Fukushima : comment un séisme sous-marin a transformé l’océan en force destructrice

Vendredi 11 mars 2011, à 5h46 TU (14h46 heure locale), un séisme de magnitude 9,0 se produit à 80 km à l’Est de l’île d’Honshu au Japon. En quelques minutes, ce phénomène naturel transforme l’océan Pacifique en une puissance dévastatrice. Les vagues qui atteignent alors la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi ne sont pas de simples vagues : elles sont le résultat d’un immense transfert d’énergie entre la terre et la mer.

Comment un séisme géant s’est-il déclenché sous l’océan ?

L'archipel du Japon est situé sur la ceinture de feu du Pacifique, à la jonction de trois plaques tectoniques © La Chaîne Météo / IRSN

Tout a commencé au large de la côte nord-est du Japon. Ce jour-là, la plaque tectonique pacifique glisse brutalement sous la plaque d’Okhotsk le long de la fosse du Japon. Cette rupture se caractérise par une extension spatiale et une libération d'énergie sans précédent dans l'histoire moderne du Japon. Le séisme atteint une magnitude de 9, l’un des plus puissants jamais enregistrés. La faille s’ouvre sur plus de 500 km de long (expliquant la durée exceptionnellement longue de la secousse enregistrée à Tokyo : plus de 2 mn) et 150 km de large, avec un déplacement du sol atteignant 50 à 60 mètres par endroits. Une première cassure s’est déclenchée en profondeur, puis une seconde s’est produite plus près de la surface, à moins de 25 km sous le plancher océanique. C’est cette dernière qui a provoqué le déplacement le plus important.

En se déplaçant brutalement, le fond de l’océan s’est soulevé et affaissé sur de vastes zones. Ce mouvement vertical a agi comme un véritable piston, ce qui a brusquement déséquilibré toute la colonne d’eau au-dessus. L'énergie potentielle ainsi générée s'est propagée sous forme d'ondes dont la vitesse en eau profonde a atteint plus de 700 km/h.

Pourquoi les vagues du tsunami deviennent-elles plus dangereuses près des côtes ?

Shoaling : l'augmentation de l'amplitude des vagues se produit lorsqu'elles passent d'eaux profondes à des eaux peu profondes © La Chaîne Météo

La dangerosité d’un tsunami ne tient pas à sa hauteur en pleine mer.

Au large, ces vagues sont souvent inférieures à un mètre et peuvent passer presque inaperçues pour les navires. Mais leur comportement change radicalement lorsqu’elles s’approchent des côtes. En entrant dans les eaux moins profondes du plateau continental, le tsunami subit un phénomène appelé « shoaling ».

L’onde, qui mobilise toute la profondeur de l’océan, ralentit progressivement à mesure que le fond marin remonte. Cette diminution de vitesse entraîne un raccourcissement de la longueur d’onde et une concentration de l’énergie transportée par la vague. La masse d’eau se comprime alors et n’a d’autre possibilité que de s’élever verticalement, ce qui provoque une augmentation rapide de la hauteur des vagues à l’approche du littoral.

Comment la structure des fonds marins a-t-elle amplifié le tsunami ?

Au-delà de la remontée progressive des fonds marins, la forme du littoral a aussi amplifié le phénomène. Les baies profondes et les vallées sous-marines ont agi comme de véritables entonnoirs naturels, canalisant et concentrant l’énergie du tsunami vers certains points du littoral.

Ce phénomène, survenu environ 50 minutes après la secousse initiale, a permis à la vague de franchir avec une force décuplée les digues de protection de la centrale, qui n'étaient pas dimensionnées pour un tel relief sous-marin.

La centrale nucléaire de Fukushima Daiichi est construite à environ 10 mètres au-dessus du niveau de la mer pour ses premières unités. Un mur de protection d’environ 5 à 6 mètres de hauteur, dimensionné pour les tsunamis historiques, protégeait le site. Mais le tsunami du 11 mars 2011 a atteint près de 14 à 15 mètres, submergeant largement ces défenses. La mer a inondé les bâtiments turbines et les sous-sols où se trouvaient les générateurs diesel de secours, des équipements essentiels qui permettent de continuer d'alimenter les systèmes de refroidissement lorsque l’électricité extérieure est coupée. En quelques minutes, la centrale a perdu toute alimentation électrique.

Comment la mer a-t-elle neutralisé les systèmes de sécurité de la centrale ?

Le sol s'est abaissé de 0,5m ce qui a accentué d'autant plus certaines submersions côtières © La Chaîne Météo / IRSN / GoogleEarth/GeoEye

La défaillance de la centrale s’est produite en cascade, après l’inondation provoquée par le tsunami.

D’abord, les générateurs de secours, installés dans les sous-sols, ont été noyés par l’eau de mer. Sur les 13 générateurs diesel de secours du site, 12 ont été noyés par le tsunami, entraînant la perte quasi totale de l’alimentation électrique d’urgence de la centrale. L’eau a également envahi les bâtiments et endommagé les tableaux électriques, provoquant de nombreux courts-circuits. Même si une source d’électricité extérieure avait été disponible, il aurait été impossible de la distribuer dans la centrale. Les batteries de secours ont ensuite été rapidement épuisées ou endommagées par l’inondation.

Les opérateurs se sont alors retrouvés sans instruments fiables pour suivre la situation des réacteurs : niveau d’eau dans les cœurs, pression ou température. Sans électricité, les systèmes de refroidissement d’urgence se sont arrêtés. Les dispositifs qui devaient injecter de l’eau dans les réacteurs pour évacuer la chaleur n’ont plus fonctionné.

Ironie tragique : l’eau de mer, qui servait normalement à refroidir la centrale, est devenue la cause de l’arrêt complet du système de refroidissement.

Comment la réaction en chaîne de l’accident nucléaire s’est-elle produite ?

Privés de refroidissement, les réacteurs 1, 2 et 3 ont rapidement commencé à chauffer sous l’effet de la chaleur de désintégration (la chaleur qui continue d’être produite par le combustible nucléaire même après l’arrêt du réacteur). À mesure que l’eau s’évaporait, le niveau a fini par descendre sous les assemblages de combustible. Les gaines métalliques qui entourent les barres de combustible, faites de zirconium, se sont alors retrouvées exposées à de la vapeur d’eau très chaude. À partir d’environ 1200°C, le zirconium réagit chimiquement avec la vapeur. Cette réaction dégage encore plus de chaleur et produit de grandes quantités d’hydrogène. Lorsque la température augmente davantage, la réaction s’accélère fortement et devient difficile à stopper.

Dans l’unité 1, on estime qu’environ 450 kg d’hydrogène ont été produits. Ce gaz s’est accumulé dans la partie supérieure des bâtiments réacteurs. Sans électricité pour faire fonctionner les systèmes de ventilation, l’hydrogène s’est accumulé jusqu’à provoquer plusieurs explosions violentes dans les bâtiments de la centrale. Ces explosions ont endommagé les structures de confinement et permis la libération de substances radioactives dans l’air et vers l’océan.

Comment l’océan est-il devenu un vecteur de pollution radioactive ?

Une fois l'accident nucléaire terminé, la mer a changé de rôle pour devenir le principal réceptacle des polluants radioactifs. La contamination s’est produite de plusieurs façons.

D’abord, une grande partie des retombées radioactives (80%) rejetées dans l’atmosphère, notamment, est tombée directement dans l’océan. Ensuite, l’eau de mer utilisée en urgence pour refroidir les réacteurs endommagés s’est contaminée au contact du combustible fondu, avant de s’infiltrer dans les sous-sols puis de rejoindre le port de la centrale. Enfin, une partie d’eau faiblement contaminée a été délibérément rejetée en mer afin de libérer de l’espace de stockage pour les eaux les plus radioactives.

La catastrophe de Fukushima a profondément remis en question la manière dont les centrales nucléaires étaient conçues pour faire face aux accidents. Elle a montré qu’un événement naturel extrême, combinant séisme et tsunami, pouvait provoquer plusieurs défaillances simultanées sur un même site. Ce drame rappelle aussi le rôle paradoxal de la mer. Indispensable au fonctionnement des centrales, dont elle assure le refroidissement, elle peut devenir en quelques minutes une force destructrice lorsqu’elle est mise en mouvement par un séisme majeur.

Même lorsque les infrastructures sont conçues avec de nombreuses protections, la nature peut dépasser les scénarios envisagés. Une réalité qui rappelle la nécessité de rester humble face aux phénomènes naturels et de concevoir les systèmes industriels en intégrant non seulement les risques les plus probables, mais aussi les événements les plus extrêmes. Ce séisme est considéré comme le quatrième plus puissant jamais mesuré depuis le début des observations sismologiques modernes.