Savoir et comprendre
Résumé
Accident grave dans un réacteur à eau pressurisée
21/05/2012
(Mise à jour) Pour un bilan actualisé en 2021, lire notre dossier « Tchernobyl, 35 ans après »
Qu’est-ce qu’un accident grave dans un réacteur à eau pressurisée ?
Dans la terminologie actuelle, un accident grave correspond à une fusion du combustible dans le cœur du réacteur. Il a pour origine un défaut de refroidissement du cœur. Lors de la conception et de l’exploitation des réacteurs, tout est fait pour prévenir un tel refroidissement. Il demeure toutefois un risque infime d’enchaînement d’évènements conduisant à un tel refroidissement.
Simulation d'un accident grave
La puissance produite dans le réacteur — y compris après l’arrêt de la réaction en chaîne (puissance dite « résiduelle ») — ne peut plus être évacuée suite à un cumul de défaillances humaines ou matérielles. En une à quelques heures, la structure des éléments combustibles se dégrade et une succession de phénomènes complexes se déroule (avec des variantes en fonction des conditions initiales de l’accident et des actions des opérateurs).
De nombreux événements peuvent conduire à un accident grave parmi lesquels :
- une brèche dans le circuit primaire : le cœur se dénoie sous une pression relativement basse ; suivant l'état initial du réacteur au moment de l'apparition de la brèche, la taille de cette dernière, la séquence accidentelle, le dénoyage du combustible (c'est à dire le moment où le niveau d'eau dans la cuve descend suffisamment pour ne plus recouvrir les barreaux de combustible) peut être atteint en moins d'une minute ou en plusieurs heures voire plusieurs jours ;
- la défaillance des circuits normaux et de secours d'alimentation en eau des générateurs de vapeur.
En simplifiant beaucoup, les différentes phases d’un accident grave sont les suivantes :
1. Sous l’effet de la puissance résiduelle, le combustible présent dans le cœur du réacteur se dégrade puis fond.
Les gaines de zircaloy entourant le combustible se déforment et finissent par se rompre. Les produits de fission volatils accumulés entre les pastilles de combustible et les gaines rompues sont relâchés dans le circuit primaire, ainsi qu'une certaine partie des produits de fission se trouvant dans le combustible, notamment pour un combustible en fin de vie.
En parallèle, le zirconium des gaines s'oxyde au contact de la vapeur d'eau surchauffée. La cinétique de ce phénomène augmente rapidement avec la température. Cette oxydation délivre localement une puissance supérieure à la puissance résiduelle, contribuant ainsi à une augmentation très rapide de la température du combustible. De plus, cette réaction libère de l'hydrogène dans le circuit primaire puis l'enceinte de confinement. Il y aura alors un risque de combustion de cet hydrogène dans l'enceinte de confinement (ce phénomène porte le nom d' "explosion d'hydrogène"), susceptible d'endommager cette enceinte.
Cela a pour conséquences :
- la libération d’hydrogène, car la vapeur d’eau produite dans la cuve oxyde les matériaux métalliques, en particulier les gaines entourant le combustible (Zr + 2H2O -> ZrO2 + 2H2),
- l’émission de produits de fission dans le circuit primaire voire dans l’enceinte de confinement via une tuyauterie accidentellement rompue, par exemple.
2. Si de l’eau n’est pas injectée dans la cuve (« renoyage du cœur»), le combustible et les autres matériaux fondent.
Les très hautes températures atteintes par le combustible (au delà de 2500°C) entraînent la perte de sa géométrie par fusion ou effondrement local puis général. Il y a formation d'un "corium", amas de combustible et de métaux fondus et mélangés, maintenu en fusion par le dégagement de la puissance résiduelle due aux produits de fission.
L'effondrement des éléments constitutifs du cœur provoque la vaporisation brutale de l'eau qui serait restée dans le fond de la cuve puis, plus ou moins rapidement selon la valeur de la pression dans le circuit primaire, le percement du fond de la cuve. Cela peut demander de quelques dizaines de minutes à plusieurs heures.
Si le circuit primaire est en pression à l'instant de la percée du fond de la cuve, il peut y avoir dispersion de corium dans l'enceinte au moment de sa sortie de la cuve, dispersion produisant une rapide montée en pression de l'enceinte de confinement. Ce phénomène, qui porte le nom "d'échauffement direct de l'enceinte", peut menacer l'étanchéité de l'enceinte de confinement.
S'il y a de l'eau dans le fond du puits de cuve, il peut se produire de fortes interactions entre le corium et l'eau, pouvant, à l'extrême, générer une explosion. Ce type d'explosion porte le nom d' "explosion de vapeur" et peut également menacer l'intégrité de l'enceinte de confinement, et le corium parvient à attaquer le fond de la cuve, puis à le percer.
Durant cette phase (voir la partie Trois phénomènes pouvant conduire à une ruine brutale du confinement) :
- l’enceinte de confinement peut être détériorée par une explosion d’hydrogène si celui-ci est présent (déflagration ou détonation),
- les structures du réacteur peuvent être soumises aux effets d’une explosion de vapeur résultant d’une interaction corium-eau avant ou après le percement de la cuve,
- l’enceinte de confinement peut être soumise à l’impact d’un projectile créé par l’explosion,
- dans le cas particulier d’une percée de la cuve en pression, la chasse du corium pourrait conduire à un échauffement direct de l’atmosphère de l’enceinte de confinement.
3. Sous l’effet de la chaleur libérée par le corium, et des réactions chimiques au contact entre le béton et le corium, le béton du radier situé sous la cuve libère différents gaz.
Ajoutés à la vapeur d’eau déjà créée, cela entraîne une augmentation progressive de la pression de l’atmosphère de l’enceinte. Les éventuelles pertes d'étanchéité provenant d'une interaction corium-béton interviennent à des temps biens supérieurs aux phénomènes du § 2 ci-dessus. Cela laisse le temps de mettre en œuvre des parades, comme la dépressurisation volontaire et contrôlée de l'atmosphère de l'enceinte au travers d'un filtre.
4. Une certaine quantité de produits de fission émise durant la 1ère phase (principalement les gaz rares, l’iode, le césium) peuvent alors sortir de l’enceinte soit sous forme de « pertes naturelles » (quantités limitées), soit en quantités plus importantes en raison d’une défaillance de l’étanchéité ou de sa dépressurisation volontaire contrôlée par les opérateurs.
Un tel accident conduit donc à des rejets radioactifs plus ou moins importants dans l’environnement.
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