Savoir et comprendre

Pour dimensionner et/ou vérifier la tenue au séisme d’une installation nucléaire, il est nécessaire d’identifier les séismes qui pourraient avoir des effets non négligeables au site de l’installation : il s’agit des « séismes de référence ». L’installation est dimensionnée de telle sorte qu’elle résiste aux mouvements du sol induits au site de l’installation par ces séismes de référence. Évaluer l’aléa sismique consiste à déterminer ce niveau de référence du mouvement du sol.
 

En France, la Règle Fondamentale de Sûreté 2001-01 (dite RFS 2001-01) précise la démarche pour évaluer l’aléa sismique sur les sites des installations nucléaires. La démarche de base est déterministe dans le sens où les mouvements sismiques de référence sont associés à des séismes de référence. La RFS 2001-01 prévoit les étapes présentées ci-dessous.

 

1. Définir les zones sismotectoniques homogènes sur la base d’une synthèse des données géologiques et sismologiques
 

Dans le contexte de sismicité faible à modérée de la France métropolitaine, les failles susceptibles de générer des séismes ne sont pas toutes identifiées. Compte tenu de ce manque de connaissance, la RFS 2001-01 demande d’analyser les données géologiques et sismologiques et de définir des zones (dites zones sismotectoniques) considérées comme homogènes du point de vue de leur potentiel à générer des séismes. Dans les zones sismotectoniques ainsi définies, on considère que, pour une zone donnée, tous les séismes qui s’y sont produits peuvent s’y reproduire à l’avenir en n’importe quel endroit de la zone. La figure 1 présente le zonage sismotectonique de la France le plus récent utilisé par l’IRSN dans le cadre de ses travaux d’analyse des dossiers de sûreté des exploitants, effectués pour le compte des autorités. Ce zonage est régulièrement mis à jour afin d’intégrer les nouvelles connaissances issues, soit de travaux de recherches menés par l’IRSN, soit de travaux menés par d’autres organismes, dont les exploitants, ou des équipes universitaires.
 

Figure 1 : Le zonage sismotectonique de la France utilisé par l’IRSN, produit à partir de la synthèse de données géologiques, géophysiques et sismologiques. Par définition, les séismes qui se sont produits dans une zone pourraient se reproduire n’importe où dans cette zone. Selon ce zonage, la France métropolitaine comporte 66 zones sismotectoniques. Les triangles rouges indiquent la localisation des installations nucléaires (IRSN).

 

2. Sélectionner les séismes les plus forts
 

Dans chaque zone sismotectonique, une hypothèse est faite : les séismes passés pourraient se reproduire en tous points de leur zone d’appartenance. Ce principe est appliqué pour sélectionner les séismes les plus forts pour un site nucléaire donné. En effet, dans une démarche de sûreté, les épicentres des séismes les plus importants de chaque zone sont déplacés à la position la plus pénalisante pour le site. Pour la zone qui contient le site, cela revient à placer les séismes les plus importants sous le site ; pour les zones adjacentes, cela conduit à translater les séismes à la limite de la zone, au plus près du site.
 

La figure 2 montre un exemple de ces déplacements (flèches) pour le site nucléaire de Bugey. Le séisme de L’Arbresle (1878) survenu dans la même zone que le site, est déplacé « sous » celui-ci, tandis que les séismes survenus dans une zone voisine sont rapprochés au plus près de limite de zone, ainsi le séisme de la Tour du pin (1578) est rapproché à environ 1,5 km, le séisme de Belley (1822) est rapproché à environ 11 km du site.
 

Suite à cette étape de translation, la RFS précise que les séismes qui produisent les effets les plus forts en termes d’intensité au site doivent être considérés. Cette pratique dite de « filtrage par l’intensité » peut toutefois conduire à écarter des séismes susceptibles d’induire des effets importants en termes de mouvement sismique (cf. ci-dessous). C’est pourquoi, l’IRSN considère que les exploitants doivent retenir l’ensemble des séismes qui produisent les intensités et les mouvements sismiques les plus pénalisants pour évaluer l’aléa sismique à prendre en compte pour les installations.
 

Figure 2 : Identification des séismes susceptibles de produire les effets les plus forts sur le centre nucléaire de production électrique de Bugey (triangle rouge). Les séismes historiques, représentés par des carrées, sont issus de la base de données SISFRANCE 2016. Les flèches indiquent les déplacements appliqués aux séismes retenus (IRSN).

 

3. Calculer les deux paramètres principaux (magnitude et profondeur) des séismes historiques de référence, dits Séismes Maximaux Historiquement Vraisemblables (SMHV)
 

En France métropolitaine, la plupart des séismes retenus pour évaluer l’aléa sismique sont des évènements historiques pour lesquels il n’existe pas d’enregistrements instrumentaux, donc pas de mesures directes de leur magnitude ni de la profondeur de leur foyer (point où s’initie la rupture sismique). La seule information disponible de tels séismes est la répartition géographique des intensités macrosismiques rapportées par les archives (voir la page Les séismes en France métropolitaine).
 

Afin d’estimer la magnitude et la profondeur des séismes historiques, l’IRSN étudie des séismes récents pour lesquels on dispose à la fois d’informations sur les intensités macrosismiques observées,  et sur la magnitude et la profondeur. Ces informations permettent d’établir des modèles empiriques (i.e. tirés des observations) liant la magnitude et la profondeur à la répartition géographique des intensités macrosismiques.
 

L’utilisation de la méthode développée par l’IRSN permet d’évaluer les incertitudes associées à la magnitude et à la profondeur ainsi estimées pour le séisme.
 

Figure 3 : Estimation de la magnitude pour des séismes historiques. Des modèles reliant la répartition géographique des intensités macrosismiques et la magnitude sont établis à partir de l’analyse de séismes récents français et européens. Ces modèles sont ensuite appliqués aux séismes historiques pour lesquels la seule information disponible est l’intensité. Cette approche permet ainsi une estimation de la magnitude. La profondeur du foyer des séismes historiques est obtenue en mettant en œuvre ces mêmes modèles.

4. Majorer l’intensité et la magnitude des séismes de référence
 

Une majoration forfaitaire, qui conduit à définir un ou des Séismes Majorés de Sécurité (SMS), permet de tenir compte d’incertitudes inhérentes à l’estimation des caractéristiques des séismes de référence. Historiquement, l’application de cette majoration a aussi été prévue pour tenir compte de la survenue possible de séismes plus forts que ceux connus historiquement, comme par exemple celle des séismes de Corrençon en 1962 (région considérée jusqu'alors comme asismique), d’Arette en 1967 et d’Oléron en 1972. La majoration conduit à augmenter l’intensité du SMHV de 1 degré, ce qui équivaut à augmenter sa magnitude de 0,5 unités.
 

5. Étudier les indices de paléoséismes
 

Les recherches effectuées par les géologues ont conduit à reconnaître les traces dans les couches géologiques de forts séismes survenus lors de périodes très reculées (quelques milliers à quelques dizaines voire centaines de milliers d’années). Ces séismes anciens sont appelés paléoséismes. Pour mettre en évidence un paléoséisme et le caractériser, il est nécessaire d’étudier les traces de rupture en surface enregistrées dans les couches géologiques récentes et superficielles (sols, dépôts alluviaux ou colluviaux, sédiments lacustres, etc.) le long des failles qui les ont générées.
 

Par l’étude des séismes importants qui créent des ruptures en surface dans le monde entier, il est possible d’associer les caractéristiques (magnitude) de ces séismes actuels et connus à la dimension des ruptures en surface (essentiellement longueur de faille rompue, quantité moyenne ou maximale de déplacement fini sur la faille). Dans les études d’aléa, on utilise, pour évaluer les caractéristiques (magnitude) des paléoseismes des corrélations formalisées sous la forme de relations empiriques déterminées statistiquement tirées de l’analyse des séismes forts actuels.
 

La RFS 2001-01 préconise de prendre en compte ces indices de séismes passés (paléoséismes), parce qu’ils complètent les catalogues existants (sismicité instrumentale et sismicité historique) qui recouvrent une période trop courte pour décrire avec suffisamment de recul dans le temps la sismicité française.

 

Figure 4 : Exemple d’indice de paléoséisme (Courthézon) sur la faille de Nîmes. Les couches géologiques superficielles ont été décalées par le jeu de la faille, ce qui atteste de son activité. Le déplacement de la couche soulignée, le long du plan de faille, mesure environ 1 m, ce qui selon certaines relations empiriques, aurait été créé par un séisme de magnitude 6,5 ± 0,3. (Photo IRSN)
 

L’IRSN mène et a mené des recherches concernant les paléoséismes en France métropolitaine, notamment en Alsace, dans le Bassin parisien et en Haute-Savoie, tout en participant à l’inventaire des données existantes : indices des déformations récentes (Groupe NEOPAL de 2000 à 2009 ; Baize et al. 2002) ​et recensement des failles potentiellement actives (BDFA : http://bdfa.irsn.fr - Jomard et al. 2018).

 

6. Calculer les mouvements du sol à prendre en compte pour le dimensionnement des installations
 

Une fois les caractéristiques du ou des SMS et, le cas échéant, du paléoséisme établies (magnitude, distance entre le foyer du séisme et le site de l’installation) il est nécessaire de définir le mouvement du sol attendu au site. Ce mouvement sera ensuite utilisé par les ingénieurs du génie civil pour établir et/ou vérifier le dimensionnement des installations et des équipements.
 

Le mouvement du sol peut être décrit sous différentes formes : l’évolution de l’accélération du sol en fonction du temps (dit accélérogramme) ou le « spectre de réponse ». Ce dernier, qui est couramment utilisé, exprime l’accélération maximale (et donc la force) à laquelle est soumise une série de ressorts, chacun caractérisé par une fréquence caractéristique (voir Figure 5). En première approximation, ces ressorts peuvent être assimilés à des bâtiments ou à des équipements.
 

 

Figure 5 : Le spectre de réponse décrit le comportement d’oscillateurs simples sous sollicitation sismique. Il permet d’évaluer les forces qui s’exerceront sur un bâtiment lors d’un séisme (IRSN).

 

Il est possible d’établir des relations empiriques entre les caractéristiques d’un séisme et son spectre de réponse déterminé en un site donné. Pour ce faire, les sismologues collectent dans des bases de données des enregistrements accélérométriques mesurés lors de séismes ainsi que les spectres de réponses qui en sont issus. Les enregistrements proviennent de réseaux sismologiques déployés à travers le monde, le plus souvent dans des régions sismiquement actives (i.e. Bassin Euro-Méditerranéen, Japon, États-Unis…). Les bases de données mettent à disposition des communautés de sismologues et d’ingénieurs des accélérogrammes mais aussi des informations complémentaires (métadonnées) comme la magnitude, la distance entre séismes et stations d’enregistrement ou les conditions de sol à l’aplomb des stations. À partir de ces bases de données, plusieurs relations empiriques, aussi appelées équations de prédiction du mouvement du sol, sont définies. La RFS 2001-01 préconise l’utilisation de la relation de Berge-Thierry et co-auteurs de 2003, établie à partir d’enregistrements de séismes européens et californiens.
 

 

Figure 6 : A gauche, nombre d’enregistrements accélérométriques collectés dans une base de données et classés par intervalles de magnitude et de distance entre la source du séisme et la station d’enregistrement. A droite, les courbes grises correspondent aux spectres de réponses issus des accélérogrammes correspondant à une collection de séismes de même magnitude et enregistrés à la même distance. Les corrélations statistiques entre les amplitudes des spectres et les paramètres relatifs à la magnitude, la distance et les conditions de sol sont étudiées. Ceci permet de définir des lois empiriques qui déterminent l’amplitude moyenne du spectre de réponse (courbes vertes) ainsi que l’écart type associé (courbes vertes pointillées) (IRSN).

 

7. Tenir compte des effets de sites
 

Les couches géologiques superficielles peuvent influencer le mouvement sismique en surface (voir page Les effets de site). La RFS 2001-01 recommande donc d’adapter le spectre de réponse en fonction du type de sol sur lequel repose l’installation. La RFS 2001-01 distingue différents types de sol en fonction de la vitesse de propagation des ondes sismiques de cisaillement (Vs) moyennée sur les 30 mètres les plus superficiels de la colonne de sol sous le site. Pour les sols ayant des Vs faibles (qualifiés de sol meubles), le mouvement sismique incident peut être amplifié et sa durée augmentée.
 

Par ailleurs, des configurations particulières peuvent aussi perturber la propagation des ondes sismiques (par exemple : bassin sédimentaire enchâssé dans un milieu rocheux, forte épaisseur de sol meuble). Dans une telle situation, la RFS 2001-01 recommande de mener des études spécifiques en vue de déterminer le mouvement sismique à prendre en compte (aux niveaux SMHV et SMS).
 

Figure 6 : La présence d’une cuvette sédimentaire (en bleu) encaissée dans un massif rocheux (en jaune) est susceptible de modifier significativement le mouvement sismique incident. Dans ce cas, il est nécessaire de conduire une étude pour tenir compte des spécificités du milieu (IRSN).

 

8. Définir les mouvements sismiques à utiliser pour le dimensionnement des installations
 

L’application de la RFS 2001-01 permet de déterminer l’aléa sismique à retenir sur le site d’une installation nucléaire pour établir et/ou vérifier son dimensionnement. Cet aléa est défini par un spectre de réponse qui doit être enveloppe des spectres SMS et des spectres de paléoséismes. À l’issue de l’étude de l’aléa sismique, la RFS 2001-01 demande également que le spectre retenu ne soit pas inférieur à un spectre minimal forfaitaire calé en accélération à 0,1 g à la fréquence infinie. Le spectre minimal forfaitaire correspond à l’enveloppe simplifiée de deux spectres associés respectivement à un séisme lointain de magnitude 6,5 à environ 40 km et à un séisme proche de magnitude 4,5 à 10 km. Sa forme dépend du type de sol, rocher ou alluvion.
 

La définition de l’aléa sismique sur un site nucléaire fait l’objet de réévaluations périodiques (à l’occasion de la préparation des visites décennales) permettant de prendre en compte l’évolution des méthodes et des connaissances géologiques et sismologiques. Ces réévaluations peuvent conduire à une modification sensible de l’aléa sismique, ce qui impose que soient réalisées des vérifications de la tenue au séisme des installations et des équipements avec les nouveaux paramètres ; dans certains cas, cela peut conduire l’exploitant à réaliser des travaux de renforcement.

 

9. Évolutions suite à l’accident de la centrale de Fukushima Dai-ichi
 

De nouvelles dispositions ont été établies dans le domaine des aléas naturels au travers des évaluations complémentaires de sûreté (ECS) réalisées pour prendre en compte le retour d’expérience de l’accident de la centrale japonaise de Fukushima Dai-ichi en mars 2011, et renforcer les exigences de sûreté relatives à la prévention des risques naturels.

Il s’agissait en particulier de définir des niveaux d’aléas à prendre en compte « au-delà du dimensionnement ». L’Autorité de sûreté nucléaire (ASN) a demandé aux exploitants nucléaire de définir et de mettre en œuvre un « noyau dur » de dispositions matérielles et organisationnelles robustes permettant de limiter les conséquences d’une agression « extrême » qui affecterait un de ses sites français d’implantation de réacteurs électronucléaires.
 

Décisions ASN n°2014-DC-0394 à n°2014-DC-0412 du 21 janvier 2014 :
« L'aléa sismique, à prendre en compte pour les SSC (systèmes, structures et composants) du noyau dur, défini par un spectre de réponse, doit :
- être enveloppe du séisme majoré de sécurité (SMS) de site, majoré de 50 % ;
- être enveloppe des spectres de site définis de manière probabiliste avec une période de retour de 20 000 ans ;
- prendre en compte pour sa définition, les effets de site particuliers et notamment la nature des sols.
Pour les SSC nouveaux du noyau dur, l'exploitant retient un spectre majoré par rapport au spectre de réponse défini ci-dessus. »
 

La démarche ECS a répondu à la demande du Premier ministre de réaliser un audit de sûreté des installations nucléaires françaises. Elle a aussi répondu à la demande du Conseil européen de réaliser des « stress tests » (tests de résistances) sous la coordination de l’ENSREG (European Nuclear Safety Regulators Group). À l’issue des stress tests, l’ENSREG a préconisé l’élaboration de niveaux de référence et de guides à des fins d’harmonisation et d’amélioration de la sûreté. En conséquence, l’association des autorités de sûreté d’Europe de l’ouest (WENRA) a rédigé une doctrine sur la prise en compte des aléas naturels pour la protection des centrales nucléaires (Issue T (Natural Hazards) du Reference Level de WENRA).
 

Élaboré conjointement avec l’IRSN, le guide n°22 de l’ASN publié en 2017 regroupe des recommandations en matière de sûreté pour la conception des réacteurs à eau sous pression qui tiennent notamment compte des recommandations publiées par WENRA. Les exigences associées visent à évaluer les aléas à partir d’études spécifiques à chaque site d’installation nucléaire, à utiliser une valeur cible commune de fréquence annuelle de dépassement ne dépassant pas 10^-4/an (voir la page Évaluation de l’aléa sismique : l’approche probabiliste) et à vérifier que les événements extrêmes historiques observés sont couverts avec une marge suffisante. Des aléas plus sévères que ceux défini dans le domaine de conception de référence doivent être pris en compte pour s’assurer de la capacité de l’installation à faire face à des événements plus rares.