Le 11 novembre 2019, un séisme de magnitude 5.4 secoue l’Ardèche. Il provoque quelques blessés et on dénombre plus de 250 bâtiments fissurés des suites de l’événement. Mais ce qui agite le public et les médias est tout autre : deux centrales nucléaires exploitées par EDF sont en effet dans la zone touchée.

Très rapidement, on peut lire en ligne et entendre à la radio et la télévision que le séisme est au delà des spécifications anti-sismiques des deux centrales, et qu’une potentielle catastrophe a donc été évitée de peu ; en effet, la magnitude 5.4 serait supérieure au Séisme Majoré de Sécurité des centrales, d’une magnitude de 5.2.

La France est-elle passée à un cheveu d’un accident nucléaire sur son sol ? Les installations nucléaires civiles sont-elles mal dimensionnées en cas de séisme ?

NON. L’IRSN a d’ailleurs rapidement communiqué sur le sujet, en indiquant que le séisme tombait bien dans le cadre des événements sismiques pour lesquels les centrales sont prévues. Explications.

L’auteur déclare être un professionnel du calcul de structures et en particulier celles sollicitées en séisme ; il déclare réaliser des prestations rémunérées  de calcul pour les acteurs principaux de l’industrie nucléaire civile ainsi que leurs sous-traitants. Il déclare enfin n’être aucunement rémunéré pour la réalisation de cet article ou une quelconque communication au public, et n’en tire aucun bénéfice en terme de carrière.
Le texte qui suit est écrit avec la collaboration de @buchebuche561, ingénieur en génie atomique et conduite d’installations nucléaires en situation accidentelle.

I/ Qu’est-ce qu’un séisme ?

Commençons par les fondamentaux : un séisme, en ce qui nous concernera au fil de cet article, est une oscillation forcée limitée dans le temps dont on nomme le point d’origine “foyer” (parfois abusivement appelé épicentre, terme désignant en fait sa projection à la surface) et qui se propage dans le sol jusqu’à la surface et les structures qui s’y trouvent. Elle est causée le plus souvent  par l’activité tectonique et volcanique.

Illustration issue de La robustesse des installations nucléaires au regard de l’aléa sismique – Volet aléa sismique – IRSN

L’importance d’un séisme est décrite en première approche par deux grandeurs :

• la magnitude, d’abord lue sur la célèbre échelle de Richter (on parle alors de magnitude locale ou magnitude instrumentale) puis plus récemment déterminée par le moment sismique (d’où le terme « magnitude de moment »). La magnitude est une expression de l’énergie totale libérée par le séisme, c’est une valeur unique pour chaque séisme mais qui est insuffisante pour décrire complètement la physique de ce dernier. Elle décrit principalement ce qu’il se passe au niveau de la faille à l’origine du séisme.

Illustration issue de La robustesse des installations nucléaires au regard de l’aléa sismique – Volet aléa sismique – IRSN

• l’intensité d’échelle MSK, EMS-98 en Europe ou Shindo au Japon. L’intensité est une estimation des effets du séisme en un lieu ; il ne s’agit pas d’un paramètre physique. 

Echelle d’intensité MSK

Un premier élément à noter est donc que la notion de magnitude ne permet pas de savoir ce qu’il se passe en tout lieu touché par le séisme : la distance épicentrique (entre le lieu d’intérêt et l’épicentre) rend les choses un peu plus complexes, et nous allons voir que le signal sismique peut beaucoup changer lorsqu’il franchit cette distance.

Afin de mieux saisir les mécanismes sismiques, il faut s’intéresser plus en détail à la physique d’un séisme. Pour cela, on va se pencher sur une manifestation tangible bien connue qu’est le sismogramme.

Sismogramme avec en noir le signal Ouest-Est, en bleu Sud-Nord et en rouge les oscillations verticales

Ce graphique peu engageant représente les déplacements (ou parfois les accélérations) du sol au cours d’un séisme. L’oeil averti lira sur une telle courbe qu’un séisme n’a pas une fréquence unique de vibration, il n’est pas composé d’une seule “note” si on fait l’analogie avec la musique. 

Pour mieux comprendre, on peut considérer une masse au bout d’une poutre. Si on agite le sol sur lequel elle est ancrée, elle va se mettre à osciller dans un mouvement qui dépend de la rigidité de la poutre, de la masse considérée, de la secousse du sol et éventuellement de l’amortissement qui peut affecter son mouvement, si elle se trouve dans un bain d’huile par exemple.

Le mouvement obtenu est une combinaison de plusieurs mouvements simples qui se répètent de manière cyclique, en un temps qu’on appelle période. Si on compte le nombre de fois qu’un déplacement simple complet est réalisé au cours d’une seconde, on mesure la fréquence de ce déplacement. Période (T, en secondes) et fréquence (f, en Hertz ou oscillations par seconde) sont reliés par la relation : f = 1/T.

Illustration issue du Guide méthodologique pour la conception, l’installation et le diagnostic des équipements en zone sismique de l’AFPS

On peut représenter le comportement de notre système sur un graphique qui donne le déplacement (ou la vitesse, ou plus communément l’accélération) de la masse en fonction des périodes ou des fréquences d’excitation qu’on applique au système. La courbe obtenue s’appelle un spectre de réponse, et donne pour chaque période ou fréquence d’excitation l’accélération maximale vue par le système en “réponse” à la sollicitation du sol.

Illustration issue de Risque sismique et conception des installations nucléaires, présenté par Emmanuel Viallet pour la SFEN

On lit immédiatement sur ce spectre que toutes les fréquences ne sont pas sollicitées au même niveau, certaines provoquent des pics d’accélération plus importants que d’autres. Il est à noter que la légende illustre très bien le besoin de coupler la magnitude à la distance focale : le spectre de sol au lieu d’intérêt en dépend directement.

II/ En cas de séisme, il se passe quoi ?

Les milieux continus, comme les sols, sont également plus ou moins sensibles aux différentes fréquences de vibration (et ils tendent à amplifier les basses fréquences bien souvent). Et le passage d’un type de sol à un autre – quand l’onde sismique traverse une zone rocheuse par exemple – peut affecter la propagation du séisme, en réfléchissant une partie de l’onde incidente ou en déviant la propagation du séisme.

Illustrations issues de Risque sismique et conception des installations nucléaires, présenté par Emmanuel Viallet pour la SFEN

Mais ce n’est pas tout : les structures, qu’elles soient naturelles ou artificielles, sont plus ou moins sensibles à certaines fréquences. Il y a donc davantage qu’une unique magnitude, même adjointe d’une distance épicentrique, à prendre en compte pour comprendre les effets mécaniques d’un séisme.

On dira par exemple que les bâtiments sont de manière générale sensibles aux basses fréquences, comprises entre 5 et 30 Hz, selon les matériaux et techniques de construction employés. On parle de rigidité : plus une structure est rigide, plus elle réagit à de hautes fréquences, et les constructions de génie civil sont souvent peu rigides en terme de comportement sismique.

Illustration issue du cours de Dynamique des structures de l’Université de Liège

L’illustration ci-dessus présente le principe à retenir suivant : 

• une structure très rigide n’amplifie pas le signal sismique mais elle est excitée directement aux accélérations du sol, qui peuvent être fortes. On parle d’accélération “à la coupure” ou “de calage” car au delà d’une certaine fréquence (donc en dessous d’une très faible période) on sait qu’il n’y a plus amplification, que les structures oscillent en phase avec le séisme. On y trouve donc l’accélération sismique directement, d’où son utilisation par l’IRSN entre autres pour désigner le niveau du spectre – bien que ce ne soit pas la valeur d’accélération maximale lue sur le dit spectre.
• A l’inverse, les structures très souples n’amplifient pas non plus le signal sismique et répondent très faiblement aux accélérations du sol, mais elles peuvent présenter des déplacements très importants du fait de leur souplesse – et ces grands déplacements peuvent éventuellement à leur tour devenir un problème.
• L’enjeu majeur est malgré tout avec les structures dont les périodes caractéristiques principales (on parle aussi de fréquences propres correspondant à ces périodes) se situent au niveau du pic du spectre de sol : en effet, elles vont amplifier les accélérations transmises par le sol et donc subir des efforts très importants. De nombreuses constructions de taille intermédiaire – barres d’immeubles, bâtiments industriels, centrales électriques dont nucléaires – sont dans ce cas.

C’est ce qui explique qu’à la suite de séismes très violents, on décompte de très nombreux immeubles de plusieurs étages détruits, mais beaucoup moins de dommages sur des habitations plus petites pourtant plus frêles ou sur des gratte-ciels qui auront présenté des déplacements visuellement impressionnants pendant les secousses.

Pour comprendre en quoi il est très rapidement problématique d’avoir une structure dont les fréquences propres majeures correspondent au pic du spectre de sol, il faut parler un petit peu de transfert de spectre.

Illustration issue du Guide méthodologique pour la conception, l’installation et le diagnostic des équipements en zone sismique de l’AFPS

L’illustration ci-dessus représente l’effet de la rigidité et de la complexité structurelle des bâtiments sur la transmission de l’oscillation sismique : chaque étage fait intervenir son propre comportement et peut amplifier certaines fréquences plus que d’autres, qu’on appelle ses “fréquences propres”. Il est donc impératif de disposer d’un spectre de sol correspondant au SMS, afin d’établir ensuite les spectres de plancher à travers toutes les structures concernées.

L’amortissement a un rôle dynamique complexe et nous ne nous étendrons pas sur le sujet ; on retiendra tout de même qu’il peut, lorsqu’il est bien géré, aider à isoler une structure d’une partie des accélérations transmises par le sol. Pour autant, l’amortissement ne modifie PAS les fréquences propres d’une structure : si elle répond aux fréquences de pic du spectre, elle y répondra toujours avec ajout d’amortissement – mais éventuellement avec moins d‘amplification. Il existe pour cela des techniques qui emploient entre autres des appuis élastomères et qui permettent de faire réagir une grande part de la masse de la structure à des fréquences situées avant le pic du spectre, afin d’abaisser les accélérations vues par la structure.

III/ Comment déterminer quels séismes peuvent survenir ?

On l’a dit, l’activité sismique d’une zone dépend de ses caractéristiques géologiques. Il existe des zones très peu sismiques et d’autres qui le sont bien davantage, tant en terme de nombre d’événements par an qu’en terme de magnitude maximale atteignable (Japon, Californie).

Il est donc primordial d’évaluer quels séismes peuvent survenir dans les zones construites. Pour cela, on fait appel à la fois à la géologie et à l’Histoire. En effet, le zonage sismique est réalisé en recueillant tous les indices disponibles à propos des séismes ayant eu lieu sur le territoire ainsi que les signes de leur intensité. 

Illustration issue de La robustesse des installations nucléaires au regard de l’aléa sismique – Volet aléa sismique – IRSN

On en déduit alors une magnitude et un épicentre probables. Ces informations peuvent sans problème remonter à des périodes antérieures à la sismologie, on exploite alors des sources historiques de natures diverses.

Extrait issu de Risque sismique et conception des installations nucléaires, présenté par Emmanuel Viallet pour la SFEN

En combinant ces séismes historiques avec les connaissances géologiques à notre disposition, on détermine le Séisme Maximal Historique Vraisemblable.

Une majoration du SMHV donne le Séisme Majoré de Sécurité (SMS), ce qui permet de tenir compte des incertitudes. La majoration consiste à augmenter l’intensité du SMHV de 1 degré, ce qui “équivaut” à augmenter sa magnitude de 0,5 unités. On garde en tête que ces deux grandeurs ne suffisent pas à caractériser physiquement un séisme, on tient donc compte de l’influence des sols et des distances dans cette majoration, en considérant le SMHV directement sous l’installation..

Illustrations issues de Risque sismique et conception des installations nucléaires, présenté par Emmanuel Viallet pour la SFEN

En fin de compte, le SMS représente le pire séisme qu’on envisage subir à proximité immédiate de l’INB, adjoint d’une marge pour couvrir incertitude.

Cette approche dite “déterministe” définie dans le RFS-2001-01 est cependant complétée depuis récemment par une approche probabiliste, qui considère tous les niveaux de séisme et corrige leurs effets théoriques par leur probabilité d’avoir lieu à proximité de l’installation.

Illustration issue de La robustesse des installations nucléaires au regard de l’aléa sismique – Volet aléa sismique – IRSN

Pour ce faire, on établit d’abord le Séisme Maximal Physiquement Possible ou SMPP, qui dépend directement de la taille de faille géologique maximale  possible. Il est donc nécessaire d’avoir une très bonne connaissance des sols et de leur comportement.

On considère ensuite l’aléa sismique, qui porte l’information de la magnitude maximale probablement pas dépassée en 50 ans selon le lieu considéré.

Illustration issue de La robustesse des installations nucléaires au regard de l’aléa sismique – Volet aléa sismique – IRSN

On combine alors les deux pour déterminer un équivalent probabiliste du SMHV et on revient à une expression sous forme de spectre pour enfin obtenir un condensé des informations sur lesquelles se base le dimensionnement au séisme :

Illustration issue de La robustesse des installations nucléaires au regard de l’aléa sismique – Volet aléa sismique – IRSN

Pour dimensionner les installations, EDF a choisi de standardiser la conception et de définir des paliers d’installations, c’est-à-dire des catégories qui regroupent plusieurs sites, et dont chacune correspond à un SMS de palier qui enveloppe la situation sismique de chaque site. On construit alors une série de spectres basés sur le SMS, et qui remplissent différentes fonctions :

• Le SDD correspond aux séismes de dimensionnement. On considère que les équipements et structures doivent “tenir” aux accélérations issues de ce spectre. La notion de “tenue” masque différentes choses : on peut considérer qu’un équipement tient s’il ne crée pas de projectile – on aime moyennement se faire poursuivre par du mobilier volant, y compris dans les salles qui ne contiennent pas de matériel dangereux en temps normal -, s’il n’est pas déformé définitivement – afin de conserver ses fonctionnalités ou ne pas interagir avec d’autres équipements alentours – ou encore s’il reste étanche. Afin de remplir ces critères, on peut éventuellement considérer que l’installation est entrée dans un mode de fonctionnement dégradé suite aux prémisses du séisme. Tous les équipements peuvent être concernés, jusqu’aux armoires et au système de ventilation / filtration !

• Le SNA (autrement appelé demi-spectre de dimensionnement ou DSD) enveloppe les séismes moins extrêmes pour lesquels aucune interruption des activités “normales” de l’installation n’est nécessaire. Il s’agit donc d’un spectre plus bas que le SDD, et ce pour toutes les fréquences, mais représente un critère fort en terme de conception, puisqu’on veut que les appareils validés au SNA puissent fonctionner sans interruption en cours de secousse sismique et sans usure prématurée résultante, malgré les fortes accélérations et les oscillations.
• Le SND pour Noyau Dur est une majoration supplémentaire importante du SMS et sert de base pour le dimensionnement des installations critiques des centrales. On considère en effet que même si la partie hors zone réacteur subit des dégâts, ce dernier et ses équipements de sécurité doivent rester sûrs.

IV/ Bref, il s’est passé quoi le 11 novembre ?

Le 11 novembre donc, un séisme de magnitude locale 5.4 est détecté dans les environs de Montélimar, son épicentre se trouvant à un peu plus d’une quinzaine de kilomètres des centrales nucléaires de Tricastin et Cruas, dont le SMS de palier est de magnitude de moment 5.2. A partir de là il y a une affirmation qu’on ne peut pas enlever à Sortir du Nucléaire, association militante anti-nucléaire : quels que soient les tours de cochon que peuvent nous jouer la géologie, l’analyse spectrale ou la mécanique des structures, 5.4 est bien souvent supérieur à 5.2.

Ce “calcul” n’est pourtant pas du tout pertinent, au sens où comparer la magnitude (locale) du séisme “distant” mesurée et le SMS (magnitude de moment) n’a aucun sens, que ce soit physiquement ou en terme de dimensionnement, sachant comment on établit le SMS et comment ce qu’est vraiment la magnitude.  En effet, on a vu précédemment que ce n’est pas une indication d’intensité, et que des histoires de distance à l’épicentre, d’effets de sol et de fréquences interviennent afin d’évaluer ce qu’il se passe quand une structure subit un séisme.

Il est à partir de là inepte de comparer le SMS à la valeur de 5.4 ; on souhaitera le comparer à minima à la magnitude des ondes de surface sur même sol et pas trop loin, et pour être rigoureux vérifier que le séisme ressenti à la base de la centrale est bien enveloppé par les spectres clés issus du SMS.

C’est ce sur quoi l’IRSN a communiqué dans la foulée : on a finalement une magnitude sismique « de surface » à proximité immédiate des centrales de l’ordre de 4,5, ce qui d’une part est inférieur à 5,2 (magnitude des ondes de surface du SMS de palier de ces installations), mais aussi inférieur aux 4,7 de magnitude du SMHV. L’écart entre 4,5 et 4,7 n’est pas si faible qu’on pourrait le croire : les échelles de magnitude étant logarithmiques, il y a plus de 30 fois plus d’énergie libérée par un séisme de magnitude 5 que par un séisme de magnitude 4, ou 2 fois plus d’énergie libérée par un séisme de magnitude 4,7 par rapport à un autre de magnitude 4,5.

Pour autant, l’IRSN précise aussi qu’il est nécessaire de vérifier que le séisme a bien été inférieur au SMHV en terme non seulement de magnitude mais aussi d’action réelle (donc de sismogramme ou de spectre), afin de réhausser le SMHV et ce qui en découle si besoin. De même, EDF a entrepris sur demande de l’ASN et en respect des procédures prévues, d’inspecter les installations touchées afin de vérifier qu’aucun défaut ponctuel ou usure n’a entraîné d’effets imprévus sur les équipements. Il s’agit d’une sécurité supplémentaire, cohérente avec la stratégie globale de sûreté des installations.

il apparaît que le traitement médiatique de l’événement est améliorable, pour faire dans l’euphémisme. la comparaison directe du SMS avec la magnitude locale de 5.4 du séisme du 11 novembre a été très courante, souvent soufflée par des activistes (Le Dauphiné, L’Internaute, C dans l’air, Le Point, Reporterre, Le Parisien ou encore France 24 ont mis les deux pieds dedans) et rarement confrontée à l’analyse d’un spécialiste des structures en séisme ou de la sûreté nucléaire.
On notera en revanche que Le Monde produit rapidement deux articles pertinents, même si le premier s’affale à deux mètres du bol de sangria en citant indirectement les calculs savants de Sortir du Nucléaire en toute fin de texte, comme pour “équilibrer” le propos, éloignant le lecteur d’une bonne compréhension de la situation. Le second a le grand mérite de présenter un aspect absent des articles évoqués précédemment : le séisme du 11 novembre, ce sont également des blessés et près de 250 bâtiments fissurés. La mise au second plan de ces aspects pour donner plus de place à une comparaison inepte et inutilement effrayante laisse à réfléchir quant à l’influence des choix éditoriaux et journalistiques sur l’opinion.

Dans la même veine, L’Actu ou encore La Charente Libre remettent l’église au centre du village en traitant de manière courte et efficace des dommages et sinistres avérés ; mais les ovations sont à réserver au texte de Check News par Anaïs Condomines et paru le lendemain du séisme : les individus interrogés sont choisis parmi les spécialistes du sujet, le propos est nuancé et l’équilibre de l’information est respecté : les propos de Sortir du Nucléaire sont également rapportés… et analysés pertinemment.

On retiendra de cet épisode de la vie médiatique française que le journalisme de qualité est possible, y compris dans un timing contraint. Qu’il ne semble pas être la norme, et qu’un dialogue constructif plus intense entre praticiens des connaissances, technologies et techniques, et praticiens de l’information, est souhaitable. L’initiative #NoFakeScience n’a donc pas perdu de sa pertinence depuis cet été.

Check News a produit une preuve que ce dialogue est constructif et débouche sur un résultat intéressant à la fois pour les spécialistes du domaine traité, pour les journalistes qui travaillent le sujet et surtout, car c’est peut-être ce qui compte par dessus-tout, pour le public qui perçoit une information réellement équilibrée. Si ce dernier doit fournir l’effort d’un regard critique sur les médias qu’il consulte, la moitié du schmilblick c’est tout de même que l’information soit un minimum saine.

Mise à jour du 02/12/2019 : ajout de précsions concernant les différentes magnitudes qui peuvent être évaluées (locale, de moment, etc.) et ajustement du coefficient de passage d’un point de magnitude, initialement donné en ordre de grandeur et désormais indiqué environ égal à 30. Merci aux lecteurs qui ont sugéré ces modifications.

Pour aller plus loin

Parce que la question sera très rapidement posée : un point sur les “normes Post-Fukushima” sous forme de thread Twitter, qui sera peut-être détwitterisé dans le futur, par Buchebuche : Il n’y a pas de normes “post-Fukushima”

Et en complément, un rapport de l’ASN émis à la suite du séisme du Tōhoku et de l’accident de la centrale de Fukushima Daiichi, et qui prépare les recommandations “post-Fukushima”.
L’initiative débouche sur un ensemble de prescriptions de l’ASN, dont la vérification de la tenue des installations à des sollicitations bien au delà du SMS. [Ajout du 26/11/19 suite à une proposition de lecteur].

Références

• La robustesse des installations nucléaires au regard de l’aléa sismique – Volet aléa sismique – IRSN
• Guide méthodologique pour la conception, l’installation et le diagnostic des équipements en zone sismique – AFPS
• Risque sismique et conception des installations nucléaires, par Emmanuel Viallet (EDF) pour la SFEN
• cours de Dynamique des structures – Université de Liège
• RFS-2001-01 – ASN