.
Traitement de l'eau et gestion du tritium à long terme
L'héritage de l'eau contaminée
Chaque litre d'eau pulvérisée dans les réservoirs de combustible usé a dû être récupéré, traité et entreposé. La première phase d'injection improvisée a produit à elle seule des dizaines de milliers de mètres cubes d'eau contaminée par le césium, le strontium, le tritium et d'autres nucléides. Bien que les réservoirs de combustible usé aient contribué à une fraction plus petite de l'inventaire total de l'eau contaminée que les boucles de refroidissement du réacteur, ils ont néanmoins ajouté un courant persistant, parce que le FPCCS en boucle fermée a exigé un effondrement périodique pour contrôler l'accumulation de chlorures et d'autres impuretés.
En maintenant des températures stables et en utilisant une filtration à haut rendement, les ingénieurs ont réduit la demande d'eau de la piscine de plus de 90 % par rapport à la campagne d'injection initiale. La surveillance continue du niveau d'eau de la piscine et des capteurs de détection des fuites dans les puisards de bâtiments environnants garantit qu'aucun rejet imprévu ne se produise dans les eaux souterraines. Cette approche intégrée du budget de l'eau – le traitement de l'eau de la piscine, de l'eau du réacteur et de l'infiltration des eaux souterraines en tant que système unique – est devenue une caractéristique de la réponse technique de Fukushima.
Gestion des ALPS et du tritium
Le Système de traitement avancé des liquides utilise une série d'adsorbants, y compris des titanates, des hexacyanoferrates et des résines chélatrices, pour éliminer 62 radionucléides différents. Pour la décharge du réservoir de combustible usé, les concentrations d'entrée de césium et de strontium étaient deux ordres de grandeur inférieure à l'eau de refroidissement du réacteur, ce qui permettait aux filtres ALPS de fonctionner pendant de longues périodes entre les remplacements. L'eau traitée contenait encore du tritium, qui ne peut pas être éliminé par des moyens chimiques.
Changements à la réglementation mondiale et améliorations à la sécurité
Mises à niveau de l'alimentation d'instrumentation et de sauvegarde
L'Agence internationale de l'énergie atomique Le directeur général de l'AIEA a fait un rapport sur l'accident de Fukushima Daiichi], soulignant la nécessité d'un instrument fiable pour le niveau d'eau et la température de la piscine, qui reste fonctionnel dans de graves conditions d'accident. À Fukushima, des capteurs permanents à rayonnement durci ont été installés dans tous les bassins, avec des flux de données transmis par de multiples voies redondantes au centre d'intervention d'urgence sur place et à une installation de secours hors site à Tokyo. L'usine déploie également des générateurs diesel mobiles, des pompes à moteur électrique et des tuyaux d'incendie pré-étagés exclusivement destinés au maquillage de la piscine de combustible usé, assurant que même une panne de station n'interrompt pas le refroidissement pendant au moins sept jours.
Changements réglementaires et modifications des végétaux dans le monde
Les régulateurs nationaux du Japon aux États-Unis vers l'Europe ont adopté de nouvelles exigences pour les instruments de piscine de combustible usé. La Commission de réglementation nucléaire des États-Unis, par exemple, a publié l'ordonnance EA‐12‐051 exigeant des indicateurs de niveau fiables pour tous les types de piscine, et de nombreux services publics ont complété cette décision par des systèmes d'aération durcis pour les bâtiments de piscine et les connexions d'injections portatives.
En Europe, le Groupe européen des régulateurs de la sûreté nucléaire (ENSREG) a effectué des essais de résistance qui ont spécifiquement évalué la capacité des réservoirs de combustible usé à résister à une perte totale de chaleur pendant 72 heures. De nombreux réacteurs ont installé des vannes passives de brise-souffle pour empêcher la formation de vortex pendant le drainage de la piscine, et ont ajouté des réservoirs d'eau de maquillage de réservoir de combustible usé remplis d'eau bouchée.
Recherche en cours et répercussions futures
Combustible à forte consommation et marge de température
Les recherches scientifiques se poursuivent sur le comportement du combustible usé à forte combustion lors d'une perte prolongée de refroidissement.Des expériences à grande échelle menées dans des laboratoires nationaux comme Sandia Les laboratoires nationaux de Sandia ont simulé des scénarios d'ébullition pour affiner les délais d'oxydation et de ballonnage des tiges de combustible.Les données de Fukushima, qui sont des antécédents de température de piscine, des échantillons de chimie de l'eau et des inspections visuelles des assemblages récupérés, fournissent un ensemble de validation inestimable pour ces modèles.
L'une des découvertes de la recherche est que le combustible à forte combustion, qui constitue une fraction croissante des stocks mondiaux de combustibles usés, s'oxyde à une température légèrement plus basse que celle qui avait été modélisée précédemment. Le revêtement devient plus fragile en raison du durcissement par rayonnement, et l'épaisseur de la couche d'oxyde réduit la température d'entrée pour une oxydation rapide d'environ 900 °C à 850 °C. Cela réduit la marge de sécurité d'environ 50 °C. Le combustible de Fukushima a subi une combustion moyenne de 40 GWd/t, mais certains assemblages ont dépassé 55 GWd/t, les plaçant dans la catégorie des assemblages à forte combustion.
Leçons pour la sûreté nucléaire et plan directeur pour l'ingénierie post-accident
Face à l'effondrement des bâtiments, au manque de données fiables et aux champs de rayonnement qui empêchaient l'accès des humains, les équipes de réaction déployaient des pompes portatives, des armatures structurales, des robots à distance et des boucles de traitement de l'eau sur mesure. Leur travail empêchait finalement ce qui pouvait devenir un rejet radiologique incontrôlable des bassins. Les leçons apprises ont transformé les normes de sûreté nucléaire dans le monde entier, transformant le réservoir de combustible usé d'un modèle après réflexion en une prise en compte de première ligne dans la gestion des accidents.
L'expérience Fukushima a également renforcé l'importance d'une communication transparente avec le public et avec des experts internationaux. TEPCO a publié des rapports hebdomadaires sur les températures, les niveaux d'eau et les données de contamination des piscines, qui ont tous été examinés par l'AIEA et des chercheurs indépendants. Cette ouverture a permis d'examiner par les pairs les décisions d'ingénierie et, dans certains cas, a suscité l'adoption de solutions de rechange.