15.05.2020

Séismes en France : les centrales nucléaires dimensionnées

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Par la rédaction SFEN avec la contribution d’Emmanuel Viallet, expert N5 domaine risque sismique à EDF - direction Ingénierie et projets, président sortant de l’AFPS et président-Elect de l’IASMiRT - © Agence Rea/Xavier Popy - Photo : Vue nocturne de la centrale nucléaire de Cruas en Ardèche.

11 novembre 2019 : après qu’un séisme significatif a eu lieu dans la vallée du Rhône où se situent notamment les centrales nucléaires du Bugey, Saint-Alban, Cruas-Meysse et Tricastin, des chiffres différents de mesures publiés dans la presse ont suscité des questions et généré des interprétations multiples. L’occasion est donnée ici d’expliquer les différentes échelles prises en compte pour caractériser un séisme et donc dimensionner les centrales nucléaires.

Le séisme du Teil du 11 novembre 2019, un des plus forts séismes enregistrés sur une centrale nucléaire française

Le séisme du Teil du 11 novembre 2019 s’est produit à environ 10 kilomètres à l’ouest de Montélimar, à une dizaine de kilomètres de la centrale nucléaire de Cruas-Meysse (Ardèche) et à une trentaine de kilomètres du site du Tricastin (Drôme). Le séisme s’est caractérisé par une secousse de plusieurs secondes à proximité de l’épicentre et il a été ressenti jusqu’à Saint-Étienne, Grenoble, Lyon, Montpellier et Marseille1. Ce séisme, bien que modéré, est le plus important ressenti sur une centrale nucléaire française depuis le séisme de Sierentz, le 15 juillet 1980, enregistré avec une magnitude de 4,7 et qui avait eu lieu à 25 kilomètres de la centrale nucléaire de Fessenheim. Or, dans les jours qui ont suivi le 11 novembre 2019, différents chiffres ont circulé, portant parfois à confusion car si tous évoquaient la question centrale de la magnitude, soit l’énergie libérée par le séisme, des échelles de mesure différentes étaient utilisées, faussant les interprétations susceptibles d’être tirées de l’événement.

Comprendre les différentes grandeurs et échelles

Dans le domaine du génie parasismique, trois grandeurs sont principalement utilisées : la magnitude, l’intensité et l’accélération. La magnitude est une mesure associée à l’énergie sismique libérée lors de la rupture de la faille à l’origine du séisme. La magnitude d’un séisme est calculée à partir de l’amplitude du mouvement du sol enregistrée par des instruments sismologiques. La magnitude désigne une quantité logarithmique : une augmentation d’un degré sur l’échelle de magnitude correspond à une énergie libérée trente fois supérieure. Plusieurs échelles de magnitude sont utilisées par les sismologues 2 : la magnitude locale ML, la magnitude de moment MW et la magnitude des ondes de surface MS – cette dernière étant l’échelle utilisée dans le secteur du nucléaire.

Concernant le séisme du 11 novembre 2019, sa valeur de magnitude MS est évaluée entre 4,3 et 4,5 alors que la magnitude ML se situe entre 5,2 et 5,4 et la magnitude MW entre 4,8 et 4,9. « Ces valeurs caractérisent bien l’énergie libérée par ce séisme mais elles sont calculées différemment. Pour comparer deux séismes entre eux, il faut évidemment comparer leurs magnitudes calculées à partir de la même échelle, sinon la comparaison n’a aucun sens », explique Emmanuel Viallet, expert risque sismique chez EDF et ancien président de l’Association française du génie parasismique (AFPS) [3].

Une autre grandeur est également utilisée. C’est l’intensité du séisme ou l’intensité macrosismique, qui mesure les effets du séisme à la surface. L’intensité macrosismique est généralement la plus forte à l’épicentre du séisme (c’est-à-dire la zone de la surface située à la verticale du foyer) et décroît à mesure que l’on s’éloigne de l’épicentre. « Une intensité faible correspond à une petite secousse et plus on monte dans les degrés d’intensité, plus les dommages et dégâts sont visibles. L’intensité macrosismique est la grandeur essentielle pour caractériser la sismicité historique (c’est-à-dire la sismicité observée durant les derniers siècles de notre histoire) ».

Quant à l’accélération, elle permet de mesurer l’amplitude des ondes sismiques au sol. En effet, l’onde sismique se propage dans le sol et à la surface, créant une vibration qui peut être mesurée par un instrument. L’accélération peut être corrélée à la force sismique qui va s’exercer sur un bâtiment et permet ainsi de concevoir les installations dont les bâtiments et les équipements pourront résister à telle secousse sismique. On le comprend, l’accélération est donc très utile pour dimensionner des bâtiments d’une installation nucléaire. Emmanuel Viallet résume : « Lors d’un séisme, la magnitude permet de caractériser l’énergie libérée à la source. Ensuite des ondes se propagent et atteignent la surface. Leur amplitude peut alors être mesurée et exprimée en accélération. Enfin, selon la taille, la masse, et le type de bâtiment, l’intensité macrosismique permet de caractériser les conséquences de l’accélération en termes de dommages aux constructions ».

Les échelles Richter, MSK et EMS-98

La première échelle de magnitude sismique de référence utilisée est celle de Richter, proposée en 1935, et qui correspond aujourd’hui à la magnitude locale (ML). Cette magnitude présente un domaine de validité propre qui couvre des séismes de magnitude modérée enregistrés par des instruments situés à une distance faible ou modérée du foyer. L’échelle Medvedev-Sponheuer-Karnik (MSK) est une échelle qui mesure l’intensité macrosismique d’un tremblement de terre. Elle a été très utilisée en Europe et en Inde à partir de 1964, souvent sous la désignation MSK64. Sa définition a été revue en 1981 (MSK81), puis elle a fini par être intégrée en 1998 dans la définition de l’échelle macrosismique européenne (EMS98) [4].

Le risque sismique pris en compte pour toutes les centrales nucléaires et objet de révisions

« Tous les réacteurs à eau sous pression actuellement en fonctionnement en France ont été conçus à partir des années 1970 et le risque sismique a été pris en compte dès leur conception. Tous les ouvrages, bâtiments et équipements contribuant à la sûreté de l’installation ont été dimensionnés pour résister aux séismes », rappelle Emmanuel Viallet. Pour autant, l’évolution des connaissances, des techniques et des pratiques des autres pays ainsi que les retours d’expérience font évoluer les règles de conception. « Ces avancées, explique Emmanuel Viallet, sont prises en compte au fur et à mesure des réexamens périodiques de sûreté que subissent les réacteurs tous les dix ans. Les hypothèses retenues au moment de la conception sont mises en regard de l’évolution de l’état de l’art, des récents retours d’expérience, dont bien sûr celui de Fukushima et des dernières règles [5].

Calcul de l’aléa sismique déterministe et probabiliste

C’est la Règle fondamentale de sûreté RFS 2001-01 qui décrit la méthode permettant d’évaluer l’aléa sismique à prendre en compte pour chaque centrale. Cette méthode est déterministe et repose sur l’étude de la sismicité historique et sur une analyse sismotectonique autour de chaque site. Elle permet de définir un Séisme maximum historiquement vraisemblable (SMHV) auquel est appliqué une majoration pour tenir compte des incertitudes. On détermine ainsi le Séisme majoré de sécurité (SMS) dont découlent les paramètres de conception ou de renforcement de la centrale. Suite à la catastrophe de Fukushima, des évaluations complémentaires de l’aléa ont été réalisées. Ainsi, un Séisme noyau dur (SND) a été déterminé.

D’une part, un coefficient est appliqué au séisme majoré de sécurité pour s’assurer de couvrir les pires scénarios 7 et d’autre part, l’ASN a demandé qu’un calcul probabiliste soit réalisé pour faire face à un séisme ayant une période de retour de 20 000 ans, au lieu de 1 000 ans actuellement. Rappelons que le séisme de Tohoku 8 et le tsunami qui s’en est suivi ont dépassé les prévisions en termes d’aléas (aléa sismique et aléa tsunami) : les installations japonaises n’avaient pas été dimensionnées pour un évènement de cette ampleur. L’un des enseignements de cet accident a donc été la ré-interrogation de l’ensemble des hypothèses associées à l’évaluation de l’aléa sismique pour les installations nucléaires.

Des marges de sécurité

Cependant l’accidentologie montre que le dimensionnement actuel des centrales nucléaires à travers le monde a toujours mis en évidence une robustesse importante, y compris dans le cas du séisme à Fukushima-Daiichi. La centrale n’a pas été endommagée par la secousse de ce séisme de magnitude 9 mais par le tsunami dont la hauteur de la vague a largement dépassé les prévisions.

« La centrale d’Onagawa située également sur la côte japonaise à un peu plus de 100 kilomètres de l’épicentre du séisme de Tohoku a ressenti une accélération de près de 0,6 g [9] bien supérieure au niveau pour lequel elle a été conçue à l’origine et n’a pourtant subi aucun dommage grâce aux marges de sécurité appliquées lors de sa construction », détaille Emmanuel Viallet.

En 2007, la centrale japonaise de Kashiwazaki-Kariwa a ressenti une accélération de près de 0,7 g consécutive à un séisme de magnitude 6,7 dont l’épicentre était situé à 16 kilomètres du site. Là encore, la robustesse de sa conception a fait ses preuves.

D’autres centrales nucléaires dans le monde (aux États-Unis par exemple) ont également déjà subi des niveaux sismiques supérieurs à leur niveau de dimensionnement, sans que leur intégrité n’ait été affectée. « Ces exemples illustrent que les règles de conception et de construction des centrales nucléaires permettent d’accommoder une variation significative de l’aléa. » Pour autant, l’accident de Fukushima a permis une prise de conscience mondiale de la nécessité de faire face à toutes les hypothèses, même les plus imprévisibles, que ce soit dans la conception des centrales comme dans la mise en place de moyens de gestion de crise. Juste après cet évènement, la Commission européenne a demandé à tous les exploitants de procéder à des « stress tests » ou Examens complémentaires de sûreté (ECS). « L’objectif, complète Emmanuel Viallet, a consisté à vérifier qu’aucune variation de paramètres ne pourrait se traduire par des conséquences très graves. Les hypothèses des modèles ont été testées et des visites se sont déroulées sur chaque site pour vérifier que tous les types d’agressions externes naturelles plausibles étaient correctement pris en compte. »

 
Les trois étapes du dimensionnement d’une centrale nucléaire
1. Recherche dans les documents historiques de témoignages pour définir le Séisme maximum historiquement vraisemblable (SMHV), le plus violent ressenti dans une zone autour d’un site sur environ 1 000 ans. Est paramétrée dans la conception l’hypothèse qu’un séisme identique du site soit son épicentre.
2. Le séisme majoré de sécurite (SMS) peut alors être défini. La magnitude du SMHV est augmentée d’une marge de 0,5.
3. Le séisme de dimensionnement (SD), qui est encore supérieur au SMS, est pratique chez EDF. C’est celui qui a été retenu a la conception de toutes les centrales nucléaires. La marge diffère selon la géographie des sites.