ENQUETE. Il n’y a pas qu’en Chine, dans le premier réacteur nucléaire EPR en service au monde que le combustible fabriqué par la filiale d’EDF, Framatome, pose problème. En France, dans les Ardennes, un incident inédit sur le parc nucléaire vient de survenir dans un réacteur et concerne potentiellement dix réacteurs, à des degrés divers de gravité.
Par Martin Leers
Des protections métalliques qui renferment le combustible du réacteur, qu’on appelle des gaines, se détériorent trop rapidement. Un problème loin d’être anodin : les gaines de combustible jouent un rôle primordial dans la sûreté des réacteurs nucléaires. Cette corrosion « accélérée » est apparue entre 2020 et 2021 dans un des deux réacteurs de la centrale de Chooz. Un défaut qui contraint actuellement EDF à prolonger son arrêt depuis mars 2021 et lui a donc déjà coûté plus d’une centaine de millions d’euros.
Mais l’enjeu pour EDF est bien plus important qu’un arrêt de réacteur. Les gaines en alliage « M5 », qui s’usent prématurément dans le réacteur n°2 de Chooz, équipent tous les réacteurs EPR en France, en Finlande et en Chine mais aussi des dizaines d’autres réacteurs en France et à l’étranger.
Y a-t-il un lien entre cet incident en France et celui des gaines fuyardes du premier réacteur EPR en service au monde à Taishan (Chine) ?
Pourquoi ces gaines de dernière génération s’usent-elles prématurément ?
Une question brûlante pour EDF qui tente de convaincre l’Autorité de sûreté nucléaire (ASN) et l’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN) de réutiliser des gaines à la fiabilité discutable dans des réacteurs.
Comment le problème est-il apparu à la centrale nucléaire de Chooz ?
Lors de l’arrêt du réacteur n°2 de Chooz en février 2021 pour recharger le combustible, des particules ont été découvertes sur les assemblages de combustible et dans l’eau du circuit primaire[1]. « De nombreux corps migrants de couleur blanche de quelques millimètres ont été soit recueillis par les dispositifs anti-débris soit sont restés sur les assemblages », a expliqué EDF dans un courrier interne à l’ASN, daté du 7 juillet 2021. Un phénomène anormal. Ces particules sont de l’oxyde de zirconium qui provient de la surface des gaines de combustible.[2] Leur présence indique que les gaines se dégradent. « La conséquence d’une vitesse de corrosion anormalement élevée », précise EDF dans le courrier à l’ASN.
Ces particules sont très friables et ne peuvent pas provoquer de perte d’étanchéité du combustible nucléaire, a précisé Karine Herviou, directrice générale adjointe de l’IRSN, au Journal de l’énergie.
Particules de zircone sur des assemblages de combustible lors du déchargement du combustible du réacteur n°2 de Chooz en 2021. Photo : EDF
Les gaines de combustible sont des tubes de plus de 4 mètres de long et de moins d’1 centimètre de diamètre, très fins (une épaisseur de 0,6 mm) dans lesquels s’empilent les pastilles d’uranium. Ces gaines, appelées communément des crayons, sont rassemblées dans des assemblages, constitués chacun de 264 gaines. Le coeur du réacteur nucléaire n°2 de Chooz contient 205 assemblages. Dans le réacteur n°2 de Chooz, l’usure anormale se situe uniquement dans la partie haute de certains assemblages.
Assemblage de combustible nucléaire. Photo : Orano
Quelles conséquences pour la sûreté du réacteur nucléaire pourrait avoir l’usure accélérée des crayons de combustible ?
Les gaines jouent un rôle important pour la sûreté du réacteur : elles forment la première barrière entre le combustible nucléaire, renfermant des substances radioactives très dangereuses, et l’environnement. Elles doivent empêcher la radioactivité de se répandre dans l’eau qui circule dans le cœur nucléaire. Or « l’endommagement de la surface de certaines gaines de combustible remet en cause la démonstration de l’intégrité du combustible en service », considère l’ASN. Cela signifie que cet incident remet en question des paramètres qui garantissent, aux yeux de l’ASN, la sûreté du réacteur en fonctionnement normal et lors de scénarios d’accidents.
« Une corrosion accélérée est de nature à fragiliser la gaine et augmenter le risque de perte d’intégrité des crayons concernés lors des transitoires accidentels et donc conduire à une rupture de la première barrière », explique EDF dans le courrier interne à l’ASN du 7 juillet 2021. Mais EDF ne juge pas ce scénario plausible.
Quelles sont les causes de l’usure anormale des crayons de combustible ?
EDF estimait au 7 juillet dernier que « à ce stade des investigations, aucune cause unique n’apparaît à l’origine du phénomène de corrosion accélérée (…) qui trouve plutôt son explication dans une combinaison de plusieurs facteurs défavorables ». Mais l’alliage M5 dont sont faites les gaines « semble être l’élément déclencheur », note EDF.
La teneur en fer des gaines pointée du doigt
C’est la faible teneur en fer de l’alliage des gaines qui serait en partie responsable de leur dégradation. Deux lots de fabrication de gaines à basse teneur en fer ont été identifiés par EDF. Les gaines les plus abîmées proviennent de ces lots, que EDF appelle des « coulées hyper sensibles ». Mais jusqu’à l’incident de février 2021 sur le réacteur n°2 de Chooz, de légères variations en fer de l’alliage des gaines n’étaient pas considérées comme un facteur de dégradation des crayons de combustible. La teneur variable en fer des gaines des combustible semble ne pas avoir été perçue comme problématique en France ni par le fabricant des assemblages de combustible, Framatome, ni par l’exploitant EDF, ni par l’ASN et l’IRSN.
Les gaines qui se dégradent sont « conformes » au cahier des charges
« La teneur en fer de ces lots est dans les normes », explique l’IRSN. « Les produits fournis par Framatome sont conformes » au cahier des charges, « le fer n’était pas considéré comme un paramètre caractéristique pour le comportement des crayons en cœur. », ajoute l’ASN.
Suite à l’incident, EDF a annoncé à l’ASN que la teneur en fer sera augmentée dans les gaines qui seront utilisées dans le réacteur n°2 de Chooz dès le « cycle 20 ». Pas lors du prochain rechargement du réacteur mais lors du suivant.
Un phénomène « multifactoriel »
La teneur en fer des crayons n’est pas le seul coupable. EDF avance d’autres causes pour expliquer la dégradation des gaines de combustible. La température est plus élevée en haut du cœur nucléaire dans les réacteurs les plus puissants, ceux de 1450 MW, que dans les réacteurs moins puissants, ceux de 1300 MW. C’est dans cette zone que des gaines se sont détériorées dans deux réacteurs de 1450 MW en France. Que se passerait-il si des gaines à faible teneur en fer étaient introduites dans des réacteurs EPR, encore plus puissants que les réacteurs de 1450 MW ?
Autre élément défavorable : le positionnement des assemblages de combustible dans la cuve du réacteur. « La vitesse de corrosion est dépendante de la place d’un assemblage dans le cœur du réacteur lors du premier cycle », notamment dans les quatre réacteurs les plus puissants du parc français, explique EDF dans un document interne.[3]
Un incident inédit en France mais pas à l’étranger
Si cette usure n’avait jamais été constatée en France, elle s’était déjà produite sur trois réacteurs nucléaires au Brésil et en Allemagne, dont deux utilisaient le même alliage M5.[4] Comme à la centrale de Chooz, les gaines les plus usées étaient celles à la teneur en fer la plus faible. « Le phénomène de corrosion accélérée observé à la fin du cycle 18 de Chooz B2 est comparable aux autres évènements dans des réacteurs Konvoi à l’international », note EDF dans le courrier interne à l’ASN. Dès lors, pourquoi cet incident n’a-t-il pas été anticipé en France alors que les exploitants et les institutions nucléaires disent entretenir au niveau mondial un dialogue permanent sur la sûreté ?
Les experts de sûreté nucléaire de l’institut allemand GRS ne sont pas arrivés à cerner parfaitement les causes de la corrosion des gaines sur les réacteurs allemands, complète Karine Herviou, de l’IRSN.
Les gaines en alliage M5 équipent tous les réacteurs EPR en France, en Finlande et en Chine mais aussi des dizaines d’autres réacteurs
Conçu pour être plus résistant à la corrosion que les précédents alliages et pour améliorer le rendement du combustible nucléaire, le M5, fabriqué par Framatome, est très employé dans le parc nucléaire mondial.
« Une grande majorité des réacteurs en France utilisent des assemblages avec un gainage M5 », détaille Karine Herviou de l’IRSN. Framatome affirme que ses gaines M5 sont utilisées dans 96 réacteurs nucléaires dans le monde, dans une brochure de 2018.
C’est le même gainage qui est utilisé dans les réacteurs EPR de Flamanville (Manche), d’Olkiluoto en Finlande et de Taishan en Chine. Les gaines en alliage M5 ont eu de nombreux problèmes de fuites dans les années 2000, indique un rapport de 2008 de l’IRSN :
« Entre 2001 et 2008, une trentaine de fuites d’assemblages de combustible à gainage en alliage M5 ont été détectées. A ce jour, EDF a mis en évidence trois types de défauts à l’origine des pertes d’étanchéité des crayons de combustible à gainage en alliage M5. » Des défauts aujourd’hui corrigés.
Le réacteur EPR de Flamanville est-il concerné par ce problème de corrosion ?
L’EPR de Flamanville ne contiendrait pas de gaines à faible teneur en fer, selon Karine Herviou, de l’IRSN. « Ce ne sont pas les mêmes chemins industriels pour la fabrication des combustibles de l’EPR de Flamanville et ceux des autres réacteurs français », avance l’ingénieure en génie atomique.
Quoi qu’il en soit, l’ASN prévoit que les actions qui seront décidées sur le parc nucléaire en exploitation suite à la corrosion des gaines à la centrale de Chooz « seront appliquées à l’EPR avant le chargement du combustible en cuve, si cela s’avérait nécessaire. »
Le réacteur EPR d’Olkiluoto en Finlande pourrait-il concerné ?
Interrogée par le Journal de l’énergie, l’autorité de sûreté nucléaire finlandaise (STUK) affirme qu’il n’y a pas de défaut repéré dans les assemblages de combustible chargés dans le réacteur EPR d’Olkiluoto en Finlande. Mais le réacteur n’a pas encore démarré. Or l’usure anormale des gaines du réacteur de Chooz s’est produite dans un réacteur en marche.
Qu’en est-il du réacteur EPR de Taishan en Chine ?
Le groupe chinois CGN, principal actionnaire du réacteur EPR n°1 de Taishan, a annoncé le 30 juillet 2021 la mise à l’arrêt de ce réacteur pour « trouver la cause des dommages affectant le combustible ». Une décision qui suit de près la publication d’un communiqué d’EDF le 22 juillet 2021 qui affirmait que les crayons de combustible fuyards de l’EPR de Taishan conduiraient à l’arrêt du réacteur s’il était en France. Si l’incident de l’EPR de Taishan découle d’une dégradation des gaines de combustible, il est cependant impossible d’identifier précisément les causes de l’incident sans décharger le combustible.
« Seul un déchargement du cœur [de l’EPR chinois, NDLR] et une expertise du combustible pourra permettre d’identifier les causes d’inétanchéité des crayons. Dans l’état actuel des connaissances, nous ne pouvons donc pas établir de lien entre la corrosion des gaines observée à Chooz B2 et les problèmes rencontrés à Taishan 1 », a précisé l’ASN au Journal de l’énergie.
10 réacteurs nucléaires en France concernés par le défaut de gaines découvert à la centrale de Chooz
Pour l’instant, dix réacteurs nucléaires en France sont concernés de près ou de loin par le défaut de gaines découvert sur le réacteur n°2 de Chooz.
« A ce jour, sept réacteurs de 1 300 MWe et trois réacteurs de 1 450 MWe comportent au moins un crayon à faible teneur en fer, en cœur ou en réserve de gestion », a déclaré l’ASN au Journal de l’énergie.
Mais l’inventaire des crayons potentiellement défectueux est toujours en cours, « même s’il ne devrait pas évoluer », a ajouté l’ASN. Au-delà des deux lots de fabrication de gaines à faible teneur en fer, EDF a identifié d’autres lots préoccupants et en a informé l’ASN dans un courrier interne. Combien ? Mystère.
« Un inventaire de la teneur en fer de chacun des crayons de chacun des assemblages présents en réacteur ou en réserve est en cours de constitution », précise l’ASN.
Les plus puissants réacteurs du parc nucléaire français plus « sensibles » à la corrosion
Dans le réacteur n°2 de Civaux (Vienne), un seul crayon de combustible (sur plus de 50.000) présente une corrosion accélérée. Certains crayons de combustible du réacteur n°3 de Cattenom (Moselle) proviennent d’un lot de fabrication de gaines à faible teneur en fer mais aucune dégradation de gaine similaire à celles de Chooz n’y a été constatée. Est-ce parce que la température est plus élevée en haut d’assemblage dans le réacteur 2 de Chooz (1450 MW) que dans le réacteur de Cattenom (1300 MW) ? EDF considère que les réacteurs N4, les plus puissants du parc nucléaire français, sont plus « sensibles » à la corrosion des gaines de combustible. Le fait que le même incident touche plusieurs réacteurs similaires a conduit EDF à déclarer en juillet à l’ASN un incident à caractère générique.
Pour compliquer un peu plus la situation, des rejets radioactifs dans le circuit primaire des réacteurs n°2 de Chooz et n°3 de Cattenom se sont produits lors de leurs derniers cycles et alors qu’ils étaient chargés avec des gaines corrodées. Ces rejets, sans commune mesure avec ceux du réacteur EPR n°1 de Taishan en 2021, provenaient de gaines fuyardes.[5]
A Chooz, EDF juge que les rejets radioactifs n’ont pas pour cause les gaines dégradées.
Dans le réacteur n°2 de Chooz, « l’origine de fuites de gaz radioactifs dans le circuit primaire n’est pas connue à ce jour mais elle provient du bas du combustible alors que les desquamations [écaillage de la gaine, NDLR] sont observées en haut du combustible. », a expliqué l’ASN au Journal de l’énergie.
EDF veut réutiliser des gaines à la fiabilité discutable dans ses réacteurs en France
Pour EDF, la corrosion accélérée des gaines de combustible n’entraîne pas de risque de rupture des gaines et ne présente pas d’enjeu de sûreté à cause de la nature robuste de l’alliage M5.
« Ce point est en cours d’instruction, il est considéré comme crédible », juge l’ASN. Il n’y a pas eu de rupture de gaines liée à la dégradation des gaines dans les réacteurs de Chooz et de Cattenom, fait valoir EDF. Or quand EDF a voulu examiner les crayons fuyards du réacteur n°2 de Chooz pour déterminer si leur inétanchéité était liée au problème de corrosion, deux se sont cassés. Un événement rare sur le parc nucléaire français. « Le point de rupture se situe, pour les deux crayons concernés, à mi-hauteur, ce qui semble confirmer l’absence de lien avec le phénomène de corrosion en partie haute des assemblages. », avance prudemment EDF dans un courriel.
Mais suite aux détériorations des gaines à la centrale de Chooz, « la démonstration de sûreté doit toutefois être adaptée » explique EDF à l’ASN dans un courrier interne.
EDF souhaite recharger « certains assemblages présentant de faibles épaisseurs de corrosion » à la centrale de Chooz, confirme l’ASN
« EDF va recharger des assemblages composés de crayons dont les gaines sont issues de lots de fabrication à faible teneur en fer, indique Karine Herviou de l’IRSN, « mais uniquement ceux qui ne présentent ni desquamation, ni de risque de desquamation pendant le prochain cycle. »
Dans un document de présentation de l’incident, l’ASN explique que EDF souhaite réutiliser « certains assemblages présentant de faibles épaisseurs de corrosion » dans les deux réacteurs de la centrale de Chooz. EDF a déclaré à l’ASN qu’il souhaiterait respecter une « limite de desquamation de 71 micromètres » des gaines à insérer dans le réacteur n°2 de Chooz. EDF compte bien recharger des réacteurs avec des gaines de combustible à la fiabilité discutable.
La priorité d’EDF est-elle d’économiser du combustible quitte à faire des acrobaties avec la sûreté nucléaire ?
EDF est donc contraint d’adapter le fonctionnement des deux réacteurs aux gaines défectueuses avec des mesures « compensatoires ». EDF propose que le réacteur n°2 de Chooz ne fonctionne qu’à 92 % de sa puissance lors de son prochain cycle. Pour le réacteur n°1 de Chooz, l’exploitant propose de diminuer le suivi de charge.[6] « En fonction des éléments, EDF pourrait être amené, sur les réacteurs 1 de Chooz, 1 et 2 de Civaux et 3 de Cattenom à prendre des mesures compensatoires (soit limiter la manœuvrabilité, soit opérer une baisse de puissance) », annonce l’exploitant dans le courrier interne du 7 juillet 2021 destiné à l’ASN.
Des mesures qui auraient un impact financier. Le but, explique l’ASN, est de « ne pas permettre un mode de fonctionnement du réacteur où cette accélération de la corrosion est possible ».
L’IRSN doit rendre dans quelques semaines son avis sur les propositions d’EDF puis l’ASN tranchera.
Pourquoi EDF ne renonce-t-il pas à utiliser des gaines potentiellement défectueuses dans les réacteurs ? S’agit-il d’économiser du combustible quitte à faire des acrobaties avec la sûreté nucléaire ?
Ni EDF, ni Framatome n’ont répondu aux questions du Journal de l’énergie.
[1]Le circuit comprenant la cuve qui contient le combustible nucléaire.
[2]Les gaines sont composées d’un alliage de zirconium et d’autres métaux, appelé M5 et fabriqué par Framatome, filiale d’EDF.
[3]Il s’agit des réacteurs nucléaires des centrales de Civaux et de Chooz, dits du « Palier N4 ».
[4]Des réacteurs nucléaires à eau sous pression, de modèle allemand « Konvoi ».
[5]Les rejets radioactifs dans les circuits primaires des réacteurs de Chooz et Cattenom n’ont pas excédé les 10 Gigabecquerels par tonne (GBq/t) alors qu’ils dépassaient 150 GBq/t dans le réacteur 1 de Taishan, seuil imposant l’arrêt du réacteur en France.
[6] Le suivi de charge consiste à adapter la puissance du réacteur aux besoins du réseau électrique.
Article mis à jour le 9 août 2021 à 10h55 : corrections.
