L'ingénierie derrière les structures de confinement de Fukushima et leur efficacité

Le 11 mars 2011, un tremblement de terre de magnitude 9.0 et un tsunami énorme ont frappé le Japon. La centrale nucléaire de Fukushima Daiichi, qui a déclenché des fusions de cœur dans trois réacteurs et le rejet le plus important de matières radioactives depuis Tchernobyl. Les systèmes de refroidissement d'urgence ont échoué et le combustible a subi de graves dommages, mais les structures de confinement entourant chaque unité constituaient la barrière ultime contre la dispersion incontrôlée des produits de fission.

Le rôle du confinement dans les réacteurs à eau bouillante

Dans les réacteurs à eau bouillante (REB), comme ceux des unités de Fukushima Daiichi 1-4, il existe trois barrières fondamentales : le revêtement du combustible, le réservoir de pression du réacteur et le confinement primaire. Le confinement primaire est la barrière extérieure conçue pour résister aux charges extrêmes tout en maintenant l'étanchéité aux fuites. Il doit contenir des matières radioactives lors de tout accident de base, survivre à des transitoires de pression et de température internes sans rupture, et résister à des risques externes tels que les tremblements de terre et les impacts des missiles.

Le confinement GE Mark I, déployé à Fukushima, a été l'un des premiers modèles normalisés de confinement pour les BWR, utilisés pour la première fois dans les années 1960. Il a utilisé un concept de compression de pression : la vapeur libérée par le réacteur est dirigée vers une piscine de compression remplie d'eau, où elle se condense et réduit la pression. Cette conception était compacte et rentable, permettant une empreinte de bâtiment plus petite que les grands confinements secs utilisés dans les réacteurs à eau pressurisée.

Philosophie du design et principes structurels

Le confinement Mark I a été conçu autour de trois objectifs principaux : contenir des matières radioactives lors de tout accident de base-conception, résister à la pression interne et à la température transitoires sans rupture, et protéger contre les dangers externes.

Résistance à la résistance et à la charge

La coque de confinement est un récipient sous pression en acier en forme d'ampoule inversée, un puits cylindrique à tête hémisphérique et relié par des tuyaux d'évent à une chambre de suppression en forme de tore. L'épaisseur de la paroi de la puits sèche varie entre 25 et 30 millimètres d'acier au carbone à haute résistance, conçu pour résister à une pression interne d'environ 4,0 à 4,5 bar (58–65 psi) et à une température d'environ 170°C (338°F). Cette pression de conception était basée sur la plus grande rupture du tuyau que le système pouvait éprouver — une rupture guillotine à double extrémité de la ligne de recirculation — avec des marges de sécurité prudentes.

La résistance sismique était intégrale dès le début. L'ensemble du confinement repose sur une base massive en béton armé ancrée au substratum. Analyse dynamique modélisée des mouvements de terrain à partir de séismes historiques, mais le séisme de 2011 Tohoku a produit des niveaux d'accélération en plus de la base de conception originale à certaines unités - démontrant que les normes sismiques plus anciennes étaient insuffisantes pour des événements extrêmes rares mais plausibles.

Suppression de la pression et fuite de la ténacité

Plus de 200 pénétrations, destinées à la tuyauterie, aux câbles électriques et aux instruments, doivent être scellées et testées individuellement. Le confinement est surveillé en permanence pour détecter le taux de fuite pendant le fonctionnement; les fuites de conception sont généralement spécifiées à moins de 0,5 % du volume contenu par jour à la pression de conception. La chambre de suppression (torus) contient environ 2 500 mètres cubes d'eau par unité. Lorsque la vapeur provenant des soupapes de décompression ou des conditions d'accident pénètre dans le tore par des anneaux de sparger, l'eau condense la vapeur, réduisant considérablement la pression et la température de pointe. Le tore sert également de réservoir pour l'eau de refroidissement d'urgence. Le système dépend du maintien de l'eau froide dans le tore; une fois que la piscine se réchauffe pour s'assainir, sa capacité de condensation diminue rapidement.

Calque redondance

Au-delà du confinement primaire en acier, Fukushima a été conçu comme un confinement secondaire : le bâtiment du réacteur lui-même, une structure en béton armé avec ventilation et filtration contrôlées. Bien qu'elle ne soit pas conçue comme une limite de pression, elle a constitué une barrière supplémentaire contre la dispersion de toute fuite. Ce concept multicouches - revêtement de combustible, cuve de réacteur, confinement primaire, bâtiment secondaire - a formé une défense en profondeur que les opérateurs attendaient empêcherait toute libération radioactive même si une couche était compromise.

Composantes structurelles des confinements de Fukushima Mark I

L'arrangement physique du confinement à Fukushima se composait de plusieurs éléments interconnectés, chacun ayant une fonction spécifique:

  • Drywell: Un récipient à pression en forme de poire qui abrite le réservoir à pression du réacteur. Il capte toute vapeur ou toute matière radioactive qui s'échappe du système de refroidissement du réacteur et la conduit à la piscine de suppression. À Fukushima, le diamètre du puits sec était d'environ 18 mètres, avec une hauteur totale d'environ 30 mètres. Le plancher de puits sec est bordé d'une plaque de fond en acier épaisse conçue pour attraper tout débris de noyau fondu, bien que l'analyse post-accident suggère que le corium a pénétré cette plaque dans certaines unités.
  • Suppression Chamber (Torus)[: Un réservoir en acier en forme de beignet partiellement rempli d'eau, situé à la base du puits sec. Les tuyaux d'évent relient le puits sec supérieur à la piscine de suppression. Lors d'un accident de perte de refroidissement, la vapeur est forcée à travers ces tuyaux et condensée dans la piscine. L'intégrité structurelle du tore est critique; une défaillance peut contourner la fonction de suppression et entraîner de grands rejets.
  • Lignes de vent et soupapes de sauvetage de sécurité[ : Le réacteur dispose de soupapes de sauvetage de sécurité qui rejettent de la vapeur dans le puits sec ou directement dans le bassin de suppression.Ces soupapes assurent une protection contre la surpression du réacteur et constituent la première voie pour la vapeur entrant dans le confinement.
  • Systèmes de pulvérisation et de refroidissement de confinement: Les en-têtes de pulvérisation dans le dôme de puits secs peuvent distribuer de l'eau pour réduire la température et la pression après un accident. Ce système dépend de l'énergie électrique ou de sources d'injection d'eau alternatives.
  • Personnel et équipement Les sas[ : Les portes en acier lourd avec joints gonflables permettent l'accès pendant l'entretien.En cas d'accident, ces joints doivent rester intacts; la dégradation à haute température a contribué aux voies de fuite.
  • Valves d'isolement de confinement: Toutes les vannes de confinement pénétrantes de tuyauterie sont munies de soupapes d'isolement qui se ferment automatiquement sur des signaux de rayonnement ou de pression élevés. Certaines de ces vannes à Fukushima fonctionnaient comme prévu, mais le manque de puissance et d'instrumentation empêchait de vérifier pleinement leur état.

Ce qui s'est passé pendant l'accident de Fukushima : un défi de confinement étape par étape

Le séisme a déclenché l'arrêt automatique du réacteur aux unités 1, 2 et 3 (l'unité 4 était en panne de carburant). L'énergie hors site a été perdue et des générateurs diesel de secours ont commencé, mais le tsunami a inondé les bâtiments du générateur et les commutateurs, provoquant une panne prolongée de station. Sans refroidissement actif, la chaleur de décomposition dans les noyaux du réacteur a augmenté la température du combustible, entraînant éventuellement l'oxydation de l'enrobage, la production d'hydrogène et la fusion du combustible.

  1. La vapeur initiale s'est relâchée dans le puits sec: À mesure que le niveau d'eau du noyau a baissé, les soupapes de sécurité se sont levées à plusieurs reprises, déchargeant de la vapeur et de l'hydrogène dans le puits sec. La pression a augmenté régulièrement.
  2. Opération de suppression de pression[: La vapeur se condensait dans le tore au départ, mais sans refroidissement de la circulation d'eau, la température de la piscine de suppression augmentait. À l'unité 1, la piscine atteignait le point d'ébullition en quelques heures.
  3. Surpression de confinement: Le matin du 12 mars à l'unité 1, la pression de puits sec a dépassé les limites de conception, atteignant presque le double de la pression maximale autorisée. La coque en acier a commencé à se déformer et les joints de bride autour des pénétrations ont commencé à s'échapper.
  4. Tentatives d'évacuation intentionnelle[: Les opérateurs ont tenté d'évacuer le confinement dans l'atmosphère par des conduites d'évacuation durcies pour réduire la pression et prévenir une rupture catastrophique. Cependant, les soupapes d'évacuation ont exigé un fonctionnement manuel et une puissance fiable; à l'unité 1, l'évacuation n'a été ouverte avec succès qu'après que la pression ait déjà endommagé les joints.
  5. Explosions d'hydrogène[: L'hydrogène, généré par les réactions à la vapeur de zirconium, accumulé dans les parties supérieures des bâtiments du réacteur (soutien secondaire). Aux unités 1, 3 et 4, cet hydrogène s'est enflammé, provoquant des explosions massives qui ont détruit les superstructures du bâtiment du réacteur.
  6. Praie et rupture de confinement: À l'unité 2, la chambre de suppression a probablement subi une défaillance structurale lors d'un événement de surpression le 15 mars, entraînant un rejet direct important de matières radioactives. Aux unités 1 et 3, l'intégrité du confinement primaire a été compromise par des joints de fuite et par la fusion possible de pénétrations de planchers de puits secs, car le corium interagissait avec le béton.

Efficacité du confinement de la marque I dans des conditions sévères

Les confinements de Fukushima ne se sont pas parfaitement déroulés, mais ils ont montré une grande résilience. Malgré des pressions énormes, des températures supérieures à 300 °C à certains moments et de multiples défis, les confinements primaires des unités 1, 2 et 3 ont empêché le type de libération instantanée catastrophique qu'une défaillance du réservoir de pression du réacteur aurait causé à lui seul. Les réservoirs en acier sont restés en grande partie intacts, confinant la plupart des produits de fission volatile et du corium.

Cependant, la fonction de confinement a été compromise par les facteurs que la conception n'avait pas pleinement anticipés :

  • Station blackout[: Tous les systèmes de chauffage actifs dépendent de l'énergie électrique. Une fois les batteries épuisées, il n'y a pas de moyen de refroidir la piscine de suppression ou de pulvériser la puits sèche.
  • Risque sous-estimé d'hydrogène : Le taux de production d'hydrogène à partir d'une oxydation rapide du zirconium dépassait les attentes. Les calculs après accident ont montré que plus de 1 000 kg d'hydrogène étaient produits dans chaque unité, soit bien plus que la petite quantité en cause dans les analyses de la base de conception.
  • Défauts de ventilation : Le système de ventilation durci, conçu comme le soulagement de la pression ultime, s'est révélé peu fiable dans des conditions d'accident graves.Les opérateurs n'ont pas pu ouvrir rapidement les vannes en raison de la forte radiation, du manque de puissance et des problèmes d'instrumentation.
  • La dégradation des joints: Des températures élevées (plus de 200 °C dans le puits sec) et des changements de pression ont provoqué une dégradation des joints et joints d'élastomériques lors des pénétrations, qui ont créé des voies de fuite directes du puits sec au bâtiment du réacteur, contournant ainsi le bassin de suppression.

Malgré ces lacunes, le confinement Mark I a confiné environ 99,9 % de l'inventaire de base de radionucléides moins volatils comme le césium et le strontium dans les sous-sols des réacteurs, selon les analyses post-accident. Le rejet hors site de césium-137 a été estimé à environ 10 % de l'inventaire de base, une quantité importante mais bien inférieure à celle de Tchernobyl, qui n'avait pas de confinement robuste.

Leçons apprises et renforcements post-fukushima

Au lendemain, l ' industrie nucléaire a procédé à des réévaluations techniques exhaustives, les gouvernements et les exploitants ayant amélioré considérablement la robustesse des systèmes de confinement, en mettant l ' accent sur les événements hors de la conception, et les enseignements peuvent être regroupés en plusieurs domaines clefs :

Protection fiable contre la surpression

Les nouvelles exigences qui ont été imposées pour l'installation de systèmes d'aération par confinement filtrés durcis (FCVS) dans de nombreuses installations de production de BWR dans le monde entier, comprennent des filtres à haute capacité, généralement à l'aide de épurateurs humides combinés à des séparateurs à gouttes fines, pour éliminer les particules radioactives et l'iode avant le rejet. Au Japon, les régulateurs ont besoin d'aérations filtrées pour tous les réacteurs à eau bouillante qui ont été réaménagés d'ici 2020.

Gestion de l'hydrogène

Les explosions ont entraîné des travaux intensifs sur la régulation des gaz combustibles.Les recombineurs autocatalytiques passifs (PAR) sont maintenant largement installés à l'intérieur du confinement et dans les bâtiments des réacteurs pour convertir l'hydrogène en vapeur d'eau sans avoir besoin d'électricité.Ces dispositifs utilisent un catalyseur, généralement du palladium ou du platine, pour amorcer la recombinaison dans des conditions ambiantes.

Améliorations sismiques et d'inondation

La réévaluation des risques sismiques et des risques de tsunami a entraîné des renforcements structurels importants.De nombreuses usines ont ajouté des contreforts en béton pour renforcer les bases de confinement, mieux piéger l'équipement et installer des barrières d'inondation telles que des murs de mer dépassant les estimations initiales de hauteur du tsunami. L'Association nucléaire mondiale documente que les mesures de sécurité après Fukushima comprenaient la levée de générateurs diesel d'urgence et leur mise dans des soutes étanches.

Lignes directrices et matériel de gestion des accidents graves

Les exploitants ont élaboré des stratégies détaillées pour maintenir l'intégrité du confinement pendant les pannes prolongées de station, notamment des pompes, des générateurs et des tuyaux portatifs pré-étagés pour injecter de l'eau directement dans le puits sec et le torus. Les connexions de pulvérisation de Drywell qui peuvent être alimentées par des camions-pompiers ont été renforcées. Les indications de la salle de contrôle de la température, de la pression et du niveau de l'eau de confinement ont été améliorées avec des capteurs redondants et résistants aux accidents, certains utilisant la communication sans fil pour assurer la transmission de données, même si les câbles sont endommagés.

Meilleure pénétration et meilleure performance des phoques

Les travaux de recherche sur les matériaux ont permis d'adopter des joints métalliques à haute température et des composés élastomères améliorés qui peuvent maintenir l'intégrité à des températures supérieures à 250 °C. Les concepts de fuite avant rupture ont été examinés et le nombre de pénétrations a été réduit dans de nouveaux modèles. Dans la mesure du possible, les pénétrations de tuyauterie ont été transférées dans des zones à risque moindre. Certaines usines ont installé des joints multiétapes et ont augmenté la fréquence des essais de débit de fuite à des intervalles trimestriels (auparavant une fois par cycle de combustible) pour certaines vannes d'isolement de confinement.

Changements mondiaux dans la philosophie de la conception des confinements

L'accident de Fukushima a accéléré un virage vers la sécurité passive dans les nouveaux réacteurs. Les confinements de nouvelle génération, comme ceux de l'AP1000, du BWR simplifié économique (ESBWR) et du VVER-1200, reposent sur des stocks d'eau importants à l'intérieur du confinement, le refroidissement par gravité et la circulation naturelle pour éliminer la chaleur de décomposition pendant au moins 72 heures sans action de l'opérateur ou puissance CA. Ces confinements sont généralement beaucoup plus volumétriques que le Mark I, donnant une augmentation de pression plus lente et plus de temps pour l'intervention.

Par exemple, le confinement ESBWR=S intègre un système de refroidissement passif du confinement (PCCS) qui utilise une piscine extérieure située sur le dessus du bâtiment de confinement. Lors d'un accident, la vapeur à l'intérieur du confinement monte au dôme, se condense sur la surface intérieure du récipient de confinement en acier et transfère la chaleur à la piscine, qui s'évapore ensuite dans l'atmosphère.Cela élimine la nécessité de pulvérisations actives ou de refroidissement par bassin de suppression. Le réacteur européen pressurisé à eau (EPR) intègre un capteur de cœur qui se propage et refroidit le corium dans un compartiment dédié bordé de béton sacrificiel, ainsi qu'une structure de double confinement avec un système de ventilation et de filtration conçu pour faire face à de graves accidents.

Dans les installations existantes, des essais complets d'intégrité du confinement sont maintenant effectués dans le cadre de scénarios d'accident plus larges. Les évaluations probabilistes des risques ont été affinées pour tenir compte des événements qui remettent en question le confinement de manière non prise en considération précédemment, y compris l'éviction de stations, les accidents multi-unités et les inondations sismiques de matériel de sûreté.

Perspectives d'avenir : L'avenir des systèmes de confinement nucléaire

La communauté des ingénieurs comprend maintenant que le confinement doit non seulement résister aux charges de base de conception, mais aussi conserver son efficacité fonctionnelle lors d'événements qui dépassent ces charges par une large marge. Les recherches se poursuivent sur les confinements ultra-robustes pour les réacteurs avancés, y compris les réacteurs refroidis au gaz à haute température et les conceptions de sels fondus, qui intègrent des formes de combustible qui résistent à la fusion. Même dans les réacteurs à eau légère, les techniques de construction modulaires permettent l'utilisation de murs composites à double béton en acier qui absorbent l'impact et la surpression tout en maintenant une barrière étanche.

Les organismes de réglementation du monde entier ont adopté le principe selon lequel le confinement devrait être pratiquement éliminé comme mode de libération rapide importante. La politique mise à jour par le NRC des États-Unis exige maintenant que les titulaires de permis démontrent que même en cas d'accident grave, la défaillance du confinement ne se traduira pas par un rejet important et non atténué.

Le rapport d'accident de Fukushima Daiichi de l'AIEA demeure une référence technique clé et le document d'information du CNRC documente les changements réglementaires qui ont suivi. Bien qu'aucune barrière ne puisse être parfaitement invulnérable, les progrès techniques réalisés depuis 2011 ont réduit considérablement la probabilité d'un rejet catastrophique et ont prolongé le temps disponible pour la réponse.