Savoir et comprendre

Résumé

Trois phénomènes pouvant conduire à la ruine brutale du confinement

21/05/2012

​​​​​​(Mise à jour) Pour un bilan actualisé en 2021, lire notre dossier « Tchernobyl, 35 ans ​après »​​​​

Après l’accident de ​Tchernobyl, on a cherché à mieux comprendre les phénomènes pouvant conduire à la défaillance de l’enceinte de confinement. Ces phénomènes sont essentiellement les suivants :

  • explosion de vapeur,
  • échauffement direct de l'enceinte,
  • explosion d'hydrogène.

 

Explosion de vapeur

Le terme « explosion de vapeur » désigne un phénomène brutal : la vaporisation explosive engendrée par un transfert de chaleur très rapide entre un matériau en fusion et de l'eau. La vaporisation de l'eau est si rapide que la pression générée localement fragmente finement ce matériau. Cette fragmentation augmente sa surface d'échange avec l'eau, donc le transfert d'énergie. Elle est susceptible d'induire une explosion avec, en cas de pic de pression important, une émission de projectiles sur l’enceinte.

Cela peut se produire, par exemple, si du combustible fondu tombe dans de l'eau, en particulier dans le fond de cuve ou dans le puits de cuve.

 

Schéma montrant diverses configurations de combustible fondu avec de l'eau, susceptibles d'engendrer une explosion de vapeur

Schéma montrant diverses configurations de combustible fondu avec de l'eau,
susceptibles d'engendrer une explosion de vapeur

 Pour le cas d’une explosion de vapeur dans la cuve, un large consensus international estime qu’une telle explosion ne devrait pasentraîner l’envol du couvercle de la cuve, donc ne devrait pas mettre en danger l'intégrité de l'enceinte de confinement. Pour le cas d’une explosion de vapeur hors de la cuve, l’IRSN a évalué les chargements en pression et en température dans le puits de cuve (à l’aide du logiciel MC3D). En l’état actuel des connaissances, il apparaît qu’il convient d’éviter la présence d’eau dans le puits de cuve lors du percement de la cuve. Cette orientation a d’ailleurs été retenue dans les directives techniques applicables à l’EPR.

 

« Échauffement direct » de l'enceinte

En cas de fusion du cœur d'un réacteur, si une rupture du fond de la cuve intervient alors que la pression dans la cuve excède environ 15 à 20 bars, un mélange de vapeur d’eau et de combustible fondu peut être éjecté dans le puits de cuve, puis dans les compartiments de l’enceinte attenants à celui-ci. Ce phénomène dynamique (réactions chimiques et rayonnement thermique) a pour effet de chauffer l'atmosphère de l'enceinte en quelques secondes. Il augmente ainsi "brutalement" sa pression, d'où le nom d' « échauffement direct » de l'enceinte.

schéma montrant l'interaction brutale entre l'atmosphère de l'enceinte et le combustible

« Échauffement direct » de l'enceinte : schéma montrant l'interaction brutale entre
l'atmosphère de l'enceinte et le combustible fondu (« corium ») éjecté hors de la cuve  

Ce mode de pressurisation brutale de l'enceinte a été étudié aux Etats-Unis à partir des années 80. Cette étude a montré que les conséquences d'un tel phénomène dépendaient fortement de la géométrie du puits de cuve. Dans les années 90, l'IRSN a donc initié des programmes expérimentaux et développé des modèles de calcul afin de mieux cerner l'importance de ce phénomène en tenant compte des caractéristiques précises du puits de cuve des réacteurs français. Le phénomène est actuellement évalué à l’IRSN à l’aide d’outils de simulation tels que MC3D.
   
Récemment, un programme expérimental a été mené dans le cadre d'une collaboration entre l'IRSN et le centre de recherche FzK de Karlsruhe (Allemagne).

 

Explosion d'hydrogène

 
De l’hydrogène pourrait être produit au cours d'un accident grave, notamment :

  • lors de la fusion du combustible dans la cuve du réacteur : l'hydrogène est produit par les réactions d'oxydation, par la vapeur d'eau présente dans la cuve, du matériau métallique (zirconium) entourant le combustible et des matériaux métalliques des structures internes ;
  • après la percée de la cuve, lors de l'interaction du corium avec le béton du radier de la centrale.

 

Les concentrations d'hydrogène dans l'enceinte pourraient alors atteindre des valeurs telles qu'une explosion de ce gaz inflammable serait possible. Cette explosion pourrait affecter l’étanchéité de l’enceinte de confinement du réacteur.  

Au moment de l'accident de Tchernobyl, un programme de recherche IPSN-CEA-EDF était en cours. Il portait sur divers aspects du phénomène de combustion de l'hydrogène : production et répartition de l'hydrogène, effet de la combustion sur l'enceinte, tenue des matériels. Il n'était pas encore possible d’en tirer de conclusions quant à la tenue des enceintes de confinement en cas d'explosion d'hydrogène dans les réacteurs français.

Depuis, il est apparu que la valeur maximale de la pression instantanée résultant d'une déflagration d'hydrogène en cas d'accident grave pourrait affecter l'étanchéité de l'enceinte de confinement, au moins pour certains réacteurs.

Face à ce constat, EDF a proposé d’équiper les réacteurs de 1300 et 1450 MWe de recombineurs catalytiques passifs d'hydrogène et l'autorité de sûreté française a demandé à Électricité de France, en juin 2001, d'étendre leur installation à l'ensemble des réacteurs du parc français, et ce avant la fin 2007.

Le principe de fonctionnement de tels recombineurs est le suivant : l'hydrogène, mélangé à l'oxygène, à l'azote et à la vapeur d'eau contenus dans l'atmosphère de l'enceinte, est recombiné en vapeur d'eau au contact d'un catalyseur contenu dans des plaques dites « catalytiques ». Il s'agit d'un phénomène à cinétique lente.


 

Schéma de principe d'un recombineur catalytique passif d'hydrogène

Schéma de principe d'un recombineur catalytique passif d'hydrogène