thumb|Cœur d'un réacteur nucléaire de recherche TRIGA.
La fusion du cœur d'un réacteur nucléaire survient lorsque les crayons de combustible nucléaire d'un réacteur nucléaire, qui contiennent l'uranium ou le plutonium ainsi que des produits de fission hautement radioactifs, commencent à surchauffer puis à fondre. Elle se produit en particulier lorsqu'un réacteur cesse d'être correctement refroidi. Elle est considérée comme un accident nucléaire grave en raison de la probabilité que des matières fissiles puissent alors polluer l'environnement et émettent de nombreux radioisotopes hautement radioactifs, après avoir franchi l'enceinte de confinement.
Plusieurs fusions du cœur se sont déjà produites dans des réacteurs nucléaires tant civils que militaires (voir la liste d'accidents nucléaires). Elles se sont caractérisées par des dégâts très sérieux sur le réacteur nucléaire et les cas les plus graves (rejets radioactifs dans l'environnement) ont nécessité une évacuation de la population civile des environs. Dans la plupart des cas, il a fallu ensuite arrêter définitivement le réacteur, puis réaliser son démantèlement complet.
Analyse des causes
Un crayon de combustible nucléaire fond quand la température atteint une valeur supérieure à sa température de fusion. Lors de la catastrophe de Tchernobyl, cette augmentation de température a été quasi instantanée ; dans d'autres cas, elle peut prendre plusieurs heures, notamment lors de l'accident nucléaire de .
La fusion du cœur peut se produire alors que la réaction en chaîne neutron-fission s'est terminée, car l'inertie thermique, la chaleur résiduelle (liée à la désintégration des produits de fission à courte durée de vie) ou la chaleur d'un incendie peuvent continuer à chauffer le combustible bien après l'arrêt du réacteur.
Dans les réacteurs nucléaires, les crayons de combustibles présents dans le cœur peuvent fondre pour les raisons suivantes : perte de contrôle de la pression du réfrigérant : si le réfrigérant est un gaz inerte, l'efficacité du transfert thermique peut diminuer ; si le réfrigérant est de l'eau pressurisée, il peut se former une bulle de vapeur autour d'un crayon de combustible ; fuite du réfrigérant : le débit du réfrigérant n'est pas suffisant pour refroidir le réacteur (le réfrigérant peut être de l'eau, un gaz inerte ou du sodium liquide). Un accident dû à la fuite de réfrigérant peut être étroitement lié à une « perte de contrôle de la pression du réfrigérant » ; excès de puissance incontrôlé : un pic de puissance se produit soudainement au-delà des spécifications techniques du réacteur ; incendie autour du combustible nucléaire : cela n'est possible que dans les réacteurs conçus avec un modérateur à l'hydrogène ou au graphite.
La défaillance des systèmes d'alimentation électrique de secours pourrait aussi conduire à une fusion du cœur. Un rapport de l'autorité de sûreté nucléaire américaine (NRC) révèle que 50 % des scénarios de fusion du cœur proviennent d'une coupure de courant dans la centraleSuède cinq des dix réacteurs nucléaires sont à l'arrêt, Actualités News Environnement, ..
Sûreté des centrales
Risque de perte du système de refroidissement des réacteurs Immédiatement après l'arrêt des réactions de fission, un réacteur nucléaire dégage toujours environ 7 % de sa puissance thermique nominaleIntroduction à la physique du réacteur , CANTEACH., cette puissance résiduelle diminue de façon logarithmiqueFukushima design.. Elle est ainsi proche de 2 % de la puissance nominale une demi heure après l'arrêt et de 1 % de la puissance nominale huit heures après l'arrêt.
Cette chaleur résiduelle est normalement — dans ce type de cas — éliminée par refroidissement, au moyen des circuits auxiliaires dans lesquels l'eau est le fluide de refroidissement et dont les pompes et les systèmes de contrôle doivent être alimentés en électricité. Dans le cas de l'accident nucléaire de Fukushima, ces systèmes ont été endommagés et les systèmes de secours semblent avoir été fortement endommagés par le tremblement de terre ou noyés par le tsunami consécutif. Les groupes électrogènes de secours se sont brusquement arrêtés une heure plus tard.
Le réacteur ne peut plus être refroidi et le volume d'eau diminue, ce qui peut conduire à la fusion du cœur du réacteurAccidents graves des réacteurs à eau de production d’électricité , IRSN.. Le point de fusion du combustible est d’environ Fukushima Nuclear Accident – a simple and accurate explanation, Bravenewclimate.com, 13 mars 2011Thermodynamique du comportement de UO2 à très haute température , UTBM. tandis que la gaine à base de zirconium se détériore aux alentours de puis, par une réaction oxydante avec l'eau, rompt aux alentours de P. Kuan, D.J. Hanson et F. Odar, Managing water addition to a degraded core , 1992, .. La fusion de la gaine survient à environ , température atteinte en quelques minutes dans un cœur de réacteur à l’arrêt s’il se retrouve en partie hors de l’eauDaniel Heuer, Accident de Fukushima: les questions clefs, Sciences et Avenir, 16 mars 2011. Daniel Heuer est directeur de recherche au Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble (CNRS/IN2P3) et responsable du groupe Physique des réacteurs nucléaires..
Une explosion peut disperser la très forte radioactivité du cœur sur des distances de l’ordre du kilomètre et détruire les moyens de contrôle de la centrale.
Il est donc jugé préférable, lors de ce type d’accident, de laisser s’échapper la vapeur et l’hydrogène accumulés dans l’enceinte, quitte à entraîner à l’extérieur une contamination radioactive généralement limitée, si des tubes de combustible ont été fissurés/fendus. De même, le refroidissement du cœur est considéré comme prioritaire, quitte à ce qu’une faible radioactivité sorte de l’enceinte (des bassins d’épandage sont prévus pour retenir ces eaux de refroidissement potentiellement contaminées). Cette approche instaure un « mode dégradé » grâce auquel le plus gros de la radioactivité reste à l’intérieur des barrières de confinement.
Risque de défaut de refroidissement des piscines d'entreposage
vignette|Piscine de désactivation et d'entreposage de combustible du réacteur du Savannah River Site (États-Unis). Après avoir été retirés du cœur d'un réacteur les éléments combustibles usés, qui continuent de dégager de la chaleur, sont entreposés dans une piscine de désactivation dont l'eau sert à la fois à les refroidir et à constituer une barrière (« blindage liquide ») aux rayonnements qu'ils émettent IAEA Briefing on Fukushima Nuclear Accident (2 June 2011, 18:30 UTC). Le niveau d'une piscine doit être constamment contrôlé et sa température ne doit pas dépasser , ce qui demande un refroidissement constant. Chaque piscine de de profondeur peut accueillir des matières radioactives sur de hauteurhttp://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/Fukushima_Piscines.htm Page (provisoire, susceptible de mise à jour) d'explication des problèmes subis par les piscines de la centrale de Fukushima après le tremblement de terre de mars 2011], par des chercheurs du CNRS et CEA (présentation). Sur le site de Fukushima Daiichi, selon TEPCO, il y avait plus de matières radioactives dans les piscines que dans les réacteurs. Elles contenaient au moment de l'accident assemblages de combustible usés (près de quatre fois la quantité de produits radioactifs contenus dans les cœurs des six réacteurs). La piscine du réacteur (qui était à l'arrêt pour entretien) en contenait assemblages en partie exposés à l'air Most fuel in Fukushima 4 pool undamaged, 14 avril 2011.
Faute d'apport d'eau destinée au refroidissement d'une piscine d’entreposage du combustible usagé le contenu de la piscine s'évapore ( par seconde et par mégawatt)Selon Daniel Heuer, physicien au CNRS et spécialiste des réacteurs nucléaires (interrogé par Sciences et Avenir). 17 mars 2011 17:33 Fukushima : pourquoi les piscines ne doivent pas rester vides 16 mars 2011 et l'ébullition cause alors l'échauffement puis l'éclatement (lié à l'oxydation) des crayons de combustiblePas d’issue favorable pour Fukushima - Valéry Laramée de Tannenberg, Journal de l'environnement, 16 mars 2011. En outre, les piscines d'entreposage sont situées hors de l'enceinte de confinement résistante des réacteurs (elles sont en situation normale confinées dynamiquement) et sont ainsi plus facilement exposées à l'atmosphèreFukushima : une piscine de stockage à sec ?, Reuters/Europe 1, 16 mars 2011.
Cette situation est potentiellement très grave : si l'eau des piscines s'évapore (ce qui peut survenir après quelques jours de fonctionnement anormal), les éléments combustibles irradiés qu'elle contiennent peuvent fondre ou prendre feu, répandant leurs produits de fission directement dans l'atmosphèreJapon: Que peut-il encore se passer à Fukushima? - 20 minutes, 16 mars 2011En France l'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire s'inquiète de l'état de la piscine d'entreposage du réacteur 4. En France, la présence de particules radioactives dans l'atmosphère ne sera pas détectable avant une semaine, Sciences et Avenir, 16 mars 2011.
Dans un tel cas, les rejets radioactifs correspondants seraient bien supérieurs aux rejets survenus jusqu’à présentPoint de situation au 16 mars, IRSN .
Risque sismique
Les réacteurs des centrales nucléaires sont conçus pour s’arrêter automatiquement dès le début de secousses importantesLes craintes récurrentes d'un accident nucléaire majeur au Japon - La Dépêche, 12 mars 2011, la réaction en chaîne qui a lieu durant le fonctionnement normal du réacteur est alors stoppée, mais les réacteurs doivent être refroidis pour évacuer la chaleur due à l'activité des produits de fission qu'il contient, qui continuent à se désintégrer donc à chauffer durant un temps pouvant atteindre plusieurs moisL'arrêt du réacteur - Laradioactivite.com Discussion Thread – Japanese nuclear reactors and the 11 March 2011 earthquake, Bravenewclimate.com, 12 mars 2011.
Conséquences
La perte totale du refroidissement est l’accident majeur dimensionnant les dispositifs de sécurité d’une centrale nucléaire. En effet, c’est en calculant les conséquences éventuelles d’un tel accident sur l’extérieur que l’on détermine si un réacteur est suffisamment sûr. Les conséquences d’un tel accident sont donc étudiées à l’avance et les réponses à apporter aux différentes situations font partie du dossier de sûreté de la centrale. Pour qu'une centrale puisse réglementairement être autorisée à fonctionner, l'opérateur doit démontrer que les effets de n'importe quel accident de fusion du cœur restent confinés à la centrale et n'imposent pas d'évacuer les habitants riverainsSafety of Nuclear Power Reactors, World Nuclear Association..
D’une manière générale, les conséquences d’une perte de refroidissement sur un réacteur peuvent être : Dommages mécaniques La première conséquence est que l’eau de refroidissement s’évapore, ce qui provoque une surpression de vapeur d’eau. La pression de vapeur peut alors être suffisante pour endommager l’installationJacques LIBMANN , Sûreté des réacteurs français en service, Techniques de l’Ingénieur, traité Génie nucléaire.. Pollution radioactive
La température continuant de monter, les gaines (longs tubes) de combustible peuvent se fendre, libérant dans le cœur des produits de fission. Le risque est alors que ces produits de fission se répandent dans l’atmosphère avec les vapeurs produites, entraînant des contaminations radioactives à l’extérieur. Le phénomène peut être lourdement aggravé, comme dans l’accident de Tchernobyl, si un incendie entraîne les matières radioactives dans l'atmosphère. Production d'hydrogène et explosion chimique