Arrêt du refroidissement : Rupture des gaines, fusion du combustible, explosion …
Le zirconium (Zr) est utilisé pour le revêtement des combustibles de réacteurs nucléaires. À cette fin, il est principalement employé sous forme d’alliages appelés Zircaloy. Les avantages des alliages au zirconium est leur transparence aux neutrons (probabilité ou section efficace de capture particulièrement faible) et une bonne résistance à la corrosion dans des conditions normales de service.
Un inconvénient des alliages de zirconium est leur réactivité envers l’eau à très haute température conduisant à la formation de gaz d’hydrogène et à la dégradation accélérée de la gaine du crayon combustible: Le zirconium décompose l’eau en prenant son oxygène et en libérant son hydrogéne.
Décomposition de la vapeur par le zirconium des gaines.
Le sommet de cette aiguille a été porté à plus de 1000°C par suite d’un manque de refroidissement. A ces températures, le zirconium des gaines (représenté en rouge) commence à décomposer la vapeur d’eau. Le zirconium métallique s’oxyde et de l ‘hydrogène est dégagé. Le métal transformé en oxyde perd de son étanchéité. A cette température, la céramique des pastilles de combustible (représentées au centre) ne fond pas encore, mais la perte d’étanchéité conduit au relâchement d’isotopes radioactifs volatils comme l’iode, le césium et des gaz rares.
© IN2P3
Cette réaction qui dégage de la chaleur est très lente en dessous de 100 ° C, mais à des températures supérieures à 830 ° C, la gaine se détériore. La réaction devient rapide et est proportionnelle au carré de la masse de métal disponible. Aux alentours de 1200°C, il y a rupture de la gaine. La plupart des métaux subissent des réactions similaires,
Cette réaction d’oxydation du zirconium affecte la tenue des assemblages de combustible si leur température devient très élevée à la suite d’un manque de refroidissement. Surtout elle conduit à un dégagement d’hydrogène qui mis en contact avec l’oxygène de l’air se recombine avec lui d’une manière explosive pour former de l’eau.
Une faible explosion d’hydrogène avait été observée pour la première fois lors de l’accident de la centrale nucléaire de Three Mile Island en 1979 à l’intérieur du bâtiment du réacteur. Les conséquences en avaient été réduites et l’enceinte qui confinait la radioactivité n’avait pas été endommagée .
Explosion d’hydrogène au réacteur N°3 de Fukushima
Chemin qu’aurait suivi l’hydrogène dont l’explosion a soufflé le toit du réacteur N3 de Fukushima. Sous l’effet de l’augmentation de pression dans la cuve du réacteur, dont les gaines de zirconium non refroidies réagissent avec l’eau, de la vapeur accompagnée d’hydrogène est déchargée dans le tore, vaste enceinte située au dessous. L’hydrogène passe ensuite dans l’enceinte de confinement, puis dans la partie supérieure du bâtiment ou il explose au contact de l’oxygène de l’air. Des produits de fissions volatils (P.F) suivent le même trajet.
© Source ASN/IRSN
Les circonstances furent beaucoup plus graves lors de l’accident de Fukushima. Les refroidissements des réacteurs N°1, 2 et 3 de la centrale se trouvèrent interrompus à la suite du séisme et du tsunami qui ont frappé le Japon le 11 mars 2011. La partie supérieure des assemblages de combustibles, qui s’était retrouvée quasi découverte, a été portée à une température très élevée déclenchant la réaction d’oxydation du zirconium et la dégradation des gaines.
De forts dégagements d’hydrogène suivirent dans divers bâtiments de ces trois réacteurs. Le mélange explosif d’hydrogène avec l’oxygène de l’air explosa, endommageant gravement les installations et au moins l’une des enceintes de confinement, celle du réacteur N°2.
Une évacuation directe de l’hydrogène dans l’atmosphère aurait permis probablement d’éviter ces explosions. Actuellement, pour éviter le risque d’explosion d’hydrogène dans les enceintes de confinement, de nombreux réacteurs à eau pressurisée sont équipés de systèmes de recombinaisons catalytiques, des dispositifs qui favorisent la recombinaison rapide, au fur et à mesure, de l’oxygène et de l’hydrogène bien avant que le mélange ne devienne explosif.
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