Lucens, le premier accident nucléaire de l'histoire

Lucens était une petite centrale atomique expérimentale située sur le terrain de la commune de Lucens, à 28 km à vol d'oiseau de Lausanne. Le gouvernement suisse en avait décidé la construction d'une part pour étudier la faisabilité d'une centrale atomique productrice d'électricité, en ensuite, sans jamais le dire, pour tenter de produire du plutonium, car, à cette époque, chaque pays voulait s'équiper de bombes atomiques afin d'assurer sa défense et notre Conseil Fédéral avait cédé aux demandes insistantes des militaires. En 1961 la SNA  (Société Nationale pour l'encouragement de la technique Atomique industrielle), en mains de producteurs d'électricité, débutait la  construction d'une centrale à eau lourde dans une caverne de 25 mètres de haut et de 20 mètres de diamètre à Lucens . Elle était conçue pour fournir une puissance thermique de 30MW et 6MW de puissance électrique. Son directeur était le physicien Jean-Paul Buclin.

Vu avec le recul, cet type de centrale de conception suisse, dont la réaction en chaîne est modérée avec de l'eau lourde, était quasiment obsolète au moment de sa construction, alors que deux autres projets de centrales atomiques, Beznau 1 (1969) et Mühleberg (1972) étaient en cours et faisaient appel à la technologie américaine à eau légère. Selon ses concepteurs, le type de centrale "suisse" avait l'avantage d'utiliser de l'Uranium naturel U235 comme combustible, plus facile à se procurer, et d'eau lourde comme modérateur (ralentisseur de neutrons), dont la distillation avait été développée à Bâle pour être ensuite produite par Sulzer France.

Type de réacteur

Réacteur à eau lourde et gaz carbonique (CO₂) sous pression, modéré à l'eau lourde (D₂O), refroidi au CO₂.

Combustible
Uranium métallique naturel ou légèrement enrichi

• Uranium-235 : isotope fissile, enrichi légèrement (moins de 2 %)

• Uranium-238 : isotope non fissile, majoritaire

Le principe de base est le suivant: L'Uranium a la particularité d'êtres radioactif, ce qui signifie qu'il chauffe spontanément lorsque sa masse devient conséquente. Plus il y a d'uranium, plus ça chauffe et si on continue d'en amasser, à un certain moment (seuil de criticité) se produit un emballement (réaction en chaîne) qui s'auto-entretient et qui se termine par la fusion du métal. Dans une centrale atomique productrice d'électricité, tout l'art est donc de laisser l'Uranium chauffer, d'en capter la chaleur et de ne pas le laisser s'approcher du seuil de la réaction en chaîne.

A Lucens, le processus était de contrôler la montée en température des 73 tubes de combustible à l'aide d'eau lourde. Les tubes plongent dans l'eau lourde et le système automatique d'ajustement de la température les sort plus ou moins du bain modérateur de neutrons. Plus les tubes plongent dans l'eau lourde, plus la réaction  se ralentit et tout est calculé pour que la réaction stoppe entièrement si les tubes sont totalement immergée dans le liquide modérateur, l'eau lourde.

En cas de montée anormale de température (due par exemple à une panne générale de courant), le système électronique qui commande la montée et la descente des barres se coupe et les 73 tubes de force tombent dans l'eau lourde par gravité et la réaction en chaîne stoppe immédiatement. Il ne reste plus alors qu'à évacuer la chaleur excédentaire grâce au démarrage du système de refroidissement de secours.

La chaleur dégagée par les tubes d'uranium est ensuite transmise à un échangeur de chaleur grâce à du gaz carbonique caloporteur qui est injecté dans les tubes de force par de puissantes soufflantes verticales. L'échangeur de chaleur reçoit d'un côté le gaz caloporteur et de l'autre de l'eau, qui se transforme en vapeur et fait tourner l'alternateur qui produit l'électricité . L'isolation entre les deux circuits est totale.

L'originalité de Lucens était d'utiliser du gaz carbonique comme fluide caloporteur et d'avoir gainé les tubes de force avec du magnésium (et pas d'acier inoxydable comme actuellement), un matériau qui peut être corrodé par de l'eau. Les soufflantes verticales devaient être absolument étanches afin de garantir que de l'humidité, source de corrosion, ne serait pas injectée dans le gaz. Malheureusement les joints de barrage rotatifs ne l'étaient pas ce qui fait que les barres de force étaient parcourues par un gaz plus humide qu'autorisé. Les opérateurs s'en étaient aperçu dès la mise en force de la centrale et des modifications avaient été apportées par le constructeur, malheureusement imparfaites. De l'humidité  pu donc stagner au pieds des tubes de force et la corrosion finit par obstruer les canaux de circulation du gaz de certaines barres d'uranium.

Le 21 janvier 1969, lors de la mise en force du réacteur, le tube de force no 59 ne fut plus refroidi  par le gaz et chauffa jusqu'à plus de 600 degrés, faisant fondre l'uranium et sa gaine de magnésium. La température de quelques tubes était mesurée mais pas celle de tous (et pas celle du No 59) si bien que sa montée en température passa inaperçue des opérateurs et ce n'est que lorsque la perte de pression du gaz caloporteur déclencha l'alarme automatique que ceux-ci s'en aperçurent mais c'était trop tard, le tube avait fondu et la réaction stoppée. On peut imaginer la stupeur des opérateurs  lorsque toutes les alarmes de la station de commande hurlent et clignotent en même temps!

Le réacteur fut stoppé et refroidi mais la caverne subit une énorme irradiation qui dépassait la capacité des instruments de mesure. Sa construction souterraine a empêché une diffusion massive à l'extérieur. La radioactivité augmenta faiblement dans les villages voisins mais sans atteindre des valeurs dangereuses.  Les radiations se sont propagées  jusqu'à 100 mètres de la salle de contrôle car la caverne n'était pas parfaitement étanche. L'équipe qui a arrêté la turbine a été irradiée dans la caverne la plus proche du réacteur et a dû se décontaminer avec de l'eau froide car les douches chaudes de décontamination étaient inutilisables.

Le réacteur était contaminé par l'Uranium qui s'était vaporisé. Les autorité furent averties et la centrale définitivement arrêtée. Par la suite la cuve, en alliage d'aluminium, fut vidangée de son eau lourde car elle avait été endommagée et n'était pas réparable, et le réacteur fut démantelé, ce qui pris trois années. Personne ne fut irradié durant de ces travaux. Le tout fut bétonné et repris par le canton de Vaud, qui en assure dorénavant la surveillance et utilise les parties non irradiées comme dépôt de biens culturels. Les déchets radioactifs ont été transférés à Würrenlingen. Le centrale fut perdue mais on ne déplora aucun décès par irradiation. Par contre cela devait coûter quelques milliards aux contribuables suisses puisque l'Etat repris  la responsabilité de la centrale des mains des électriciens de  la SNA afin d'en assurer la surveillance pour au moins les 100'000  prochaines années...

Construite à partir de 1961, la central connut sa première réaction en chaîne le 29 décembre 1966, le premier couplage au réseau de la Romande Energie (alors appelée Compagnie Vaudoise d'Electricité) le 29 janvier 1968 et la premier test d'endurance en mai 1968. L'accident du 21 janvier 1969 mis fin à sa brève existence. En 1973 tout était soit déblayé soit bétonné.

Rien n'a explosé

La centrale de Lucens n'a pas explosé car la réaction en chaîne est trop lente avec ce type d'équipement. En effet, le principe d'une centrale atomique est de rapprocher deux blocs de matière fissile, chacun étant incapable de partir en réaction seul. En les rapprochant l'un de l'autre, la masse devient critique et le tout se met à chauffer. L'électronique doit alors contrôler la distance de façon à ce que l'échauffement soit suffisant pour chauffer un fluide caloporteur mais insuffisant pour démarre une réaction en chaîne qui irait jusqu'à fondre le coeur du réacteur.

Principe simplifié d'une centrale atomique à eau pressurisée (source: Wikipedia)

Dans les centrales actuelles, le combustible atomique se trouve dans des tubes qui baignent dans de l'eau lourde. Des barres de contrôle en graphite pendent du plafond et ce sont elles qu'on fait descendre plus ou moins entre les barres de combustible afin de maintenir la réaction au point de fonctionnement voulu. En cas de problème (panne d'électricité par exemple), les tubes de graphite tombent dans la cuve, ce qui stoppe le début de réaction en chaîne puisque le graphite est un modérateur de radioactivité.

Ce faisant, l'augmentation de température est jugulée mais pas éliminée, il faut encore pouvoir refroidir la cuve jusqu'à ce qu'on puisse en retirer les barres de combustible. C'est le problème qu'a eu l'usine japonaise de Fukushima Daichi  après son explosion d'hydrogène car le tsunami qu'elle avait subi avait mis hors service son système de refroidissement. Il a donc fallu pomper de l'eau de mer ce qui a consommé (encore en 2023) des millions de litres d'eau. Les containers provisoires où l'eau contaminée était stockée après usage étant tous pleins, la direction de l'usine a été contrainte d'envisager, avec l'accord de l'Agence Internationale de l'Energie Atomique (AIEA), le rejet de cette eau dans la mer. En 2023 l'opération se fit. sous la réprobation des pays environnants.

Dans la suite du processus, des échangeurs de chaleur récupèrent la chaleur produite par le coeur du réacteur et la transmettent à un liquide caloporteur qui à son tour chauffe de l'eau normale grâce à un à échangeur de chaleur, qui transforme l'eau en vapeur et qui fait tourner une turbine électrique. Les circuits de refroidissement  et de vapeur sont isolés les uns des autres. Tout l'art est donc de conserver les barres de combustible à une distance suffisante afin qu'elles atteignent la température adéquate pour chauffer de l'eau, mais inférieure à celle qui démarrerait une réaction en chaîne.

Démantèlement des centrales

Démanteler une usine en fin de vie est déjà un problème en soi car cela coûte cher et ne rapporte rien. Avec une centrale atomique c'est encore pire car il y a la radioactivité qui a été communiquée au matériel qui doit être éliminée et c'est impossible. Il n'existe aucun moyen de le faire autre que de la laisser lentement décroître au fil du temps. Et ce temps varie suivant les matériaux. 

Les scientifiques parlent de période radioactive, ou demi-vie, d'un isotope radioactif. C'est la durée au bout de laquelle le nombre de noyaux de cet isotope présents dans l'échantillon est réduit de moitié.

Datation radiométrique

Par exemple, cette demi-vie est de 5730 ans pour le carbone 14, qu'on utilise pour la datation archéologique. Pour cela on mesure la radioactivité (en Bequerels) de l'échantillon de carbone 14 et on en déduit son âge puisque l'on sait que cet isotope perd la moitié de sa radioactivité en 5730 ans. En connaissant son volume, on en déduit la radioactivité qu'il devrait avoir s'il était généré aujourd'hui. Avec cette mesure, on sait ce qu'il en reste en fonction de la courbe de décroissance et on peut donc en déduire son âge.

En gros l'isotope perd la moitié de sa radioactivité en au bout de sa période de demi-vie, 5730 ans pour le C14, donc il en reste le 50%. Après 2 périodes il en reste le quart, soit 25% et après 10 périodes il en reste 1024 fois moins soit 0,097 %.

On le voit sur le tableau ci-dessus, en fonction de la courbe de décroissance, la radioactivité décroît rapidement au début et de plus en plus faiblement plus le temps passe. Par exemple, après 2 périodes,  elle a décru de 12,5% pour arriver à la 3ème mais de 0.39% entre la 8ème et la 9ème, ce qui rend la mesure délicate. Il faut alors un appareil de mesure très précis pour estimer cette valeur.

En pratique, la mesure de l'âge d'un élément carboné, du charbon de bois par exemple, sera précis jusqu'à 10 périodes de demie vie, soit environ 50'000 ans pour du carbone 14. Pour des matériaux plus anciens, il faudra prendre un autre isotope, par exemple l'uranium-plomb pour déterminer l'âge de la terre. Voilà pour la règle générale.

Centrale atomique

Dans le cas d'une centrale atomique de production d'électricité, le combustible est constitué produits de fission, donc de plusieurs isotopes ayant chacun une période différente. Il s'ensuit une courbe de décroissance de forme bizarre.

Décroissance d'une tonne de combustible en GBq

(milliards de Bequerels) en fonction des années) (Wikipedia)

C'est le combustible (environs 2'000 crayons de 4mm de diamètre) qui sera le plus radioactif et qui le restera le plus longtemps. Mais tout ce qui était proche de la cuve du réacteur aura été aussi rendu radioactif, de même que le bâtiment, les outils, les vêtements, etc.

La centrale de Mühleberg, près de Berne, a été définitivement mise hors service le 20 décembre 2019. On estime à 200'000 tonnes le poids des déchets à traiter. Les plus radioactifs seront coulés dans du verre et mis en fûts pour être stockés et surveillés dans des entrepôts souterrains pendant des milliers d'années. Le reste est traité par grenouillage afin d'enlever la couche superficielle extérieure radioactive et ensuite considéré comme des déchets de construction normaux.

Le cycle complet est estimé devoir durer dans les 100 ans, et bien sûr coûter des milliards. De par la loi,  les producteurs d'électricité nucléaire sont censés économiser 1-2 milliards pour le démantèlement de chacune de leurs centrales.