Piscine de stockage de combustible nucléaire

L'eau de la piscine de stockage de combustible est borée, filtrée et refroidie en permanence, en circuit fermé, pour évacuer la chaleur émise par les assemblages de combustible (des pompes électriques font circuler l'eau de la piscine de combustible irradié dans un système d’échangeurs thermiques avant de la réintroduire, refroidie dans la piscine de désactivation).

En conditions normales de fonctionnement la température de l’eau ne doit jamais monter au-dessus d’un seuil fixé par les spécifications techniques d'exploitation, par exemple sous 45 °C pour la centrale nucléaire de Gravelines[10] ou 50 °C pour d’autres types de centrales[11].

• Dérogation aux prescriptions de fonctionnement

Comme pour toute prescription, des dérogations, voire des « dérogations génériques »[10] peuvent être accordées sous conditions, par l’autorité de sûreté nucléaire nationale (l’ASN en France). Par exemple le stockage, dans une piscine de désactivation de « bâtiment combustible », de « combustible ayant une puissance résiduelle supérieure à la valeur dite normale figurant au rapport de sûreté », est autorisé par l’ASN française, mais une des conditions requises est d’augmenter la puissance de réfrigération en pré-disposant en parallèle les deux échangeurs de refroidissement de la piscine de désactivation[10].

Le scénario d’une radiolyse importante de l’eau en condition humide, c'est-à-dire de sa dissociation en hydrogène et oxygène par les effets combinés de la haute température et des rayonnements ionisants (α, β, γ) avec de l'eau[12], avec éventuel effet catalytique de métaux contenus dans les gaines de combustibles est redouté, car cette production d’hydrogène est susceptible de conduire à une explosion.

Pour cette raison, l'air des bâtiments contenant les piscines de stockage doit être constamment surveillé et éventuellement traité en cas de présence d’hydrogène (ventilation, injection d’azote comme lors de l’accident nucléaire de Fukushima, etc.).

Le danger majeur est la perte du refroidissement des éléments combustibles conduisant à leur détérioration et donc au relâchement des produits de fission qu’ils contiennent ainsi que leur capacité à générer de l’hydrogène par radiolyse de l’eau. L’opérateur doit à la fois éviter toute baisse intempestive du niveau de l’eau et son réchauffement excessif, sachant que moins il y a d’eau plus elle s’échauffe vite et moins elle joue son rôle d’écran liquide contre les radiations[1].

Des défauts techniques peuvent aussi affecter les systèmes de surveillance ou confinement/ventilation/filtration de l’air intérieur. Ainsi à Gravelines, un type de clapet susceptible de mal se fermer équipait chacun des bâtiments-combustible abritant pour chaque réacteur la piscine de désactivation ou de stockage de combustible. Après constat du dysfonctionnement (le 3 janvier 2003 dans le bâtiment du réacteur n° 2 alors en production) tous les clapets ont été changés pour éviter qu’en situation accidentelle, de l'air contaminé puisse, pour partie, être rejeté à l'extérieur, en contournant les pièges à iode[27]. EDF a ensuite constaté que ces clapets étaient aussi utilisés dans les bâtiments abritant les piscines 1 et 2 de Saint-Laurent-des-Eaux, dans ceux des réacteurs 1, 2 et 3 de Cruas, du réacteur 1 de Chinon, du réacteur 1 du Blayais et des réacteurs 3 et 4 du Tricastin, puis a selon l’ASN corrigé le problème[28].

Le risque dit « humain » d’actions inadéquates pour le système ou de non-respect des prescriptions existe toujours comme pour toute activité humaine[29] - [30].

Le risque nucléaire est généralement associé à la perte d’intégrité du cœur, mais le tsunami qui a suivi le séisme de magnitude 9 (accident de type « Genpatsu-shinsai ») survenu au Japon en mars 2011 dont la hauteur n’avait pas été prise en compte lors de la conception de la centrale nucléaire de Fukushima[31] - [32], a rappelé que, même lorsqu’elles ne sont pas directement endommagées par un séisme ou un tsunami, les piscines peuvent être impactées notamment à la suite de la perte de leur refroidissement ou de leur alimentation en eau, entrainant une baisse de niveau d’eau risquant de détériorer les éléments combustibles par surchauffe lors de leur dénoyage[33] - [34] - [35].

L’accident nucléaire de Fukushima au Japon (2011) a apporté un retour d’expérience utile aux chercheurs et aux opérateurs techniques du nucléaire. C’est en effet la première fois qu’une perte de contrôle[36] aussi grave, longue et importante a eu lieu (et sur plusieurs piscines durant la même période). L’opérateur TEPCO estimait l’accident de criticité très peu probable, mais le risque majeur était le relâchement incontrôlable de matières radioactives si les barres étaient détériorées à la suite d’une surchauffe après leur dénoyage[37] - [38] - [39] - [40].

En cas de violent séisme les mouvements des lourds râteliers chargés de combustible peuvent endommager les parois de la piscine si leurs vérins amortisseurs fonctionnent mal. Le 11 septembre 2001, EDF a déclaré une absence de maintenance sur les râteliers des piscines des réacteurs de 11 centrales (celles de Bugey, Cruas, Blayais, Tricastin, Gravelines, Saint-Laurent, Dampierre, Chinon, Paluel, Flamanville et Saint-Alban.). En février 2000, EDF avait lancé une procédure de maintenance de ces vérins et fournira avant fin octobre 2001 un échéancier de remise en conformité (incident classé au niveau 1 de l’échelle INES)[41].

Le 12 octobre 2017, des militants de Greenpeace s’introduisent sur le site de la centrale nucléaire de Cattenom[42]. Ils déclenchent un feu d'artifice aux abords de la piscine[43]. Cette action fait suite à un rapport de Greenpeace remis officiellement aux autorités deux jours auparavant, dans lequel des experts mandatés ont étudié différents scénarios d’attaque extérieure pouvant viser les centrales en France. Selon eux, des failles sécuritaires remettraient en cause la protection des installations, principalement la capacité de résistance des piscines d’entreposage des combustibles nucléaires[44]. EDF a précisé que, de par leur dimension, leur robustesse et l’épaisseur de leurs murs en béton internes et externes (conçus pour résister à l’impact d’un avion), tous les bâtiments sont conçus pour résister aux agressions ou aux catastrophes naturelles. En plus des mesures de sécurité classiques allouées aux sites sensibles, les centrales peuvent s’appuyer sur un peloton spécialisé de protection de la gendarmerie ainsi que sur une surveillance quotidienne de l’espace aérien. EDF a également annoncé que des moyens supplémentaires vont être alloués à la protection des centrales[45].

• Vulnérabilité physique

Les réacteurs sont entourés de murs de béton spécial, armé et précontraint, épais de 1,2 m aux États-Unis; en France les réacteurs sont entourés par des parois de béton d’une épaisseur comprise, selon l’Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN), entre 60 cm et 1 mètre[46]. En France, les piscines de stockage de combustibles usés ont des parois de trente centimètres ( 30cm ) d'épaisseur, dont 2 à 3 centimètres de tôle métallique[47]. Les piscines elles-mêmes semblent solidement construites, mais ce n’est généralement pas le cas des bâtiments les abritant, qui sont « construits en matériaux conventionnels et a priori vulnérables à la collision d’un avion ou à des explosifs[48] », ou comme on l’a vu à Tchernobyl et au Japon en 2011, très vulnérables à une explosion d’hydrogène.

Le Dr. Kevin Crowley du Nuclear and Radiation Studies Board alertait déjà en 2003 sur le fait que les piscines sont plus vulnérables que les réacteurs à une attaque malveillante, qui si elle réussissait à propager un feu de zirconium relarguerait une grande quantité de radionucléides dans l’air [49]. La Commission de réglementation nucléaire des États-Unis a considéré après les attentats du 11 septembre 2001 qu’une meilleure protection des centrales nucléaires était requise[49]

En 2017 Greenpeace France commande un rapport indépendant sur les risques liés aux actes de malveillance visant les piscines[50]. Pour des raisons de sécurité ce rapport n'a pas été rendu public mais remis aux autorités responsables de la sécurité des centrales. Dans la foulée une action de Greenpeace a consisté à pénétrer sur le site d'une centrale française (Cattenom) et à déclencher un feu d'artifice à proximité directe de la piscine du réacteur[51].

L’incident le plus grave a eu lieu le 11 mars 2011 sur la piscine du réacteur nº4 de Fukushima Daiichi où le combustible usé venait d’être déchargé et présentait donc une puissance résiduelle importante. À la suite du tsunami, les systèmes de refroidissement et d’appoint en eau de la piscine de stockage sont perdus provoquant une montée en température et une ébullition de l’eau. À partir du 15 mars, la baisse consécutive du niveau d’eau fait craindre de découvrir le haut des assemblages. Un arrosage de fortune par rampes à eau a permis un appoint minimal à la piscine. À partir du 21 mars la piscine est de nouveau refroidie correctement et sa température descend en dessous de 30 °C. Une vidéo prise en mai 2011 montre que les hauts des assemblages combustible semblent intacts confirmant « qu’il n’y a pas eu dénoyage, donc fonte des parties supérieures avec rejets de produits radioactifs contrairement à ce que l’on avait craint »[18]. Cet incident grave est initialement individuellement classé au niveau 3 de l’échelle INES par l’agence de sécurité industrielle et nucléaire japonaise (NISA)[52] - [53], puis intégré dans l’accident de la centrale de Fukushima Daiichi classé au niveau 7[54].

• Le 20 septembre 2008, durant un arrêt de maintenance et rechargement du réacteur n° 1 de la centrale nucléaire de Belleville, une pompe du circuit de refroidissement de la piscine du réacteur est restée « indisponible » 55 heures, alors que les règles générales d’exploitation imposent ce type de réparation en moins de 16 heures. Cet événement est classé au niveau 1 de l’échelle INES[55].
• Fermeture par erreur, le 17 août 2010, d’une vanne du circuit de refroidissement de la piscine d’entreposage du « bâtiment combustible » de la centrale nucléaire de Cruas-Meysse (4 réacteurs de 900 MWe, gérés à Cruas-Meysse (France) par EDF), ce qui a provoqué l’arrêt du système de refroidissement de la piscine. Cet incident a été repéré et réparé assez rapidement pour qu’il soit resté sans conséquences selon l’opérateur. Cet événement est classé au niveau 1 de l’échelle de l’INES[56].
• Dans la centrale de Cruas-Meysse, en février 2000, sur le réacteur n° 1 en cours de chargement, à l’occasion d’un appoint en eau à la piscine, un agent a déconnecté l’un des deux échangeurs refroidissant la piscine et a oublié de le reconnecter une fois l’opération faite. Malgré un délai maximal règlementaire de 8 heures entre chaque vérification, l’échangeur n’a été remis en activité que 21 heures après sa mise hors service; or, quand la puissance résiduelle du combustible stocké dépasse 5,45 MW, l’exploitant doit brancher « en parallèle » les deux échangeurs sur le circuit de refroidissement pour en améliorer les performances. L’inertie thermique de la piscine et de ses parois laissent à l’opérateur une certaine marge pour la réparation d’un problème, si la piscine reste bien pleine (et dans le cas cité en exemple ci-dessus, la température n’a pas dépassé 35 °C). Cet événement est classé au niveau 1 de l’échelle INES [57].
• Le 27 décembre 2001, une fuite s'est produite sur un des deux circuits PTR de refroidissement de la piscine du « bâtiment combustible » de la tranche 3 (alors en arrêt technique) de la centrale nucléaire de Gravelines[58]. À ce moment, tout le combustible du réacteur était stocké dans la piscine. Les spécifications techniques veulent dans ce cas que les deux voies de refroidissement soient conjointement disponibles, une pompe étant en fonctionnement tandis que l'autre reste disponible en secours[58]. Le 27 décembre 2001, une fuite (débit : +/- 12 L/h) s’est produite au niveau d’une soudure sur l'un des deux circuits de refroidissement de la piscine, et quand – à la demande de l'ASN, EDF a contrôlé l’autre circuit, des défauts y ont été constatés[58]. Près de 3 semaines plus tard (le 19 janvier 2002), l'exploitant constatait une aggravation de la fuite et plusieurs défauts, suite – selon l’ASN - à « la mise en place de dispositifs inadaptés »[58]. Après plusieurs tentatives et après avoir fait appel à « ses compétences locales et nationales », le circuit non-étanche a pu être réparé (le 6 février 2002).
• Le 28 septembre 2006, une vanne d’échantillonnage de l’eau de la piscine de l'atelier pour l'entreposage du combustible du réacteur Superphénix a été laissée ouverte, ce qui a causé une vidange partielle de la piscine. L’eau étant descendue sous le « niveau bas », un appoint manuel d’eau a été fait, mais l'origine de la vidange n’ayant pas été identifiée et corrigée, celle-ci s’est poursuivie, nécessitant un nouvel appoint le lendemain. La cause de la fuite a été identifiée deux jours plus tard (le lundi 2 octobre) grâce aux plans des canalisations. La vanne était restée anormalement ouverte pendant cinq jours, alors qu’un évènement semblable était déjà advenu en octobre 2004; de par son caractère répétitif l’incident est classé au niveau 1 de l'échelle INES[59].
• Le 29 septembre 2005, lors du déchargement du réacteur n° 1 de Fessenheim, un essai mal préparé de décharge de batterie électrique a induit une coupure de courant sur un tableau électrique, causant conjointement un arrêt des pompes du système de refroidissement de la piscine de stockage du combustible, la perte du moyen de mesure de la réactivité, et la perte du moyen de mesurer le taux de bore dans le réacteur. Cet incident a été classé au niveau 1 de l'échelle INES[60].
• Au Blayais, alors que des assemblages de combustible étaient en cours de manipulation, le 9, puis le 10 septembre 2005, des travaux de maintenance sur un capteur de mesure de débit a deux fois conduit à l'arrêt automatique de la ventilation du « bâtiment combustible » (durant 15 minutes) avant l'arrêt des opérations de manutention. Cet événement est classé au niveau 1 de l’échelle INES (manque de culture sûreté)[25].
• Le 28 février 2003, dans la centrale nucléaire de Gravelines, alors qu’un combustible chaud était entreposé dans la piscine de stockage, l’exploitant a utilisé une des 2 pompes de refroidissement pour faire un appoint vers un autre circuit. Cette utilisation a rendu cette pompe indisponible pour le refroidissement alors qu’elle était requise comme l’imposent les conditions compensatoires de la dérogation autorisant, sous certaines réserves, à stocker ce type de combustible à plus forte activité. L’incident a été corrigé avant que la température de la piscine n’atteigne 45 °C. Cet événement est classé au niveau 1 de l’échelle INES[10].
• En septembre 2002, à la centrale nucléaire de Gravelines, une opération se fait après autorisation de l’autorité de sureté, mais avec des moyens non règlementaires (congélation d’une des tuyauteries du circuit de réfrigération de la piscine du réacteur n° 6) pour pose d'une vanne d'isolement sans arrêter la réfrigération par le circuit PTR; l’opération était autorisée, mais pas au moyen d’azote liquide comme cela a été fait[61]).
• Pertes brèves (quelques minutes), mais simultanées de deux systèmes de secours en alimentation électrique (nécessaire au refroidissement de la piscine), dans la tranche n° 1 (en 2002) puis n° 2 (en 2004) de la centrale nucléaire de Cattenom. À l’arrêt de ces réacteurs pour maintenance - alors que le combustible était stocké dans la piscine -, les deux moteurs diesel de secours ont été simultanément indisponibles durant quelques minutes (l’un des moteurs était en maintenance et une vanne d’admission d’air de l’autre moteur avait été inopinément fermée[17].
• En mai 2003, à la centrale de Cattenom, un mauvais câblage dans une armoire électrique de la tranche 4, a rendu un des diesels de secours indisponible durant un arrêt pour maintenance du réacteur alors qu’il était requis pour alimenter le système de refroidissement de la piscine de stockage du combustible. Cet événement est classé au niveau 1 de l’échelle INES[62].
• Le 18 septembre 2002, à Cadarache, un technicien se jette volontairement dans une piscine où des combustibles irradiés étaient entreposés (en l’occurrence, celle de la station de traitement des effluents et déchets solides du CEA de Cadarache) ; il n’y est resté que moins d’une minute, n’a pas bu d’eau et aurait été peu contaminé ; « certains propos tenus par l'agent avant son acte indiquent que son geste était sans doute volontaire ». L'incident a été classé au niveau zéro sur l'échelle INES[63].
• Le 11 mars 2005, six agents de la centrale nucléaire de Cattenom se sont contaminés (contamination interne), a priori par des particules radioactives qu’ils ont mises en suspension dans l’air, lors du nettoyage, avec un nettoyeur haute pression, du local des filtres de la piscine de stockage des éléments combustible. « Après leur passage au service médical, la contamination interne des six agents a été établie à un niveau inférieur au centième de la limite réglementaire annuelle ». Cet événement est classé au niveau zéro de l’échelle INES[64].

Pour faire face aux dépassement de capacité des piscines, certains pays envisagent un stockage complémentaire en fûts à sec[68].

Des études sur la sécurité du stockage en piscine sont périodiquement publiées. En France, l’IRSN fait partie des structures de recherche travaillant sur le comportement des assemblages combustibles en piscine, en situation normale et dégradée[9].

• (en) Gary F. Bennett / AIEA ; Operation of spent fuel storage facilities ; Agence internationale de l'énergie atomique, Vienne, Autriche, 1995 (Safety Series No. 117), 54 p., (ISBN 92-0-105094-1) ; Journal of Hazardous Materials, volume 45, n° 2-3, février 1996, pages 281-282 (lien payant) ;
• Laurent Beloeil, thèse de doctorat de l'université d'Aix-Marseille I : Étude d'un accident de criticité mettant en présence des crayons combustibles et de l'eau hors réacteur de puissance, soutenue le 30 mai 2000 (résumé, avec IRSN / Service de recherche en sûreté et criticité (SRSC)).

• Animation 3D (faite pour le New York Times) présentant une piscine de désactivation et illustrant l'importance du niveau de l'eau ;
• (en) « Radiological Terrorism: Sabotage of Spent Fuel Pool » ;
• (en) « Storage of Spent Nuclear Fuel », Commission de réglementation nucléaire des États-Unis (NRC) ;
• (en) « An example diagram of a Spent Fuel Pool » Indian Point Energy Center.