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Fukushima: comment les barres de contrôle ont rempli leur mission

Dominique Albertini et Clément Larrivé, mis à jour le 17.03.2011 à 15 h 01

[L'EXPLICATION] Que s'est-il passé avec les «crayons» de la centrale nucléaire japonaise?

Les barres de contrôle de la centrale nucléaire autrichienne de Zwentendorf. REUTERS/Heinz-Peter Bader

Les barres de contrôle de la centrale nucléaire autrichienne de Zwentendorf. REUTERS/Heinz-Peter Bader

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Les accidents nucléaires de la centrale de Fukushima sont-ils dûs à des défaillances du système de sécurité? Un internaute nous interroge notamment sur les «barres de contrôles» présentes au coeur des réacteurs nucléaires. N'auraient-elles pas dû mettre ceux-ci à l'arrêt au moment du séisme? C'est bien ce qui s'est passé. Voici pourquoi cela n'a pas suffi.

Que sont ces fameuses barres de contrôles, et à quoi servent-elles?

Rappelons d'abord brièvement le principe d'une réaction nucléaire: des neutrons libres viennent percuter des atomes lourds et instables, tels que l'uranium ou le plutonium. Ceux-ci se scindent alors en deux, libérant d'autres neutrons qui reproduisent et amplifient le processus. Cette fission produit de la chaleur, que les centrales nucléaires utilisent in fine pour produire de l'électricité.

Les barres de contrôles, aussi surnommées «crayons» en raison de leur forme, ont un rôle essentiel dans ce système: elles permettent de garder sous contrôle la réaction en chaîne, en absorbant un plus ou moins grand nombre de neutrons avant qu'ils ne percutent les atomes instables.

Comment ça marche? 

Les barres de contrôle sont généralement constituées d'argent ou de bore (PDF). Ces éléments chimiques ont la faculté d'avaler les neutrons qui passent à leur portée. Dans le coeur du réacteur nucléaire, le paquet de crayons est installé soit au-dessus, soit au-dessous du combustible (l'uranium), de manière à pouvoir y être emboîté. Ainsi, en le faisant monter ou descendre progressivement, on peut jouer sur le nombre de neutrons en circulation, et donc sur l'intensité de la réaction nucléaire.

Lorsque quelques-unes de ces barres sont insérées dans le cœur du réacteur, en fonctionnement normal, elles ralentissent les neutrons, permettant une réaction en chaîne plus effective (les neutrons sont absorbés moins rapidement par l’eau, et ont plus de chances de continuer à provoquer des réactions). Ces barres sont conservées en immersion totale lors d'un fonctionnement normal de la centrale, maintenues par des électro-aimants en position basse, sous le cœur du réacteur (dans le cas précis du réacteur à eau bouillante), de manière à ce qu'en cas de coupure de courant accidentelle elles soient automatiquement relâchées dans le cœur du réacteur, stoppant la réaction en chaîne (processus appelé Scram).

En cas d'alerte, ce mécanisme très rapide permet de faire tomber ces barres sur le coeur du réacteur –en 2 secondes et 4 dixièmes précisément pour les centrales françaises. Dans le même temps, de l'acide borique est injecté dans l'eau où est immergé le combustible. La réaction en chaîne s'arrête alors en quelques secondes.

Ce mécanisme a-t-il fonctionné à Fukushima?

Selon TEPCO, les instruments de mesure ont montré que le mécanisme avait fonctionné. Quelques instants après le séisme, les barres de contrôles ont mis à l 'arrêt les réacteurs nucléaires comme le montre l'infographie du Figaro. Elles ne sont, semble-t-il, pas à mettre en cause dans les incidents qui ont suivi. Mais, si l'arrêt de la réaction elle-même est très rapide, grâce aux crayons, il faut beaucoup plus de temps pour que le combustible refroidisse –d'autant que des désintégrations résiduelles peuvent toujours se produire. 

Or, le système de refroidissement de la centrale a été affecté par le séisme. Avec pour conséquence l'élévation de la température dans le coeur du réacteur, et le scénario redouté d'une fusion du combustible. Dans ce cas, les barres de contrôle risqueraient d'être désolidarisées de celui-ci, ce qui pourrait faire redémarrer la réaction en chaîne. Perspective catastrophique contre laquelle se battent en ce moment les ingénieurs de Fukushima.

Que s'est-il passé avec l'eau? Une minute est-elle suffisante pour arrêter la centrale?

Les dommages subis par la centrale ont fait considérablement baisser le niveau d'eau dans la centrale, produisant une surchauffe du réacteur, ainsi qu'une exposition des barres du réacteur numéro 1 d'une part à l'air ambiant pouvant les endommager, mais surtout d'autre part au cœur du réacteur, déjà en surchauffe. En effet, sur les trois systèmes de sécurité, le premier a bien fonctionné (insertion des barres dans le cœur du réacteur), mais le second (système de refroidissement à eau) puis le troisième (injection de réfrigérant dans le cœur du réacteur) ont failli, l’un à cause du tsunami, l’autre probablement à cause d'une fuite dans le réacteur, empêchant le réfrigérant d’agir à son efficacité maximale.

Les tentatives de verser de l'eau salée directement dans le réacteur visaient à limiter la hausse de température dans ce cœur. Toutefois, la réaction en chaîne une fois débutée ne s'arrête pas d'un seul coup: lors d'un scram, en effet, il y a délai pendant lequel des neutrons sont encore produits, qui limitent de fait la durée avant arrêt d'une centrale (il y a toujours production de chaleur, donc une minute n’est clairement pas suffisante). Enfin, les éléments impliqués restent encore très chauds, d'où la nécessité de continuer à verser de l'eau, surtout dans le cas où les circuits d'alimentation en eau sont endommagés.

Bonus: le cas de Tchernobyl

Dans le cas du désastre de Tchernobyl, les barres de contrôle ont bien été insérées à temps dans le cœur du réacteur, comme en témoigne le journal de bord des scientifiques, mais ces barres souffraient d'un grave problème de conception. Leurs extrémités étaient en graphite au lieu d'être dans un matériau qui absorbe les neutrons (bore, cobalt, argent ou cadmium). Ainsi, au lieu de ralentir la réaction en chaîne, cela l'accéléra, conduisant à la première explosion qui détruisit la plupart des barres de contrôles, bloquant celles qui n'avaient pas encore été totalement insérées et annihilant ainsi tout espoir de contrôler de nouveau la relation en chaîne. Cette explosion fut à l’origine de la catastrophe, même si techniquement c’est le dégagement de dihydrogène (H2) qui ensuite fit sauter le toit de la centrale, qui n’avait pas comme à Fukushima Daiichi d’enceinte de confinement. A Fukushima Daiichi, contrairement à Daiini, la surchauffe et le problème d’alimentation en eau n’ont pas permis l’arrêt complet de la centrale, même si l’enceinte de confinement a pour l’instant évité une catastrophe telle que celle de Tchernobyl.

Dominique Albertini et Clément Larrivé

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