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Les grands dangers nucléaires du corium

mardi 14 mars 2017, par Robert Paris

Les grands dangers nucléaires du corium

Quand le cœur d’une centrale nucléaire n’est plus refroidi suffisamment, son combustible entre en surchauffe et une partie commence à fondre. Se forme alors un « corium », une sorte de magma bouillant – certains évoquent des températures supérieures à 2.500 degrés, voire plus – ou sont mélangés en une sorte de pâte liquide du combustible nucléaire, des gaines métallique qui le protègent et des éléments d’assemblage du cœur. La question qui se pose alors à tous les opérateurs de centrales nucléaires est de savoir si ce corium va percer la cuve, puis attaquer le béton du radier, une dalle qui supporte une partie de l’installation, dernier rempart avant le sol.

Fort heureusement, il n’a pas eu lieu à Three Mile Island. Après des heures de bataille, un système de refroidissement du cœur a pu être mis en place qui, finalement, a protégé la cuve du réacteur, retenu le corium et évité qu’il n’attaque le radier. Mais les conséquences de ce terrible accident ont été considérables. Certes, on n’a pas eu à déplorer la moindre victime, mais il a fallu, malgré tout, se résoudre à rejeter dans la nature des effluents radioactifs liquides et gazeux et tenter d’organiser l’évacuation de l’hydrogène produit par la réaction chimique de l’eau au contact du zircaloy des gaines de combustibles. A Tchernobyl, le corium est toujours actif et toujours aussi menaçant !!! A Fukushima aussi, on a fait de même, sans que cela semble vraiment maîtrisé !

A Fukushima, il semble qu’il y ait formation de corium dans les trois réacteurs concernés par des incidents nucléaires !!!

Quelle preuve de formation de corium ? Des traces de gaz xénon ont été détectées dans le réacteur numéro 2 de la centrale de Fukushima Daiichi, celle-là même dont les incidents à répétition terrorisèrent le monde entier au mois de mars dernier. La présence de ce gaz serait un indicateur qu’une fission se produit et, selon un responsable de Tepco cité par le « Asahi Shimbun », que des épisodes « temporaires, à petite échelle, de criticité », se produisent. « Toutefois, parce qu’il n’y a eu augmentation ni du niveau de température, ni du niveau de pression dans le coeur du réacteur, il n’y a pas de criticité majeure », poursuit Junichi Matsumoto. Un accident de criticité est le scénario du pire pour toutes les centrales nucléaires, puisqu’il implique une réaction en chaîne incontrôlée. C’est ce qui s’était produit à Tchernobyl.

Selon les informations données le 2 novembre lors d’une conférence de presse par Tepco, opérateur de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi, le combustible fondu du réacteur 2 est sujet à une reprise de criticité. Ce qui signifie concrètement que des réactions en chaîne et des fissions nucléaires ont eu lieu récemment. Habituellement, dans une centrale nucléaire en bon état, tout ceci est sous contrôle. Mais là, il faut arrêter de parler de « réacteurs accidentés » car on ne maîtrise plus rien. En effet, il n’y a plus de réacteur digne de ce nom dans les unités 1, 2 et 3. Ils ne seront jamais réparés. Chaque cuve a été percée par un cœur fondu, qui a créé cette chose que l’on doit désormais appeler par son nom, un corium.

Le corium

1. Définition du corium Le corium est un magma résultant de la fusion des éléments du cœur d’un réacteur nucléaire. Il est constitué du combustible nucléaire (uranium et plutonium), du gainage des éléments combustibles (alliage de zirconium) et des divers éléments du cœur avec lesquels il rentre en contact (barres, tuyauteries, supports, etc.). Le terme « corium » est un néologisme formé de core (en anglais, pour le cœur d’un réacteur nucléaire), suivi du suffixe ium présent dans le nom de nombreux éléments radioactifs : uranium, plutonium, neptunium, américium, etc.

2. Matière de tous les extrêmes

Le corium est la matière des six extrêmes : il est extrêmement puissant, extrêmement toxique, extrêmement radioactif, extrêmement chaud, extrêmement dense et extrêmement corrosif.

Extrêmement puissant

Le combustible fondu est le constituant principal du corium. Or ce combustible est formé à l’origine d’assemblages de crayons contenant des pastilles. Dans le réacteur n°1 de Fukushima Daiichi, le cœur était composé de 400 assemblages constitués de 63 crayons de combustibles chacun. Les réacteurs 2 et 3 étaient quant à eux composés, chacun, de 548 assemblages, constitués eux-mêmes de 63 crayons de combustibles. Sachant qu’un crayon contient environ 360 pastilles, on peut en déduire que dans les trois réacteurs concernés, il y a plus de 33 millions de pastilles en jeu.

Et comme chaque pastille est supposée délivrer autant d’énergie qu’une tonne de charbon, on comprend pourquoi le corium développe une chaleur énorme en totale autonomie.

Extrêmement toxique

Le corium contient un nombre important d’éléments en fusion, interagissant entre eux sans cesse, et produisant des gaz et des aérosols. C’est la toxicité de ces émanations qui est problématique, car les particules émises sont extrêmement fines, invisibles à l’œil nu et, en suspension dans l’air, peuvent se déplacer avec les vents jusqu’à faire le tour de la terre. Toutefois, plus on s’éloigne de la source, plus ces particules et ces gaz sont dilués dans l’atmosphère et présentent moins de danger. C’est donc le Japon en premier lieu qui est victime des effets de toxicité des éléments diffusés. Néanmoins, si la concentration de particules diminue avec la distance, au final le bilan en maladies reste le même mais réparties différemment (1). Exemple d’élément toxique : l’uranium. C’est un toxique chimique pour le rein, mais il peut aussi toucher les poumons, les os et le foie. Il a aussi des effets sur le système nerveux, comparables à ceux d’autres poisons métalliques comme le mercure, le cadmium ou le plomb. L’uranium peut enfin augmenter la perméabilité cutanée et avoir des effets génétiques.

Extrêmement radioactif

Le corium émet tellement de radioactivité que personne ne peut s’en approcher sans décéder dans les secondes qui suivent. Il avoisine 28 térabecquerels par kg, soit, pour un corium de 50 tonnes, plus d’un million de térabecquerels (un becquerel correspond à une désintégration par seconde, un million de TBq correspond à 10 puissance 18 désintégrations par seconde).

Comme le corium est critique, ou localement critique, c’est-à-dire qu’il présente des réactions de fission nucléaire, rien n’est modélisable et tout peut arriver. Ce que l’on sait, c’est qu’au fur et à mesure que les éléments lourds se regroupent, la masse critique augmente et donc la réaction ainsi que la température. Par effet de coefficient de température négatif, la réaction tend à diminuer et donc aussi la température. Il s’établit ainsi un cycle d’augmentation et de réduction du volume de ce noyau très actif, la période de ce cycle dépendant de la masse, de la densité, de la forme et de la composition du corium. Cet effet de « respiration » du corium est sans doute à mettre en corrélation à Fukushima avec les mesures changeantes de pression, de température et de radioactivité données par Tepco au fil des mois suivant la catastrophe.

Extrêmement chaud

Areva, par la voix de François Bouteille, explique que le corium a une température de 2500°C. Mais en fait, selon son environnement, il peut monter encore de 400°C car la température de fusion de l’oxyde d’uranium est de l’ordre de 2900°C. En fait, sa température varie entre 2500 et 3200 °C. Pour comparaison, la température de la lave d’un volcan se situe entre 700 et 1200°C. Cette chaleur importante, produite par la désintégration des produits de fission, peut faire fondre la plupart des matériaux qu’il rencontre, comme l’acier ou le béton. C’est pour cela qu’il est incontrôlable, car personne ne peut l’approcher et il détruit tout sur son passage.

Une autre source de chaleur est l’oxydation des métaux par réactions chimiques à chaud avec l’oxygène atmosphérique ou la vapeur d’eau. Les chercheurs ont du mal à étudier le corium et les essais qu’ils effectuent sont loin de la réalité puisqu’ils travaillent sur des magmas n’ayant souvent pas la même composition, avec des températures plus faibles (souvent de 500 à 2000°C) et des masses 50 à 500 fois moins importantes que celles des cœurs de Fukushima. Toutefois, parmi une multitude de paramètres étudiés, ils déterminent que la cuve en acier d’un réacteur recevant un bain de corium en son fond devient fragile à partir de 1000°C.

A Tchernobyl, il a fallu 6 à 7 mois pour obtenir un “arrêt à froid” de la masse de corium. Mais 18 ans après l’accident, en 2004, on mesurait encore une température de 36°C à proximité du combustible fondu (2). A Fukushima, la dernière feuille de route de Tepco (3) en juillet - tout comme l’analyse de l’IRSN - annonce un “arrêt à froid” des réacteurs pour janvier 2012 : l’entreprise en effet ne communique que sur les réacteurs, pas sur le corium. Et pour cause, il faudra probablement quelques dizaines d’années avant un refroidissement de celui-ci. Il faut donc voir l’expression “arrêt à froid” comme une façade de communication minimisant la catastrophe.

Extrêmement dense

Le corium a une densité de l’ordre de 20, c’est-à-dire environ trois plus importante que l’acier. Concrètement, cela signifie qu’un mètre cube de corium pèse 20 tonnes (contre 1 tonne pour 1 m3 d’eau). Le volume des différents coriums est estimé par Jansson-Guilcher de 1 à 1,5 m3 (20/30 tonnes) pour le réacteur 1 et de 3 à 4 m3 (60/70 tonnes) pour les réacteurs 2 et 3. On peut ainsi mieux imaginer ce qu’une telle masse peut produire comme pression sur une très faible surface. Mais s’il s’avère que l’ensemble du corium puisse se conglomérer, par exemple en cas de l’effondrement d’un fond de cuve, les masses en jeu sont évidemment plus importantes et l’attaque du béton ou du sol est d’autant plus renforcée.

Extrêmement corrosif

Le corium est capable de traverser la coque en acier d’une cuve et la dalle de béton qui la supporte. La cuve principale (RPV = Reactor Pressure Vessel) fait 16 à 17 centimètres d’épaisseur. La cuve secondaire dite “de confinement” (appelée aussi Drywell ou PCV = Pressure Containment Vessel) est beaucoup plus mince, de l’ordre de 2 à 6 cm, mais doublée d’un bouclier de béton. Enfin, la dalle de béton de base, appelée aussi radier, devrait avoir en théorie une épaisseur de 8 mètres. Toutes ces protections peuvent être traversées par le corium par corrosion (Se reporter aux paragraphes 7 et 8).

3. Quand le corium de Fukushima s’est-il formé ?

La panne du système de refroidissement de la centrale de Fukushima Daiichi a eu lieu le 11 mars 2011, mais on ne sait pas encore exactement la ou les causes (tremblement de terre, tsunami, et possible erreur humaine pour le réacteur 1). Quoiqu’il en soit, après deux mois de dissimulations, Tepco a finalement reconnu que les cœurs des réacteurs 1, 2 et 3 avaient fondu. Le réacteur 1 n’a plus été refroidi durant 14 heures et 9 minutes, le 2 durant 6 heures et 29 minutes et le 3 durant 6 heures et 43 minutes.

4. Combien de tonnes de combustible ont fondu ?

D’après les données connues des combustibles des réacteurs de Fukushima Daiichi, on connaît les masses de combustible des trois coriums :

corium 1 : 69 tonnes

corium 2 : 94 tonnes

corium 3 : 94 tonnes soit une masse totale de combustible en fusion de 257 tonnes. Pour comparaison, le corium de Three Mile Island avait une masse d’environ 20 tonnes et celui de Tchernobyl de 50 à 80 tonnes. A Fukushima, les coriums ont donc une masse jamais égalée, ce qui explique entre autres les difficultés que rencontrent les experts pour modéliser l’accident.

Quant au corium 3, il faut préciser que celui-ci contient du plutonium issu du combustible MOX. Ce dernier étant constitué de plutonium à 6,25%, et le cœur du réacteur 3 contenant 32 assemblages sur les 548 présents, on peut évaluer à au moins 300 kg la masse de plutonium issu du MOX contenue dans le corium 3, sans compter le plutonium provenant du combustible usé contenu dans les 516 autres assemblages (4). A ces données, il faut ajouter les tonnes de matériaux divers qui structurent les cœurs et qui peuvent avoir été emportés dans la masse en fusion, ce qui représente quelques tonnes supplémentaires. Pour autant, l’expérience montre qu’une partie du corium reste dans les cuves percées s’il est suffisamment refroidi. Cela dépend en fait de l’état des cuves. Si le corium est passé par une ouverture minime de la cuve, une partie peut être restée attachée aux parois subsistantes. En revanche, si le cœur a fondu entièrement, le fond de cuve peut s’ouvrir complètement et dans ce cas, le corium résiduel est extrêmement faible.

Aspect et composition du corium

Le corium ressemble à de la lave en fusion, avec une consistance pâteuse, entre liquide et solide. Quand il rencontre une masse froide, ou quand il se refroidit avec le temps, une croûte peut se former, limitant ainsi les échanges de température. La croûte peut exister en surface, refroidie par exemple par de l’eau. Elle peut aussi être verticale, contre les parois d’une cuve en béton. Mais à Fukushima, le corium est actif, ainsi aucune possibilité de refroidissement n’est envisageable ou attendue pour l’instant. Si croûte il y a, elle doit être bien mince.

Les éléments constituant le corium n’ayant pas la même masse, ils migrent selon leur densité, les plus lourds (métaux) se retrouvant au fond et les plus légers (oxydes) en surface. Mais si la chaleur est trop intense, la production de gaz est importante et tout est brassé. Dans ce cas, les éléments les plus lourds ont tendance à se rassembler au centre.

Le corium est composé d’un certain nombre de métaux en fusion provenant de la fonte des différents éléments du cœur. Le zirconium, provenant des gaines de combustible, est le plus observé car il réagit avec l’eau en produisant du dioxyde de zirconium et de l’hydrogène. D’autres métaux se retrouvent dans cette « soupe », formant une couche dense contenant des métaux de transition tels que le ruthénium, le technétium ou le palladium, de l’indium, du cadmium, du zircaloy, du fer, du chrome, du nickel, du manganèse, de l’argent, des produits de fission métalliques, et du tellurure de zirconium. La couche superficielle se compose principalement à l’origine de dioxyde de zirconium et de dioxyde d’uranium, éventuellement avec de l’oxyde de fer et des oxydes de bore, puis elle finit par concentrer également des oxydes de strontium, de baryum, de lanthane, d’antimoine, d’étain, de niobium et de molybdène.

6. Progression du corium

Si l’on se réfère à une étude réalisée par l’Oak Ridge National Laboratory qui évoque une simulation d’accident de ce type dans un réacteur à eau bouillante similaire à ceux de Fukushima Daiichi, on sait qu’il suffit de 5 heures pour que le cœur ne soit plus recouvert d’eau, 6 heures pour que le cœur commence à fondre, 6h30 pour que le cœur s’effondre, 7 heures pour que le fond de la cuve lâche, et 14 h pour que le corium traverse une couche de 8 m de béton avec une progression de 1,20 m/h (5). On peut donc raisonnablement supposer que la cuve du réacteur 1 de Fukushima Daiichi a été traversée par le corium dès le soir du 11 mars et que cette pâte incandescente est passée sous la dalle dès le 12 mars 2011.

Les dangers du corium sont nombreux et vont s’inscrire malheureusement dans la durée. D’où l’absence de communication de Tepco sur le sujet…

Le premier danger est la formation d’hydrogène. On connaît bien le danger de ce gaz qui a provoqué les explosions dans bâtiments des 4 premiers réacteurs au cours des premiers jours de la catastrophe. C’est ainsi que l’hydrogène, l’élément le plus simple et le plus abondant de l’univers, est aussi le gaz le plus redouté dans l’industrie nucléaire.

Or le corium, une fois constitué, continue à en fabriquer. On a vu plus haut comment : en craquant l’eau par thermolyse et par radiolyse, mais aussi lors de la vaporisation du béton. C’est pourquoi Tepco injecte régulièrement de l’azote dans les réacteurs, afin d’atténuer les effets explosifs de l’hydrogène en présence d’oxygène. Une nouvelle explosion pourrait être catastrophique, car les bâtiments ont déjà beaucoup souffert en particulier le n° 4 dont la structure est devenue instable et les piscines de combustible usé sont perchées à plus de 20 mètres de hauteur. Ce serait donc véritablement un désastre si l’une d’elle venait à lâcher.

Le deuxième danger est précisément la faculté qu’a le corium de fragiliser le béton. Dans le cas où il y a Melt-through, le corium le traverse sans problème, mais son action va avoir une conséquence sur la solidité des fondations : lors du refroidissement de la fulgurite, il se produit un changement de phase qui a la particularité de produire une forte augmentation de volume ; ainsi les parois de béton en contact, mais désolidarisées mécaniquement des fulgurites, sont détruites par effet de compression. On peut donc s’attendre, avec le refroidissement du bouclier inférieur dans les mois à venir, à une destruction d’éléments massifs de la structure en béton de soutènement, ce qui pourrait avoir plusieurs effets négatifs : fragilisation des bâtiments réacteurs et apparition de failles supplémentaires où l’eau hautement radioactive utilisée continuellement pour le refroidissement pourrait s’échapper dans l’environnement, accentuant la pollution.

Un troisième danger a longtemps été évoqué dans les premières semaines de la catastrophe : la possibilité d’une explosion de vapeur. Le corium, dans sa descente souterraine, pourrait rencontrer une masse d’eau qui, sous la chaleur du magma, la transformerait immédiatement en vapeur qui, avec la pression engendrée, provoquerait une énorme explosion si l’eau n’est pas dans un milieu ouvert. C’est ce que redoutaient déjà les soviétiques à Tchernobyl ; pour éviter ce grave danger, ils avaient vidé la piscine de suppression de pression avant que le corium ne l’atteigne. A Fukushima, on peut se demander si le même scénario ne s’est pas produit car le 4 avril, Tepco a commencé à vider 11 500 tonnes d’eau. Le porte-parole du gouvernement, Yukio Edano, annonçait à l’occasion : « Nous n’avons pas d’autre choix que de rejeter cette eau contaminée dans l’océan comme mesure de sécurité » (8). Quant au porte-parole de Tepco, il pleurait en annonçant la nouvelle. Pleurait-il parce qu’il déversait de l’eau faiblement radioactive dans la mer ou parce qu’il savait que le corium allait définitivement être perdu ? Dans cette hypothèse, le corium (de quel réacteur ?) aurait mis plus de trois semaines pour atteindre les sous-sols de la centrale.

Quant à la possibilité de rencontrer brutalement une masse d’eau naturelle, cela est peu probable. En effet, une nappe phréatique n’est pas un lac souterrain, mais une masse d’eau répartie dans le sol entre les éléments le constituant. Si le corium traverse cette nappe, il ne rencontrera pas suffisamment d’eau à la fois pour provoquer une explosion. Cela provoquera en revanche des jets de vapeur, voire des geysers, qui pourront apparaître n’importe où à la surface, passant dans les failles et les interstices du sol. Et cela constitue le quatrième danger, celui de la contamination de l’environnement. L’eau, au contact avec le corium, se charge d’uranium, de plutonium, de cobalt, de césium, etc. à des niveaux extrêmement élevés et se trouve donc fortement contaminée. Si elle parvient à sortir de terre, la pollution se propagera dans l’atmosphère sous forme de vapeurs, de gaz ou d’aérosols radioactifs. Si la vapeur se condense dans le sol, elle polluera irrémédiablement le sol, et les radionucléides rejoindront inévitablement la nappe phréatique.

Un autre grand danger, le cinquième, est celui que le corium rencontre la nappe aquifère en relation avec la mer. Après tout, les réacteurs ne sont situés qu’à 200 mètres du rivage, et les sous-sols des bâtiments réacteurs sont clairement en dessous du niveau de la mer, comme cela apparaît dans un plan du METI (Ministère de l’économie, du commerce et de l’industrie). Donc si un corium a réellement traversé le radier, il s’est probablement trouvé en contact avec un niveau géologique en relation avec l’océan, car la centrale est construite sur des roches sédimentaires de type « grès », assez perméable à l’eau car souvent fracturé. Or, une contamination continue de la mer durant des dizaines d’années pourrait créer des dommages considérables pour l’ensemble du littoral oriental de l’archipel.

Le pire des cas serait un corium qui s’engouffrerait ou s’enfermerait dans le béton ou le sol, ce qui non seulement offrirait la meilleure forme possible pour conserver son intégrité, augmenterait le nombre de neutrons récupérés, mais en plus, la masse deviendrait, de facto, inaccessible, ce qui le rendrait impossible à refroidir. C’est ce cas de figure qui semble se produire actuellement à Fukushima pour au moins l’un des réacteurs (n° 1).

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