Galerie d'images du tremblement de terre et du tsunami au Japon La centrale nucléaire de Fukushima II Dai Ni après un séisme et un tsunami de magnitude 8,9. Un séisme de magnitude 8,9 sur l'échelle de Richter a frappé la côte nord-est du Japon le 11 mars. 2011. Voir plus de photos des séquelles du tremblement de terre et du tsunami. Photo de DigitalGlobe via Getty Images Différentes personnes ont des opinions différentes sur l'industrie de l'énergie nucléaire. Certains considèrent l'énergie nucléaire comme une technologie verte importante qui n'émet pas de dioxyde de carbone tout en produisant d'énormes quantités d'électricité fiable. Ils soulignent un bilan de sécurité admirable qui s'étend sur plus de deux décennies.
D'autres considèrent l'énergie nucléaire comme une technologie intrinsèquement dangereuse qui constitue une menace pour toute communauté située à proximité d'une centrale nucléaire. Ils signalent des accidents comme l'incident de Three Mile Island et l'explosion de Tchernobyl comme preuve de la gravité des problèmes.
Dans tous les cas, les réacteurs nucléaires commerciaux sont une réalité dans de nombreuses régions du monde développé. Parce qu'ils utilisent une source de combustible radioactif, ces réacteurs sont conçus et construits selon les normes les plus élevées de la profession d'ingénieur, avec la capacité perçue de gérer presque tout ce que la nature ou l'humanité peut préparer. Des tremblements de terre ? Aucun problème. Des ouragans ? Aucun problème. Des frappes directes d'avions gros porteurs ? Aucun problème. Attaques terroristes? Aucun problème. La force est intégrée, et les couches de redondance sont destinées à gérer toute anomalie opérationnelle.
Peu de temps après qu'un tremblement de terre a frappé le Japon le 11 mars, 2011, cependant, ces perceptions de la sécurité ont commencé à changer rapidement. Des explosions ont secoué plusieurs réacteurs différents au Japon, même si les rapports initiaux indiquaient qu'il n'y avait aucun problème lié au séisme lui-même. Des incendies se sont déclarés à l'usine d'Onagawa, et il y a eu des explosions à l'usine de Fukushima Daiichi.
Alors, qu'est-ce qui n'a pas fonctionné ? Comment un si bien conçu, les systèmes hautement redondants échouent si catastrophiquement ? Nous allons jeter un coup d'oeil.
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Ce schéma montre toutes les parties d'un réacteur nucléaire. © 2011 HowStuffWorks.com Si vous avez lu Comment fonctionnent les réacteurs nucléaires, vous connaissez l'idée de base d'une centrale nucléaire. À un haut niveau, ces plantes sont assez simples. Combustible nucléaire, qui, dans les centrales nucléaires commerciales modernes, se présente sous la forme d'uranium enrichi, produit naturellement de la chaleur lorsque les atomes d'uranium se séparent (voir la section Fission nucléaire de Comment fonctionnent les bombes nucléaires pour plus de détails). La chaleur est utilisée pour faire bouillir de l'eau et produire de la vapeur. La vapeur entraîne une turbine à vapeur, qui fait tourner un générateur pour créer de l'électricité. Ces centrales sont grandes et généralement capables de produire quelque chose de l'ordre d'un gigawatt d'électricité à pleine puissance.
Pour que la puissance d'une centrale nucléaire soit ajustable, le combustible à l'uranium est formé en pastilles approximativement de la taille d'un rouleau Tootsie. Ces pastilles sont empilées bout à bout dans de longs tubes métalliques appelés crayons combustibles. Les tiges sont disposées en faisceaux, et des faisceaux sont disposés dans le coeur du réacteur. Les barres de commande s'insèrent entre les barres de combustible et sont capables d'absorber les neutrons. Si les barres de commande sont complètement insérées dans le noyau, le réacteur est dit arrêté. L'uranium produira la plus faible quantité de chaleur possible (mais produira toujours de la chaleur). Si les barres de commande sont sorties du noyau aussi loin que possible, le noyau produit son maximum de chaleur. Pensez à la chaleur produite par une ampoule à incandescence de 100 watts. Ces ampoules deviennent assez chaudes - assez chaudes pour cuire un petit gâteau dans un four Easy Bake. Imaginez maintenant un 1, 000, 000, Ampoule de 000 watts. C'est le genre de chaleur qui sort d'un cœur de réacteur à pleine puissance.
Les réacteurs qui ont échoué au Japon sont des réacteurs à eau bouillante Mark 1 conçus par General Electric dans les années 1960. Il s'agit de l'un des premiers modèles de réacteurs, dans lequel le combustible à l'uranium fait bouillir de l'eau qui entraîne directement la turbine à vapeur. Cette conception a ensuite été remplacée par des réacteurs à eau sous pression en raison de problèmes de sécurité entourant la conception Mark 1. Comme nous l'avons vu, ces problèmes de sécurité se sont transformés en défaillances de sécurité au Japon. Jetons un coup d'œil à la faille fatale qui a conduit au désastre.
Un réacteur à eau bouillante a un talon d'Achille - un défaut fatal - qui est invisible dans des conditions de fonctionnement normales et dans la plupart des scénarios de défaillance. Le défaut est lié au système de refroidissement.
Un réacteur à eau bouillante fait bouillir de l'eau :c'est évident et assez simple. C'est une technologie qui remonte à plus d'un siècle aux premières machines à vapeur. Comme l'eau bout, cela crée une énorme pression -- la pression qui sera utilisée pour faire tourner la turbine à vapeur. L'eau bouillante maintient également le cœur du réacteur à une température sûre. A la sortie de la turbine à vapeur, la vapeur est refroidie et condensée pour être réutilisée maintes et maintes fois en boucle fermée. L'eau est recirculée à travers le système avec des pompes électriques.
La vulnérabilité de la conception entre en jeu en cas de perte de puissance des électropompes. Sans apport d'eau fraîche dans la chaudière, l'eau continue de bouillir, et le niveau de l'eau commence à baisser. Si suffisamment d'eau bout, les crayons combustibles sont exposés et ils surchauffent. A un moment donné, même avec les tiges de commande complètement insérées, il y a assez de chaleur pour faire fondre le combustible nucléaire. C'est de là que vient le terme effondrement. Des tonnes d'uranium en fusion coulent au fond de la cuve sous pression. À ce moment, c'est catastrophique. Au pire des cas, le combustible fondu pénètre dans le récipient sous pression et est libéré dans l'environnement.
En raison de cette vulnérabilité connue, il y a une énorme redondance autour des pompes et de leur alimentation en électricité. Il existe plusieurs ensembles de pompes redondantes, et il y a des alimentations redondantes. L'électricité peut provenir du réseau électrique. Si cela échoue, il existe plusieurs couches de générateurs diesel de secours. S'ils échouent, il y a un système de batterie de secours. Avec toute cette redondance, il semble que la vulnérabilité soit complètement couverte. Il n'y a aucun moyen pour que le défaut fatal soit jamais exposé.
Malheureusement, peu après le tremblement de terre, le pire des cas s'est déroulé.
Le pire des scénarios de la crise nucléaire au Japon serait un effondrement et un rejet massif de radiations nucléaires dans l'environnement. © iStockphoto.com/caracterdesign Les centrales nucléaires du Japon ont résisté au séisme lui-même sans difficulté. Les quatre usines les plus proches de l'épicentre du séisme se sont arrêtées automatiquement, ce qui signifie que les barres de contrôle ont été entièrement insérées dans leurs cœurs de réacteurs et que les centrales ont cessé de produire de l'électricité. Il s'agit de la procédure d'exploitation normale pour ces usines, mais cela signifiait que la première source d'électricité pour les pompes de refroidissement avait disparu. Ce n'est pas un problème car l'usine pourrait être alimentée par le réseau électrique pour faire fonctionner les pompes.
Cependant, le réseau électrique est devenu instable et s'est également arrêté. La deuxième source d'électricité pour les pompes de refroidissement avait disparu. Cela a mis en jeu les générateurs diesel de secours. Les générateurs diesel sont un moyen robuste et éprouvé de produire de l'électricité, donc pas de soucis.
Mais ensuite, le tsunami a frappé. Et malheureusement, le tsunami a été bien plus important que quiconque ne l'avait prévu. Si les générateurs diesel de secours avaient été plus hauts du sol, conçu pour fonctionner en étant immergé dans l'eau ou protégé des eaux profondes d'une manière ou d'une autre, la crise aurait pu être évitée. Malheureusement, les niveaux d'eau inattendus du tsunami ont causé la panne des générateurs.
Cela a laissé la dernière couche de redondance - les batteries - pour faire fonctionner les pompes. Les batteries ont fonctionné comme prévu, mais ils étaient dimensionnés pour ne durer que quelques heures. L'hypothèse, Apparemment, était que l'électricité deviendrait disponible à partir d'une autre source assez rapidement.
Bien que les exploitants aient transporté de nouvelles génératrices par camion, ils n'ont pas pu être branchés à temps, et les pompes à liquide de refroidissement ont manqué d'électricité. Le défaut fatal dans la conception de l'eau bouillante - que l'on croyait impossible à découvrir à travers tant de couches de redondance - avait néanmoins été révélé. Avec elle exposée, l'étape suivante du processus a conduit à la catastrophe.
Avec les piles mortes, les pompes à liquide de refroidissement sont tombées en panne. En l'absence de fluide caloporteur frais pénétrant dans le cœur du réacteur, l'eau qui le maintenait au frais a commencé à bouillir. Comme l'eau bout, les sommets des crayons combustibles étaient exposés, et les tubes métalliques contenant les pastilles de combustible d'uranium ont surchauffé et se sont fissurés. Les fissures ont permis à l'eau de pénétrer dans les tubes et d'atteindre les pastilles de combustible, où il a commencé à produire de l'hydrogène gazeux. Le processus s'appelle thermolyse -- si vous avez de l'eau assez chaude, il se décompose en ses atomes d'hydrogène et d'oxygène constitutifs.
L'hydrogène est un gaz hautement explosif -- rappelez-vous l'explosion d'Hindenburg, dans lequel le Hindenburg était plein d'hydrogène gazeux. Dans les centrales nucléaires japonaises, pression de l'hydrogène accumulé, et le gaz devait être évacué. Malheureusement, tant d'hydrogène s'est dégagé si rapidement qu'il a explosé à l'intérieur du bâtiment du réacteur. Cette même chaîne d'événements s'est déroulée dans plusieurs réacteurs différents.
Les explosions n'ont pas rompu les récipients sous pression contenant les noyaux nucléaires, ils n'ont pas non plus libéré de quantités significatives de rayonnement. C'étaient de simples explosions d'hydrogène, pas des explosions nucléaires. Les explosions ont endommagé les bâtiments en béton et en acier entourant les réservoirs sous pression.
Les explosions ont également indiqué que les choses étaient devenues incontrôlables. Si l'eau continuait à bouillir, un effondrement serait presque assuré.
Les opérateurs ont donc décidé d'inonder les réacteurs avec de l'eau de mer. Il s'agit d'un ultime effort pour contrôler la situation, puisque l'eau de mer ruine complètement un réacteur, mais c'est mieux qu'un effondrement. En outre, l'eau de mer était mélangée avec du bore pour agir comme une version liquide des barres de commande. Le bore absorbe les neutrons et est l'un des principaux constituants des barres de commande.
La centrale nucléaire du Tricastin est l'une des 59 centrales françaises qui fournissent 75 % de l'électricité du pays. David McGlynn/ Choix du photographe RF/Getty Images Les incidents nucléaires au Japon sont décrits comme des événements INES de niveau 6 (échelle internationale des événements nucléaires et radiologiques). Three Mile Island était un événement de niveau 5. Tchernobyl était un événement de niveau 7, et c'est le sommet de l'échelle des événements [source :Reuters]. Évidemment, c'est une situation grave.
Le Japon a perdu une partie importante de sa capacité de production d'électricité. Environ un tiers de l'électricité du Japon provient de centrales nucléaires, et environ la moitié de cette capacité a été perdue (environ 20 % de la capacité de production totale) [source :Izzo]. Cette capacité devra être remplacée d'une manière ou d'une autre.
A 40 ans, ces réacteurs approchent de toute façon de la fin de leur durée de vie nominale. Une alternative consiste simplement à reconstruire les plantes. Les deux problèmes avec cette approche sont qu'il s'agira d'un processus très long - pouvant prendre une décennie ou plus - et que le grand public au Japon pourrait n'avoir aucun appétit pour de nouveaux réacteurs nucléaires. Il est encore trop tôt pour le dire.
Il existe un certain nombre de réacteurs Mark 1 aux États-Unis. Il est certain qu'ils seront déclassés ou modifiés pour tirer parti des enseignements tirés au Japon. D'autres réacteurs peuvent également être modifiés selon les besoins.
L'industrie nucléaire espérait une renaissance de l'énergie nucléaire aux États-Unis maintenant que plus de trois décennies se sont écoulées depuis que l'incident de Three Mile Island a mis fin à la construction d'une nouvelle centrale nucléaire aux États-Unis. Les événements au Japon pourraient arrêter cette renaissance. Ou ils peuvent stimuler la recherche dans d'autres, peut-être plus sûr, technologies nucléaires.
