Canicule et refroidissement des centrales nucléaires

Cet été avec les coups de chaleur et la canicule, un argument anti-nucléaire s’est de plus en plus souvent imposé. J’aurais dû depuis des mois écrire un billet pour y répondre facilement, plutôt que ré-expliquer à chaque fois… Disons qu’il n’est jamais trop tard ?

De toute façon, c’est un sujet qui va ressortir tous les étés à minima, donc ça servira forcément. Par ailleurs, j’avais déjà regroupé plusieurs sources et ressources sur le sujet dans ce thread ci-dessous.

Regroupement de #thread #canicule #nucléaire #sécheresse #eau tout ça tout ça. https://t.co/espQXVYIPT

— Tristan Kamium ☢️ (@TristanKamin) August 4, 2020

Celui d’aujourd’hui vient en synthèse et complément… Et je vais un peu plus développer sur la question de la sûreté. Allons-y !

On va se mettre en situation avec un réacteur de 1500 MW de capacité (les plus puissants en service en France en attendant l’EPR, et dans le monde derrière les EPR de Taishan), soit 4270 MW de chaleur.

Ah oui parce qu’il faut rappeler ceci : la fission nucléaire, et donc un cœur de réacteur nucléaire, ne produisent pas d’électricité. Ils produisent de la chaleur, dont un tiers environ est convertie en électricité par un système vapeur/turboalternateur. Il faut donc un réacteur qui dégage 4270 MW de chaleur pour générer 1560 MW d’électricité, dont 60 servent à faire fonctionner le réacteur –> 1500 MW d’électricité sont donc apportés au réseau. Et 2710 MW de chaleur doivent être dissipés dans l’environnement.

Pour ça, deux solutions : soit un échange air/eau dans des tours aéroréfrigérantes, avec une fraction de l’eau qui est évaporée et donc un appoint qui est fait en prélevant l’eau d’un cours d’eau. L’avantage, ça ne nécessite pas de gros débit d’eau et ça ne réchauffe quasiment pas l’eau du cours d’eau, mais par contre, ça en évapore une partie. Et une tour, ça prend de la place, et (donc) ça coûte. Deuxième option, un échange eau/eau avec l’eau de l’océan, de la mer, ou d’un cours d’eau. Là, il faut pouvoir prélever un gros débit, mais on en restitue l’intégralité à la source, sans rien évaporer. Par contre on la restitue plus chaude de quelques degrés.

À noter, parfois on écrit MWth pour préciser qu’il s’agit de puissance thermique, et MWe pour la puissance électrique. Dans ce thread, je préciserai explicitement à chaque fois (mais on va surtout parler de puissance thermique de toute façon).

Pour commencer à mettre quelques chiffres sur tout ça : pour évacuer 1000 MW de chaleur, il faut évaporer environ 380 kg d’eau par seconde. Et sans évaporation, il faut chauffer de 1°C un débit d’eau de 240 tonnes d’eau par seconde. Ou 120 tonnes/s, mais de 2 °C. Ou 80 tonnes/s, mais échauffées de 3°C. Etc. On retiendra 2 °C d’échauffement dans la suite.

Maintenant, quels impacts de la canicule sur la production de nos centrales ? Et bien il faut avoir en tête que les centrales ne peuvent ni évaporer une trop grosse partie de l’eau qu’elles prélèvent, ni trop échauffer l’eau en aval par ses rejets de chaleur. En effet, des réglementations environnementales limitent l’impact qu’EDF peut s’autoriser à avoir sur les cours d’eau, sur leur débit et sur leur température. Pour des raisons de protection de la biodiversité aquatique (ou marine, le cas échéant), et parfois par nécessité des utilisateurs de l’eau en aval.

Donc dans les faits, quand le débit du cours d’eau devient trop bas, ou quand la température en amont devient trop haute, les centrales ne peuvent plus rejeter toute cette chaleur. Évidemment, elles ne vont pas « accumuler » cette chaleur : elles vont simplement moins en rejeter, en réduisant la puissance du cœur, et donc la production de chaleur et d’électricité.

Dans le cas limite, elles sont mises à l’arrêt complet. Et tout ceci a un coût pour le producteur, puisque les centrales coûtent toujours, mais ne produisent plus donc ne rapportent plus d’argent. Ça, c’est le problème d’EDF. Et depuis des années, l’impact des coups de chaleur sur la production est assez marginal, et même s’il devait augmenter sensiblement avec le réchauffement climatique, pas de signal d’alarme de ce côté à ma connaissance.

Maintenant, oublions le sujet de la rentabilité des centrales et parlons sûreté. Est-ce qu’on ne va pas droit vers un accident nucléaire, si on n’a plus assez d’eau pour refroidir le réacteur ? C’est là qu’il faut avoir le réflexe de garder son sang-froid et de raisonner posément. On parle d’une insuffisance pour dissiper les 2710 MW de chaleur de notre réacteur en production à pleine puissance.

On l’a dit, la première chose à faire, c’est de baisser la puissance, puis si besoin, d’arrêter le réacteur. À ce stade-là, la question de la sûreté ne se pose pas. Elle ne se pose qu’une fois le réacteur arrêté. Autrement dit, si problème de sûreté il y a, évidemment, on va commencer par mettre le réacteur à l’arrêt ! Et on n’aura plus à évacuer que ce qu’on appelle la « puissance résiduelle ». Ce sont quelques MW de chaleur qui proviennent non pas de la réaction en chaîne, que l’on a arrêtée, mais de la désintégration spontanée des matières radioactives.

Et cette puissance va décroître rapidement avec la disparition des radionucléides à vie très courte, les plus radioactifs, puis décroître plus lentement à cause de ceux à vie longue, moins radioactifs, mais dans la durée.

Si on repart de notre réacteur, initialement, on avait 4270 MW de chaleur produite dans le cœur, dont 2710 à évacuer. Soit environ 1 tonne d’eau à évaporer par seconde, ou 325 t à réchauffer de 2 °C à chaque seconde.

On le met à l’arrêt. Soit progressivement si on le peut (ça prend quelques heures au bas mot), soit brutalement par un arrêt d’urgence. On va retenir ce second cas, plus cohérent si on raisonne en situation de risque sûreté.

Au déclenchement de l’arrêt, en l’espace d’une poignée de secondes, la réaction en chaîne est coupée. Ne reste que la radioactivité du combustible. Au fur et à mesure que les radionucléides dont les demi-vie sont inférieures à la seconde disparaissent, la puissance chute drastiquement à 10%, puis 5% de la puissance du réacteur. Après une minute, on n’est déjà plus qu’à 100 MW de puissance thermique. Évidemment, il n’y a plus de production d’électricité à ce moment-là, donc il ne faut pas évacuer les deux tiers mais la totalité de cette chaleur. Par échauffement d’eau de 2°C, en l’espace d’une minute, on est donc passés d’un débit de 325 t/s à… 12 t/s nécessaires.

Un quart d’heure après l’arrêt, il reste 60 MW à évacuer -> 6,6 t/s. Au bout d’une heure, 40 MW, 4,8 t/s. Après 24h, 18 MW, 2,2 t/s.

Je pense qu’une élévation de température ou une chute du débit qui nécessite d’en arriver à l’arrêt d’urgence de la centrale, on peut assez raisonnablement imaginer qu’elle serait anticipée au moins un jour à l’avance. Donc je propose de comparer les 325 t/s à pleine puissance aux 2,2 t/s nécessaires au refroidissement du cœur à l’arrêt, donc au maintien de la sûreté.

Autrement dit, quand, pour des raisons de températures ou de débit, le réacteur ne peut plus prélever ses 325 t/s nécessaires à son fonctionnement, et que donc on envisage sa mise à l’arrêt… On est plus de cent fois supérieur au débit nécessaire pour les fonctions de sûreté.

De manière plus vulgarisée : quand les médias et antinucs s’alarment parce qu’on met des réacteurs à l’arrêt en jouant sur les risques et la peur, en réalité, on a rogné dans moins d‘1% de la marge de sûreté.

Et avant d’en être à avoir un véritable problème de sûreté en raison de la température ou du débit de l’eau en cas de canicule… On va devoir attendre quelques degrés de réchauffement climatique de plus. On aura d’autres problèmes d’ici là. Et le temps de voir venir. Par ailleurs, si vraiment on en arrivait à rogner toutes les marges et avoir un risque de fusion du cœur, je ne doute pas qu’on trouvera acceptable d’évaporer davantage d’eau, quitte à, tant pis, aggraver l’impact de la chaleur sur l’écosystème. (Parce que oui, j’ai la conviction intime que moins d’eau est moins pénalisant pour la biodiversité aquatique que ne l’est un accident nucléaire grave, étonnant, non ? 😉 Mais on est si peu susceptibles d’en arriver là, de toute façon…).

Histoire de donner quelques derniers chiffres sur le « cas limite », une semaine après l’arrêt du cœur, il resterait 10 MW de chaleur à évacuer. En l’évaporant, un débit de 4 kg/s d’eau suffirait…

S’il y a des enjeux de sûreté, ils concernent plutôt la suffisance des capacités des systèmes de refroidissement et la tenue des équipements à la chaleur, pas le débit ou la température de la source froide. Et ça, ça s’étudie à la conception et aux réexamens de sûreté, ça fait partie de la vie normale d’un site nucléaire que de vérifier si les équipements sont adaptés à l’évolution des conditions extérieures. C’est un sujet ASN/Exploitants classique.

Pour conclure, oui, le nucléaire est compatible avec un monde qui se réchauffe… Aussi bien le nucléaire français que les réacteurs qui se construisent ou sont planifiés au Moyen-Orient et en Afrique du Nord, par exemple. S’il y a besoin, ça n’a rien de honteux, on réduit la puissance ou on arrête quelques réacteurs quelques jours à quelques semaines par an, c’est tout. Et c’est dans l’optique de protéger l’environnement en cas de fortes chaleur, pas parce que le réacteur est incapable de se refroidir, encore moins annonciateur d’un risque d’accident nucléaire.

C’est clair ?