L’hydrogène responsable des explosions s’est formé dans le cœur du réacteur nucléaire situé à l’intérieur de l’enceinte de confinement, suite à une défaillance du système de refroidissement endommagé par le tsunami. Normalement, ce système aurait dû poursuivre le refroidissement des réacteurs arrêtés par le dispositif de sécurité.
Le cœur d’un réacteur nucléaire est composé de tubes en alliage de zirconium, appelés gaines, dans lesquelles se trouve le combustible nucléaire. En temps normal, ces gaines sont immergées dans l’eau pour être refroidies, même en cas d’arrêt du réacteur, car la température de son cœur reste très élevée pendant une longue durée. Au-delà de 1 400°C (la température normale du cœur est de 300°C), le zirconium peut s’oxyder et former de l’hydrogène :
Zr + H2O → ZrO2 + H2
Cet hydrogène est explosif au contact de l’oxygène.
Dans le cas de Fukushima, la défaillance du système de refroidissement a conduit à cette réaction. A l’intérieur du cœur du réacteur, l’eau destinée au refroidissement des gaines s’est progressivement évaporée. Le niveau de l’eau a baissé et la pression a augmenté. Non immergées, le haut des gaines en zirconium a surchauffé et réagi avec la vapeur d’eau, en formant de l’hydrogène à l’intérieur de la cuve.
Afin d’éviter une surpression de vapeur et la rupture de l’enceinte de confinement, les experts ont procédé au relâchement volontaire de ces gaz à l’extérieur de l’enceinte. L’hydrogène mêlé à la vapeur d’eau s’est accumulé en haut du bâtiment abritant l’enceinte de confinement. Au contact de l’air, l’hydrogène a explosé, soufflant ce bâtiment.
