Au-delà du stockage : l'architecture technique de la gestion de l'eau de Fukushima

Le 11 mars 2011, un tremblement de terre de magnitude 9,0 et le tsunami qui a suivi ont frappé la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi, entraînant une fusion de trois réacteurs et la libération de matières radioactives. Au cours des années qui ont suivi, une deuxième crise tout aussi redoutable s'est produite : l'accumulation de plus de 1,3 million de mètres cubes d'eau contaminée.

Le problème principal provient d'une nécessité fondamentale : l'eau de refroidissement doit être injectée en permanence dans les noyaux endommagés du réacteur pour éliminer la chaleur de décomposition et maintenir la sous-criticité.Une fois que cette eau contacte les débris de combustible fondu, les intérieurs du réacteur et les structures du bâtiment, elle devient un cocktail chimique complexe contenant des produits de fission, des matériaux de corrosion activés et des sels dissous.

Au début de la réponse, l'augmentation quotidienne nette de l'eau contaminée dépassait 500 mètres cubes. Grâce à une combinaison de systèmes de dérivation des eaux souterraines, de pompage des eaux souterraines et d'une barrière à sol gelé, les ingénieurs ont réduit cette augmentation à environ 100 mètres cubes par jour en 2023.

Caractériser l'inventaire de l'eau : pas toutes les eaux contaminées sont les mêmes

L'eau sur place se situe dans trois grandes catégories : l'eau du circuit de refroidissement du réacteur, qui est recirculée par les systèmes de pulvérisation et d'alimentation en eau du noyau; l'eau fortement contaminée pompée dans les sous-sols du réacteur; et l'eau souterraine interceptée qui n'a jamais atteint les bâtiments mais qui nécessite un traitement par précaution. Chaque cours d'eau porte une empreinte radionucléique unique.

Les ingénieurs ont conçu des voies de traitement distinctes pour chaque cours d'eau, l'eau de sous-sol la plus contaminée recevant la décontamination initiale par des systèmes mobiles montés sur des patins avant d'entrer dans la centrale de traitement principale. Sans cette étape, les champs de rayonnement élevés et les charges de boues envahiraient les processus en aval.

L'empreinte digitale des radionucléides et la compréhension à terme des sources

La compréhension de l'inventaire des radionucléides est essentielle pour concevoir un traitement efficace. L'eau contient un mélange d'isotopes provenant de la fission de l'uranium et du plutonium, ainsi que des produits d'activation de l'acier et de la corrosion du béton. Le césium-137 (demi-vie 30 ans) et le strontium-90 (demi-vie 29 ans) sont les principaux émetteurs de bêta-gamma, mais des dizaines d'autres isotopes, dont l'iode-129, le technétium-99, le ruthénium-106, l'antimoine-125, le cobalt-60 et les isotopes alpha-émettant du plutonium et de l'americium, sont également présents à des concentrations variables.

ALPS: Le système de traitement multi-barres

Le système de traitement avancé des liquides (ALPS) est au cœur de la stratégie de traitement. Malgré les représentations populaires comme un filtre unique, ALPS est une installation de génie chimique à plusieurs unités conçue pour éliminer 62 radionucléides désignés à des concentrations inférieures aux limites réglementaires de rejet. Il exclut le tritium et le carbone-14, qui nécessitent différentes approches de gestion. Le système intègre la coagulation-sédimentation, la filtration multimédia, l'osmose inverse et un train séquencé de colonnes d'échange d'ions et d'adsorption. Chaque colonne contient un milieu spécialisé : résines sélectives au césium, souvent basées sur le ferrocyanure de cobalt de potassium, adsorbants sélectifs au strontium et colonnes de schancenger ciblant les métaux de transition, éléments de terre rares et anions tels que l'iodure-129.

L'eau entre d'abord dans une phase de prétraitement pour enlever l'huile, les solides en suspension et ajuster le pH aux niveaux optimaux pour les étapes suivantes. Le perméate de RO entre dans un train d'adsorption série avec des lits multiples ciblant l'antimoine, le ruthénium, le technétium 99, le cobalt 60, le plutonium et les isotopes de l'americium, et bien d'autres. Un aperçu opérationnel critique : les premiers lots n'ont pas toujours atteint les cibles pour tous les nucléides, en raison des variations de débit, du vieillissement de la colonne et de la présence d'espèces colloïdales ou liées organiquement. TEPCO a répondu par une campagne de repurification, passant une fraction importante de l'eau stockée par l'ALPS une deuxième ou une troisième fois.

Vérification du rendement et surveillance par des tiers

La vérification de la performance est continue.L'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) a procédé à de multiples examens des opérations ALPS, des protocoles d'échantillonnage et de l'intégrité des données. TEPCO exploite également un laboratoire d'analyse sur place avec un contrôle de qualité indépendant. Chaque lot destiné à être déchargé subit un échantillonnage de confirmation finale pour s'assurer que les 62 nucléides non tritium sont en deçà des limites réglementaires avant dilution et rejet.

Le défi du tritium : pourquoi la séparation n'est pas faisable à l'échelle

Dans l'eau contaminée, il existe principalement sous forme d'eau tritiée (HTO), chimiquement presque identique à H2O ordinaire. La séparation de HTO de H2O nécessite une séparation isotopique, des techniques telles que la distillation de l'eau, l'électrolyse combinée à un échange catalytique (le procédé CECE) ou un échange chimique eau-hydrogène. Bien que ces méthodes fonctionnent en laboratoire ou à petite échelle industrielle, les appliquer à des millions de mètres cubes avec des concentrations de tritium d'environ 1 500 000 Bq/L avant la dilution est économiquement et énergétiquement impossible.

La solution conçue suit plutôt un chemin utilisé couramment dans les installations nucléaires de France, du Royaume-Uni, de Corée du Sud, du Canada et de Chine : dilution contrôlée pour répondre aux critères de sûreté radiologique suivie par un rejet environnemental. La dilution réduit la concentration de tritium à des niveaux qui entraînent des doses négligeables de rayonnement pour le public et l'environnement.Cette approche repose sur le fait que le tritium émet des rayonnements bêta à faible énergie avec une courte plage de tissus (environ 6 micromètres dans l'eau), et que la dose du tritium ingéré ou inhalé est régie par l'activité totale, et non par la concentration en soi.

La physique de la dose de tritium et de la dilution

Le risque radiologique du tritium est souvent mal compris. Comme le tritium est un émetteur bêta faible, son efficacité biologique est faible – le coefficient de dose pour l'ingestion d'eau tritiée est d'environ 1,7 × 10−11 Sv/Bq, soit environ 100 fois inférieur à celui du césium-137. La recommandation de l'Organisation mondiale de la santé pour le tritium est de 10 000 Bq/L, basée sur une dose de référence de 0,1 mSv par année de la consommation d'eau. La décharge de Fukushima est conçue pour obtenir une concentration de tritium de 1 500 Bq/L au point de rejet, soit seulement 1/40 de cette recommandation.

Ingénierie des réservoirs de stockage: leçons à tirer de la prévention des fuites

Jusqu'à ce que le plan de libération soit finalisé, l'eau traitée s'accumule dans une ferme de réservoirs qui a fini par couvrir une partie importante du site. Les réservoirs sont de grandes bouteilles d'acier soudées à fond plat d'une capacité de 1 000 à 1 300 mètres cubes. Compte tenu de leur emplacement côtier et du risque sismique, les ingénieurs ont incorporé de multiples couches de protection : un confinement primaire en acier soudé, une digue secondaire de confinement ou une paroi en béton, et, dans de nombreux réservoirs, une conception à double fond avec des tubes de détection des fuites entre les plaques intérieures et extérieures du fond.

Malgré ces mesures, plusieurs incidents de fuite se sont produits au début de la période de stockage, qui n'étaient pas des défaillances catastrophiques, mais des dégradations lentes : corrosion des joints par l'air chargé de sel, corrosion des trous d'épingle dans les coutures soudées et détérioration des raccords de bride. Les articulations de brides ont été remplacées par des raccords soudés lorsque possible. Les matériaux de joints ont été transformés en élastomères fluorés avec une résistance à la corrosion supérieure.

Considérations relatives à la conception des risques sismiques et côtiers

Le séisme de 2011 a causé la liquéfaction et la déformation du sol sur place. Les ingénieurs ont conçu les fondations du réservoir pour accueillir les mouvements de terrain prévus, avec des dalles de béton armé ancrées sur des pieux profonds. Chaque réservoir est soumis à une retenue sismique pour empêcher le renversement, et les digues de confinement sont conçues pour contenir le contenu complet du réservoir en cas de rupture. De plus, comme le site est exposé à l'inondation par tsunami, le parc est protégé par un mur de mer construit après l'accident, avec une altitude de 7,5 mètres au-dessus du niveau moyen de la mer. Ces mesures défensives reflètent une approche de défense en profondeur appliquée à l'infrastructure de stockage, assurant que même dans les situations extrêmes, l'inventaire de l'eau reste confiné.

Libération océanique : dilution et dispersion de l'ingénierie

En 2021, le gouvernement japonais a approuvé un plan visant à libérer l'eau traitée par l'ALPS dans l'océan Pacifique en la diluant avec de l'eau de mer pour obtenir une concentration de tritium de 1 500 Bq/L, soit moins de 1/40 de la recommandation de l'OMS sur l'eau potable. La conception technique de l'installation de décharge est méticuleuse. L'eau traitée, après vérification finale que les 62 nucléides non tritium sont inférieurs aux limites réglementaires, se déverse dans un grand réservoir de mélange où elle est mélangée avec de l'eau de mer à un rapport de plus de 100:1. Le cours d'eau dilué traverse ensuite un tunnel sous-marin s'étendant sur environ un kilomètre au large, où elle sort par des buses diffuseurs conçues pour maximiser le mélange initial et minimiser la concentration localisée.

La modélisation océanographique, utilisant des codes avancés de simulation de dispersion des particules tels que le modèle Princeton Ocean et le FVCOM, prévoit que le panache de tritium se dilue rapidement aux niveaux de fond à quelques kilomètres du point de décharge. La conception comprend des vannes d'arrêt redondantes et une surveillance continue en ligne de l'activité du tritium à la sortie de décharge, avec des alarmes automatiques qui arrêtent la libération si les paramètres dépassent les limites prévues.

Conception du diffuseur et mélange à proximité du champ

Le tunnel sous-marin se termine dans un réseau de diffuseurs composé de plusieurs ports espacés le long de la dernière section du pipeline. Chaque port est conçu pour éjecter l'eau diluée à un angle et une vitesse qui favorisent un mélange rapide avec l'eau de mer ambiante. Les ports sont orientés pour créer un jet turbulent qui entraîne l'eau environnante, obtenant un facteur de dilution de plusieurs centaines dans les premiers mètres. Le tunnel est enterré dans les fonds marins pour éviter les interférences avec le trafic maritime et pour s'assurer que le rejet est libéré dans une région où les courants de marée forts augmentent encore la dispersion.

Surveillance de l'environnement: un réseau multi-titrage

Le TEPCO, avec la supervision de l'AIEA et de l'Autorité japonaise de réglementation nucléaire, a mis en place un réseau qui comprend des moniteurs tritium en temps réel près du point de rejet, des échantillonnages réguliers d'eau de mer à plusieurs profondeurs et distances, et des échantillonnages complets de biotes marins — poissons, algues et sédiments des fonds marins. Toutes les données sont accessibles au public par le biais du portail de rayonnement de TEPCO et de la plateforme d'information de l'AIEA sur Fukushima.

L'évaluation de l'impact environnemental radiologique, vérifiée indépendamment par l'AIEA, estime que la dose maximale annuelle pour un membre du public provenant de toutes les voies d'exposition, y compris la consommation et la natation de fruits de mer, sera bien inférieure à 0,01 millisieverts. Dans le contexte, le rayonnement naturel de fond au Japon est d'environ 2,1 millisieverts par année et la moyenne mondiale de toutes les sources naturelles est d'environ 2,4 millisieverts par année.

Surveillance des biotes et bioaccumulation

Le tritium, en tant que HTO, est rapidement intégré dans les compartiments équivalents en eau des organismes et ne bioaccumule pas de façon significative. Les études du tritium dans les milieux marins, y compris ceux qui sont menées autour des points de rejet de La Hague et de Sellafield, montrent que les facteurs de concentration dans les poissons et les mollusques sont proches de 1 (c.-à-d. que la concentration de tritium de l'organisme est égale à celle de l'eau environnante). Pour les autres radionucléides qui peuvent demeurer dans des concentrations ultratraces après le traitement par ALPS, des facteurs de bioaccumulation spécifiques sont appliqués à l'évaluation de la dose.

Solutions envisagées et pourquoi la libération des océans a été choisie

Avant de s'installer sur la décharge océanique, le gouvernement japonais a évalué plusieurs solutions de rechange, chacune présentant des obstacles techniques importants :

  • L'injection de gazéosphère (déposage profond du puits):[ L'injection d'eau dans des formations géologiques profondes a été envisagée, mais l'hydrogéologie de la région et le risque de sismicité induite l'ont rendu peu pratique.
  • La libération de vapeur par évaporation:[ La mise à l'eau et la libération de vapeur étaient techniquement faisables, mais la maîtrise de la dispersion dans l'atmosphère et la gestion de la perception du public, ainsi que la consommation élevée d'énergie (environ 1,3 GWh par 1000 m3 d'eau) et le potentiel de résidus concentrés, l'ont rendu moins favorable que la dilution de l'océan.
  • La libération d'hydrogène après électrolyse:[ L'électrolyse pour produire de l'hydrogène avec du tritium puis une libération atmosphérique contrôlée était théoriquement possible, mais la manipulation de grands volumes d'hydrogène gazeux (inflammable et pouvant causer des explosions) et la dispersion incontrôlée du tritium comme HT ou HTO présentaient des incertitudes plus élevées en matière de sécurité et de réglementation.
  • Solidification et stockage à long terme de surface:[ La solidification de l'eau dans le béton ou d'autres matrices nécessiterait d'énormes volumes de matériaux solides (le volume d'eau de 1,3 million de m3 produirait environ 3 millions de m3 de déchets de béton), un contrôle institutionnel perpétuel et soulèverait des préoccupations quant à l'utilisation des terres et à la dégradation structurelle éventuelle au cours de décennies ou de siècles.

La solution la plus sûre, la plus éprouvée et la plus contrôlable, ainsi que la dilution et la surveillance robustes, ont été mises en place. C'est la même approche que celle utilisée par les installations nucléaires dans le monde entier en vertu de la réglementation nationale et internationale.

Contrôle international et vérification indépendante

La transparence et la légitimité du plan ont été renforcées par un examen approfondi de l'Équipe spéciale de l'AIEA [ . L'examen portait sur la caractérisation des inventaires d'eau, la performance des ALPS, la conception technique des installations de décharge, l'évaluation des incidences environnementales radiologiques, l'autorisation réglementaire et la surveillance.

Remise en état à long terme des sites et voie de désaffectation

La gestion de l'eau est étroitement liée au programme de déclassement plus vaste, qui devrait durer de 30 à 40 ans. L'obstacle fondamental à la fin du cycle d'accumulation d'eau est la récupération des débris de combustible dans les carottes du réacteur. Tant que le combustible endommagé demeure, l'eau de refroidissement doit circuler et le contact avec le combustible produit de nouvelles eaux contaminées. Des robots et des systèmes de manutention à distance sont en cours de développement pour échantillonner et éventuellement éliminer les débris, mais les champs de rayonnement extrêmes (jusqu'à 10 Sv/h dans certains endroits) et l'état physique mal connu du combustible fondu posent d'énormes défis.

La paroi du sol congelée : une nouvelle technique d'isolement hydrogéologique

La paroi gelée, aussi connue sous le nom de « rideau de glace », est l'un des plus grands projets artificiels de congélation au sol jamais entrepris. Elle consiste en un ensemble de tuyaux installés verticalement autour des quatre bâtiments du réacteur, jusqu'à une profondeur d'environ 30 mètres atteignant la couche d'argile sous le site. Un mélange de liquide de refroidissement de saumure et de chlorure de calcium circule dans les tuyaux à des températures inférieures à -30°C, gelant le sol environnant et créant une barrière imperméable qui bloque l'écoulement des eaux souterraines dans les sous-sols du bâtiment. La construction a débuté en 2014 et a été achevée en 2017. La surveillance de la performance montre que le mur a réduit l'afflux des eaux souterraines d'environ 60 à 70 %, passant d'environ 200 m3/jour avant la construction à environ 50 à 70 m3/jour après.

Enseignements tirés de l ' industrie nucléaire

L'expérience de la gestion de l'eau de Fukushima a profondément influencé l'ingénierie nucléaire dans le monde entier. Le concept de défense en profondeur comprend maintenant explicitement la constitution d'un réservoir de combustible usé robuste et des systèmes de gestion de l'eau à fort risque d'accident. Les nouveaux réacteurs intègrent des dispositifs de refroidissement passif qui fonctionnent sans électricité pendant de longues périodes, réduisant la probabilité d'événements de dommages de base pouvant entraîner une contamination à grande échelle.

Le processus de libération en cours, surveillé par l'AIEA et appuyé par une série de capteurs et de modélisations avancés, représente une voie soigneusement conçue pour éliminer éventuellement l'inventaire colossal de l'eau sur place. Aucune solution ne pourrait être parfaite compte tenu de la gravité de l'accident initial, mais l'approche scientifique à barrières multiples, combinant purification ALPS, gestion rigoureuse de l'intégrité des réservoirs, dilution étendue et surveillance transparente, définit la norme actuelle pour la gestion des liquides radioactifs hérités après un accident nucléaire grave.