Corium

Le corium émet une importante puissance thermique résiduelle, c'est-à-dire que contrairement à la lave d'un volcan qui finit par se refroidir au contact de l'air, le corium continue à émettre de la chaleur pendant des années, laquelle diminue graduellement en raison de la désintégration des produits de fission, après arrêt du réacteur[1].

Hautement toxique, radioactif, extrêmement dense et extrêmement chaud, s'il n'est pas réfrigéré et s'il reste concentré, il peut faire fondre la plupart des matériaux et percer tout ce qui se trouve sous lui.

Depuis quelques années, afin de contrôler les potentiels accidents avec formation d'un corium perçant une cuve de réacteur après fusion du cœur, il est envisagé d'équiper les nouvelles centrales ou des centrales nucléaires existantes de dispositifs de récupération et refroidissement du corium.

Chute du corium, avec débris, et production de vapeur et éventuellement d’hydrogène[2]

Le corium attaque ensuite le béton[3].

La formation du corium est la conséquence d'un défaut de refroidissement du cœur d'un réacteur nucléaire ayant pour conséquence une surchauffe de tous les éléments le constituant.

En effet, après arrêt de la réaction en chaîne, il ne reste plus de chaleur due à la fission mais celle due à la radioactivité (effet thermique de la désintégration naturelle des différents produits de fission).

Cette puissance, dite résiduelle, dépend prioritairement de l'historique de puissance du réacteur précédant l'accident, mais aussi de la nature et de l'enrichissement du combustible, de l’épuisement du combustible (avancement du cycle) et de l’éventuelle période de désactivation.

La puissance résiduelle, si elle n'est pas évacuée par les circuits de refroidissement, fait monter la température du combustible. Au-delà d'un certain seuil (1 200 °C environ), une réaction d'oxydation se produit sur les gaines de Zircaloy des crayons de combustibles. Cette réaction est très exothermique (augmentation de la température de 1 à 10 K/s[4]) ce qui provoque la fusion de l'assemblage combustible. L'étape suivante est la rupture des gaines d'assemblage et donc le relâchement de gaz de fission qui contaminent le cœur et le circuit primaire (c'est une rupture de la première barrière de protection). Si l'élévation de température se poursuit, les éléments combustibles fondent et coulent en fond de cuve.

Le combustible en fusion, mélangé au zirconium partiellement oxydé et une partie des internes inférieurs de la cuve s'accumulent en fond de cuve du réacteur[4].

S'il s'agit d'un réacteur peu puissant (jusqu’à 600 MWe), la cuve peut être refroidie par inondation du puits de cuve pour éviter son percement.

Pour les réacteurs de 1 300 à 1 600 MWe, le faible étalement du corium en fond de cuve rend le refroidissement par inondation du puits de cuve insuffisant pour prévenir le percement de la cuve. De plus il engendre un risque d'explosion de vapeur en cas de rupture de la cuve. L’inondation du puits de cuve n'est pas un dispositif standard de sûreté nucléaire et relève des procédures « ultimes » de limitation des impacts d'une catastrophe nucléaire. La priorité étant donnée au rétablissement d'un refroidissement du cœur, via l'injection d'eau dans le circuit primaire (injection de sûreté) beaucoup plus efficace qu'un noyage du puits de cuve.

Si le corium en fond de cuve n'est pas suffisamment refroidi, il continue sa montée en température jusqu’à atteindre le point de fusion de la cuve, la percer et se répandre dans le bâtiment réacteur (c'est une rupture de la deuxième barrière de protection). L'enceinte de confinement joue alors seule le rôle de 3^e barrière, les dispositifs de sauvegarde (aspersion, dispositif ultime U5) permettent d'en éviter la rupture.

Selon le CEA et l'IRSN[5], quand le corium attaque le sol de béton (et/ou d'autres matériaux plus en hauteur s'il a été expulsé de manière explosive), « une quantité importante de gaz incondensables est libérée provoquant une montée en pression progressive de l’enceinte de confinement. Afin d’éviter la rupture de l’enceinte qui pourrait en résulter, un dispositif d'éventage-filtration (dispositif U5) a été installé sur les réacteurs à eau sous pression et peut être mis en œuvre 24 heures après le début de l’accident, en cas de défaillance du système d’aspersion enceinte »[5].

Un scénario catastrophe surnommé « syndrome chinois » envisage le cas où le corium perce ou fait exploser sous la pression le bâtiment réacteur puis s'enfonce dans le sol, brisant la troisième et ultime barrière de protection et se répandant dans le milieu naturel.

Avec l'augmentation de la puissance des réacteurs, des dispositifs de récupération et d’étalement du corium sont développés afin d'assurer leur refroidissement en cas de percement de la cuve : les récupérateurs de corium.

Le « core-catcher » ou récupérateur de corium, tel que prévu dans l'EPR.
Le récupérateur de corium est une « chambre d’étalement » maintenue au sec en fonctionnement normal ; elle n'est automatiquement remplie d'eau par un système passif qu'après étalement de l'éventuel corium dans la cavité.

Dans le réacteur pressurisé européen (EPR), le réacteur ATMEA1 et le réacteur russe VVER-1200 (AES-2006), un dispositif particulier (le « cendrier » ou core-catcher[6]) composé d'éléments réfractaires en céramique[7] a été prévu pour contenir puis refroidir le corium, s'il venait à percer la cuve du réacteur, afin de l'empêcher de s'enfoncer dans le sol.

En ce qui concerne le projet américain AP1000, selon ses concepteurs, il est prévu de maintenir le corium à l'intérieur de la cuve et de refroidir celle-ci par l'extérieur[8].

Ce sont surtout ceux des accidents historiques suivants :

Contenu en radioéléments et radioactivité d'un corium

Ces deux facteurs varient selon le type de réacteur, le contenu en combustible initial (uranium enrichi, MOx…) et l'âge du combustible au moment de l'accident ; dans l'exemple ci-dessous, le corium ne contenait qu'environ 10 % (en masse) d’uranium.

Niveaux (moyennes) de radioactivité mesurés pour 12 radioisotopes sous le réacteur n^o 4 de la centrale nucléaire de Tchernobyl, en avril 1986.
En mégabecquerel par gramme

De nombreux travaux ont porté sur le comportement du béton à haute température[17], d'autres matériaux des réacteurs[18], et surtout sur les propriétés thermophysiques des coriums[19] - [20] - [21] et individuellement[22] des matériaux qui les composent (dont le zirconium[23] et le dioxyde d'uranium[24] et divers alliages contenant de l'uranium (ex : U-Fe et U-Ga)[25]).

Ces études ont porté sur de nombreux facteurs : viscosité[26] et rhéologie des métaux en fusion (et en cours de solidification[27], densité, émissivité, conductivités thermiques, température initiale, radioactivité, capacité érosive, vaporisation, couches limites thermiques, physico-chimiques et rhéologiques, les transferts de calories des liquides vers des solides[28], etc.).

Pour produire ou caler des modèles suffisamment crédibles, on a étudié le comportement rhéologique de basaltes (différentes compositions de basalte et mélange basalte contenant jusqu'à 18 %m d'UO₂), ainsi que de mélanges de différentes compositions (principalement UO₂, ZrO₂, FexOy et Fe pour les scénarios en cuve, plus SiO₂ et CaO pour les scénarios hors-cuve) [29]. Divers auteurs ont montré que la viscosité de coriums ne peut être décrite par des modèles classiques par exemple de suspensions de sphères non-interactives[29] ; une loi de type Arrhenius[30] a été proposée, avec un facteur multiplicatif tel que n = exp(2.5Cφ)[29], C étant compris entre 4 et 8. C est plus important dans le cas des faibles vitesses de cisaillement et de refroidissement.
Des échantillons trempés ont fait l’objet d’analyses de structure qui ont montré que ce facteur dépend de la morphologie de la particule. Enfin, ce type de loi rhéologique avec un facteur C de 6,1, a permis de recalculer de façon satisfaisante un essai d'étalement en corium à 2 100 K sur un plan horizontal[29].

Il s'agit de comprendre et modéliser[31] pour anticiper ou mieux maîtriser le comportement du corium lors de sa formation, sa coulée, son étalement[32] et son refroidissement. Il faut aussi comprendre la cinétique chimique complexe du corium au cours de son évolution.

Ce besoin découle notamment de la démonstration qu'un accident nucléaire grave avec rupture de confinement primaire était plus probable qu'on ne l'avait initialement calculé.

Ces études se font généralement sous l'égide de l'AIEA et en Europe, avec le soutien de la Commission européenne, par exemple dans :

• le projet CSC (Corium Spreading and Coolability) ;
• le projet ECOSTAR (European Core Stabilization Research) ;
• le projet ENTHALPY (European Nuclear Thermodynamic database for Severe Accidents) ;
• le GAREC (Groupe d’Analyse de la R&D sur la Récupération du Corium) ;
• le Centre Commun de Recherches d'Ispra et l'installation FARO[33] ;
• le Laboratoire d'essais pour la maîtrise des Accidents graves (LEMA).

Des codes de calculs et des logiciels spécifiques ont été développés (ex. : logiciel CRUST du CEA pour modéliser le comportement mécanique de la croûte qui se forme en surface d'un corium, et qui interfère avec son déplacement, le refroidissement de la coulée (cf croute isolante freinant le relâchement de la chaleur latente) du corium fondu et son rayonnement) (Gatt et al., 1995)