Accident de Fukushima 3. L accident à la centrale nucléaire de Fukushima. Accident de Fukushima 1. Accident de Fukushima 4. Accident de Fukushima 5

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1 Accident de Fukushima 3 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima Vue d une centrale REB (Fukushima). Quelques explications scientifiques G. Marleau, J. Koclas, A. Teyssedou, O. Savadogo et R. Chambon Vendredi 18 mars 2011 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 1/29 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 4/29 Accident de Fukushima 1 Contenu 1. Les réacteurs à eau bouillante en bref. 2. Conséquences du séisme et du tsunami sur la centrale de Fukushima. 3. La puissance résiduelle. 4. Perte de refroidissement et conséquences. 5. Commentaires finaux. Accident de Fukushima 4 Principes de fonctionnement : Le combustible localisé dans des tiges réunies en assemblages produit de l énergie par fission. Les neutrons produits par la fission sont ensuite ralentis dans le modérateur à l eau légère bouillante (285 C dans une cuve pressurisée à environ 7.5 MPa) et sont disponibles pour initier de nouvelles fissions et maintenir la réaction en chaîne. L eau bouillante qui circule dans le réacteur sert aussi à refroidir les crayons de combustible par conduction thermique. École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 2/29 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 5/29 Accident de Fukushima 2 1. Les réacteurs à eau bouillante en bref. C est la deuxième filière la plus utilisée dans le monde (25 % du parc nucléaire mondial). Elle se caractérise par : L eau légère bouillante qui est utilisée comme modérateur et caloporteur. Un combustible composé d uranium légèrement enrichi ou d un mélange uranium/plutonium (1 à 3 % de noyaux fissiles). Accident de Fukushima 5 La vapeur générée par l ébullition de l eau du modérateur passe directement à travers la turbine qui actionne la génératrice. Cette vapeur passe ensuite dans des tubes qui traversent une piscine d eau froide et l eau de condensation est retournée au réacteur pour être réutilisée. École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 3/29 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 6/29

2 Accident de Fukushima 6 Vue d un coeur REB. Accident de Fukushima 9 Vue d assemblages de combustible REB avec croix de contrôle (barres de commande). École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 7/29 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 10/29 Accident de Fukushima 7 Circulation d eau dans le REB. Accident de Fukushima 10 Contrôle de la fission nucléaire dans le réacteur En opération : principalement en modifiant le débit de l eau de circulation. Situation d urgence : des barres de commande fortement absorbante pour les neutrons sont insérées par le bas entre les assemblages. Elles sont composées d hafnium ou de carbure de bore. Par mesure de sécurité, le réacteur est toujours alimenté en électricité par des lignes externes. Ceci permet de s assurer que l instrumentation et les pompes de la centrale continuent de fonctionner même lors de l arrêt des réacteurs pour des périodes prolongées. École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 8/29 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 11/29 Accident de Fukushima 8 Combustible : Les tiges de combustibles d une longueur allant jusqu à 4.5 m sont regroupées en assemblages (7 7 à10 10) Les réacteurs peuvent contenir jusqu à 800 de ces assemblages pour un total de 140 tonnes d uranium. Le combustible occupe seulement une faible partie de la cuve pressurisée (4 m/22 m). Accident de Fukushima 11 Les réacteurs de la centrale Fukushima # 1 (en opération) Réacteurs Type de réacteur BWR-3 BWR-4 BWR-4 BWR-4 BWR-4 BWR-5 P t (MW) P e (MW) Combustible UOX UOX MOX UOX UOX UOX D eau (T/s) Ici P t est la puissance thermique maximale produite dans le réacteur en opération, P e la puissance électrique qui en résulte et D eau le débit d eau dans la cuve du réacteur en opération (sert à extraire la puissance thermique produite dans le combustible). École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 9/29 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 12/29

3 Accident de Fukushima 12 Protection contre les séismes : Des séismographes calés à 0.2 g pour la protection du matériel électronique et le niveau de vibration de la turbine. De telles mesures ont déclenché le système d arrêt d urgence pour les réacteurs en 1983 et en Haut flux de neutrons dû à une rétroaction thermohydraulique. C est cet effet qui a déclenché le système d arrêt d urgence pour les réacteurs 1,3 et 5 en Le système d arrêt d urgence (SAU) est un système hydraulique qui insère les barres de commande dans le réacteur. Celles-ci ne peuvent sortir du coeur sans action externe. École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 13/29 Accident de Fukushima 15 Le tsunami : Les génératrices sont noyées à son arrivée. A ce moment le groupe électrogène d urgence prend la relève et continuera d opérer pendant 8 heures (jusqu à ce que les piles se soient vidées). Cependant l énergie que fournit ce système d urgence est insuffisante pour alimenter les pompes de refroidissement. C est alors que les problèmes vraiment sérieux débutent car le refroidissement du coeur ou des piscines de stockage du combustible irradié n est plus assuré. École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 16/29 Accident de Fukushima Conséquences du séisme et du tsunami sur la centrale de Fukushima. Le séisme : Lesréacteurs1à3sonttousarrêtésrapidementparle SAU (quelques secondes). Le réacteur 4 n était pas en opération et ne contenait pas de combustible (pas de refroidissement requis dans ce cas). Les réacteurs 5 et 6 sont demeurés à l arrêt (ils l étaient depuis plus de 3 mois et étaient refroidis continuellement par circulation d eau froide). Le tiers du combustible est extrait, devant être remplacé plus tard par du combustible neuf. École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 14/29 Accident de Fukushima 16 Le tsunami est d une telle importance qu il endommage les infrastructures civiles (routes, voies ferrées, lignes électriques). On se retrouve donc dans l impossibilité de rapidement remplacer les génératrices d urgence ou de rattacher la centrale au réseau électrique. Les pompes de refroidissement demeurent donc hors service. Nous verrons dans ce qui suit quelle est la source de la puissance résiduelle qui force le refroidissement continu du combustible même après l arrêt du réacteur. École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 17/29 Accident de Fukushima 14 Le système d alimentation électrique externe de la centrale est détruit par le séisme. Le premier de plusieurs groupes de génératrices au mazout prend la relève. Pendant près d une heure, tout se déroule conformément aux procédures d urgence. C est alors qu arrive le tsunami arrive et c est lui qui causera les dommages les plus sérieux. Accident de Fukushima La puissance résiduelle Le combustible nucléaire (oxyde d uranium peu radioactif) se transforme lorsqu il est exposé à un flux de neutrons. Les principales réactions de transformation sont : Fission (cassure) d un noyau lourd (uranium, plutonium) : le résultat est généralement deux noyaux plus légers, des neutrons et de l énergie qui est extraite du réacteur sous forme de chaleur et sert à produire de l électricité. Capture par un noyau lourd (uranium, plutonium) : ceci mène à la production de plutonium et d autres noyaux plus lourds. École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 15/29 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 18/29

4 Accident de Fukushima 18 Après l arrêt du réacteur le flux de neutrons décroît très rapidement et ces réactions cessent (atteint une valeur près de 0 en moins d une minute), la production d énergie par fission disparaissant. La majorité de noyaux qui ont été produits (près de 2000 différents types) dans le combustible nucléaire sont très instables. Ils vont donc se désintégrer plus ou moins rapidement jusqu à ce qu il réussissent à former un nouveau noyau stable. Ces réactions de désintégration, qui se poursuivent après l arrêt du réacteur, émettent aussi de l énergie qui se transforme en chaleur dans le combustible. C est ce que l on appelle l énergie résiduelle (ou la puissance résiduelle). Accident de Fukushima 21 Décroissance de la puissance résiduelle dans le combustible avec le temps. Rapport puissance résiduelle/pleine puissance (%) Temps après l arrêt en jours École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 19/29 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 22/29 Accident de Fukushima 19 Exemples : Sn 131 Sb 131 Te 131m (30h) I 131 (8.02j) Xe 131 Sn 137 Sb 137 Te 137 I 137 Xe 137 Cs 137 (30a) Ba 137 Les demi-vies non indiquées sont inférieures à l heure. Comme de raison les noyaux ayant les demi-vies les plus longues auront tendance à s accumuler dans le combustible (solides) ou à l intérieur de la gaine (gaz). Ces noyaux se désintègrent en émettant des électrons et des rayons γ. Ce sont principalement ces derniers qui contribueront à la contamination environnementale. Accident de Fukushima 22 Si on ne refroidi pas le combustible irradié, sa température augmentera plus ou moins rapidement (rapidement pour un réacteur que l on vient d éteindre et plus lentement pour le combustible irradié dans la piscine et les coeurs à l arrêt depuis longtemps) et on se retrouvera dans la situation ou l eau s évaporera jusqu à ne plus le recouvrir. École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 20/29 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 23/29 Accident de Fukushima 20 Plus le combustible aura été irradié longtemps dans le coeur, plus son contenu en produit de fission de longue vie sera élevé et donc plus lente sera la baisse de sa puissance résiduelle à long terme. À l arrêt d un réacteur en opération pour une période prolongée (de 12 à 18 mois), la puissance résiduelle produite dans le combustible correspond à peu près à 6.5 % de la puissance que produisait le réacteur en marche. La puissance résiduelle décroît heureusement de façon exponentielle avec le temps. Accident de Fukushima 23 Les réacteurs de la centrale Fukushima # 1 (après arrêt) Réacteurs P r (0 s) (MW) <4 <5 D eau (0 s) (kg/s) <17 <23 P r (7 j) (MW) <4 <5 D eau (7 j) (kg/s) <17 <23 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 21/29 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 24/29

5 Accident de Fukushima Perte de refroidissement et conséquences. La perte de refroidissement implique que : L eau bout et son niveau diminue jusqu à découvrir les assemblages de combustible. Les tiges de combustible non refroidies chauffent. Le Zr recouvrant les grappes et servant à les retenir en assemblage est exposé à un environnement humide (eau d évaporation sortant de la piscine ou vapeur dans la cuve du réacteur) à très haute température. Accident de Fukushima Commentaires finaux. Ce qu il faut, c est refroidir le combustible irradié à tout prix (réacteur et piscine). Le problème majeur relié au refroidissement est l assèchement des grappes qui fait en sorte que l eau bout en touchant le métal à haute température et forme une couche isolante de vapeur qui ralenti fortement le transfert de chaleur vers l eau (il reste tout de même le rayonnement mais c est un processus beaucoup moins efficace). Heureusement la puissance résiduelle diminue rapidement avec le temps ce qui réduit la quantité additionnelle d énergie à extraire du combustible. École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 25/29 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 28/29 Accident de Fukushima 25 On a alors en fonction de la température Aux environs de 537 C les gaines de Zr commencent à se briser dû à l oxydation et à la pression à l intérieur de la gaine venant des gaz produits suite à la réaction de fission (produits de fission gazeux tels le Césium-137 et l Iode-131). Aux environs de 982 C le Zr et la vapeur se combinent pour former de ZrO2 et de l hydrogène. C est une réaction qui produit de la chaleur (exothermique) et accroît encore la température du combustible. C est cet hydrogène qui a provoqué les explosions à Fukushima. Accident de Fukushima 28 Impact environnemental Forte radioactivité au dessus de la piscine due à la disparition de la barrière radiologique que représentait l eau de la piscine (rayonnement γ) venant de la désintégration de tous les produits de fission instables. Émission importante de gaz radioactifs lorsque des fissures apparaissent dans les gaines (Césium 137 et Iode 131 principalement). Cependant la demi-vie de l Iode 131 est relativement courte (8 jours) et il sera disparu dans 30 jours. Le Césium est plus problématique avec ses 30 ans de demi-vie (il restera dans la nature pendant 120 ans). École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 26/29 École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 29/29 Accident de Fukushima 26 Si on ne peut parvenir à contrôler la température du combustible à cette étape alors : Aux environs de 1371 C l énergie produite par la réaction Zr-vapeur domine l énergie résiduelle. De plus ce qui reste de la gaine de Zr commence à se combiner à l UO2 pour former un mélange Zr-U-O (eutectique). Aux environs de 1950 C le mélange Zr-U-O fond et les assemblages de combustible peuvent se désintégrer pour aller se déposer au fond de la cuve et former le corium. Ensuite la cuve peut être attaquée ce qui résulte en des conséquences encore plus sévères. École Polytechnique de Montréal, 18 mars 2011 L accident à la centrale nucléaire de Fukushima 27/29