L’explosion de Beyrouth remet un lumière le nitrate d’ammonium (NA). Pourtant bien connu pour ses propriétés explosives depuis plus de trois siècles, il provoque régulièrement des accidents mortels. Le drame est que ces accidents sont parfaitement évitables.

Ce composé chimique découvert en 1659 est synthétisé à partir d’ammoniac et d’acide nitrique. Il possède des caractéristiques chimiques complexes puisque sa structure cristalline va fortement évoluer en fonction de la température à laquelle il va être exposé[1]. Cette grande variété lui permettra d’avoir des usages tout à fait différents : il est utilisé comme engrais, produit refroidissant, propulseur de fusée ou encore comme explosif. Stable à température ambiante, il ne devient dangereux que lorsqu’il est exposé à conditions extrêmes.

L’accident : un scénario qui se répète

Babrauskas[2] identifie clairement un scénario récurrent : un départ de feu se produit à proximité d’un stock de nitrate d’ammonium. Le feu chauffe le NA qui exprime alors son potentiel comburant et rend l’incendie particulièrement difficile à combattre. Dans 30% des cas, il se produit une explosion.  La conséquence est au mieux la ruine de l’infrastructure, au pire la mort de nombreuses victimes (15% des cas).

Sur les différents évènements que Babrauskas recense, la 62% concernent la phase de transport, 26% les stockages, 9% un accident de process et 3% non identifié.

La phase de transport est en effet particulièrement critique. Du fait de son mouvement, un accident crée des chocs qui sont propices à déclencher une réaction en chaine dans le stockage. Par ailleurs, le choc peut aussi induire une contamination du stock par du combustible comme du diesel ou des fragments de bois. Si un feu se produit, l’explosion devient alors fortement probable.

Sa classification

Il est particulièrement intéressant d’examiner sa classification dans le code maritime international des matières dangereuses (IMDG code). Il pourra ainsi être classé comme[3] :

  • matière dangereuse (classe 9 – UN2071),
  • matière explosive (classe 1 – UN 0222)
  • matière comburante (classe 5.1 – UN1942 & UN2067)
  • déclassée des matières dangereuses s’il est mélangé à 20% de carbonate de calcium.

En pratique la limite est mince en particulier lorsqu’il est concentré à plus de 90%. C’est ainsi un comburant s’il contient moins de 0,2% de matière organique, mais à un explosif si ce taux est dépassé. Si sa classification est assez variable, le matériau et son cycle de décomposition restent les mêmes.

Cette classification est non sans conséquences

Les cycles de décomposition du Nitrate d’ammonium.

Les réactions associés au nitrate d’ammonium et celles présentés ici ne sont que les princiales : plus de 250 sont dénombrés en fonction des conditions de température et pression et d’éventuels contaminants…

Lorsqu’il est chauffé à basse température (entre 80°C et 93°C), il se décompose en ammoniaque et acide nitrique. La réaction est alors endothermique (elle absorbe de l’énergie). Ceci a tendance à refroidir la matière et donc ralentir la réaction. Cependant, si le matériau est confiné, ce refroidissement sera compensé par une augmentation de pression et donc de la température[4].

NH4 NO3 → NH3 + HNO3

Entre 166°C et 212°C, le NA commence à fondre et à se décomposer libérant de la vapeur d’eau (H20) et du protoxyde d’azote (N20). Ce dernier gaz, communément appelé « gaz hilarant » est un comburant. À ce titre, il pourra donc entretenir une combustion même dans des espaces sans oxygène.

NH4NO3 → N2O + 2H2O

Lorsque la matière chauffe à plus de 250°C ou subit un choc, une décomposition violente se produit.

NH4 NO3 → N2 + 2H2O + ½O2

La présence d’ions chlorure, de fer divisé (rouille…) ou de cuivre divisé abaisse ces températures[5].

Ses caractéristiques explosives

Le nitrate d’ammonium est un matériau qui explose difficilement. Fedoroff[6] précise ainsi que le nitrate d’ammonium « est bien plus difficile à faire détonner ou exploser que tous les autres explosifs standard ». Dans l’industrie minière, il est ainsi toujours amorcé par une autre charge explosive (TNT). Le bureau des mines américain a par ailleurs reproduit la maquette d’un pont de navire rempli avec un mélange de NA et de cire. Après y avoir mis le feu, ils ont obtenu des fumées, mais pas d’explosion. Un autre test consistait à exposer jusqu’à 540 kg d’un mélange explosif de NA et de diesel (ANFO) à un feu. Le feu s’est développé sans générer d’explosion.

Les conditions favorisant l’explosion sont par ailleurs connues. Les deux facteurs clefs sont la présence d’un feu apporte l’énergie qui permettra de déclencher la réaction et la présence d’un confinement ou d’anfractuosités pouvant faciliter le confinement de la matière. D’autres facteurs comme la contamination par certains produits (combustibles, ions chlorures…) favoriseront sa réaction et l’occurrence de chocs (collision durant le transport, effondrement) facilite l’explosion.

Si nombre d’explosion continue de se produire régulièrement, on peut donc logiquement se questionner sur la réglementation.

Explosion : distinction entre la déflagration et la détonation

Une déflagration est une combustion très rapide de gaz ou de poussière : la chaleur générée par la combustion d’une particule entraine la combustion de la particule voisine ainsi qu’une dilatation de l’air. La vitesse de propagation du front de flammes est de l’ordre du décimètre ou du mètre par seconde et la surpression générée généralement inférieure à 0,5 bar. La détonation est elle une explosion qui se caractérise principalement par sa violente onde de choc. C’est cette dernière qui en augmentant la pression entraine une augmentation de la température et provoque la combustion instantanée du gaz. La vitesse de l’onde de choc est alors supérieure à la vitesse du son et peut atteindre jusqu’à 2000 m/s. La surpression peut-elle monter jusqu’à 20 bars. La transition de l’un à l’autre n’est pas totalement expliquée[7]

Ce phénomène peut être compris en observant la loi des gaz parfaits : dans le cas d’une déflagration c’est l’augmentation du membre de droite (température) qui entraine l’augmentation du membre de gauche (pression et volume), dans le cas d’une détonation c’est le contraire.

PV=nRT

avec :

P la pression (Pa),

V le volume du gaz (m3),

n la quantité de matière (mol),

R la constante universelle des gaz parfaits (≈ 8,314 J·K-1·mol-1),

T la température absolue (K).

Deux déflagrations se rencontrant et produisant une détonation

La réglementation

Transport de matière

Le transport de matière est soumis à des règles strictes induites par son classement IMO. En tant qu’engrais (code UN1942), il doit respecter un conditionnement strict limitant la masse et spécifiant la nature du contenant. Les véhicules doivent répondre à des exigences de sécurité et le chargement / déchargement est aussi précisé. Cependant malgré toutes ces précautions, le transport reste intrinsèquement dangereux.

Stockage de matière

Différents référentiels existent concernant le stockage de matière. Examinons la NFPA, FMG et le code de l’Environnement.

NFPA 400 [8]: La NFPA est une association américaine éditant des référentiels de sécurité incendie particulièrement détaillés sur un grand nombre de sujets. Ils sont rédigés en langue anglaise, généralement non traduits mais disponible gratuitement sur leur site. La version 2019 est notablement plus exigeante que sa version 2013, certainement influencée par l’accident de WEST[9] en avril 2013. Il est à noter qu’elle impose de façon rétroactive l’installation du sprinkler, de la détection automatique et d’un système d’alarme (§11.2.5.1). Le désenfumage ne semble pas une priorité, car il est tout simplement spécifié comme non obligatoire.

FM Global 7-89[10] : Factory mutual est une compagnie d’assurance réalisant recommandation pouvant être comparés à celles de la NFPA. Aussi rédigés en langue anglaise, ces datasheets sont librement téléchargeables sur leur site. Dans leur préconisation, le sprinkler peut être limité aux convoyeurs et aux stockages ensachés. 

Le code de l’Environnement régit le stockage d’engrais solide à base de nitrate au travers de la rubrique 4702[11][12]. A la différence des référentiels NFPA et FM, son application est obligatoire. Parmi ses particularités, le code de l’environnement tolère les charpentes en bois pour les établissements soumis à déclaration seulement. Elle n’impose pas de sprinkler, mais des lances auto-propulsives permettant d’introduire l’eau à l’intérieur des tas pour les engrais les plus dangereux. Le désenfumage est imposé de façon variable en fonction du danger de l’installation (entre 1% et 4% de surface utile).

A noter que l’APSAD ne possède pas de référentiel couvrant ce risque.

Stratégie d’intervention : des services de secours particulièrement exposés

Si les fumées toxiques (N0x) émises par un incendie d’ammonitrate sont un danger important, elles ne constituent pas le risque principal. On l’a vu, autour de 15% des feux impliquant du nitrate d’ammonium déclenchent une explosion mortelle. Intervenant pour assurer l’extinction de l’incendie initial, les services de secours sont à ce titre particulièrement exposés et se pose la question de la stratégie d’intervention.

L’Emergency Response Guidebook apporte des éléments de réponse dans sa fiche 140 :

  • En cas de feu incluant des comburants, le périmètre d’évacuation doit être de 800 m.
  • Si le feu est réduit, l’usage de l’eau est approprié, mais pas l’usage de mousse.
  • S’il se développe, il sera nécessaire prendre ses distances et de chercher à noyer le feu avec d’énormes volumes d’eau.
  • Si un réservoir est pris dans le feu, il faudra toujours s’en éloigner (BLEVE).

En France, la doctrine sera la suivante[13] :

  • limiter les risques d’explosion et leurs effets :
    • établir un périmètre de sécurité pour le risque d’explosion et le risque toxique (explosion : zone circulaire / toxique : plume sous le vent) :
      • zone d’exclusion : 200 m (minimum de personnel intervenant) ;
      • zone contrôlée : 200 à 300 m ;
    • protéger et/ou écarter les engrais non contaminés afin de limiter les éventuels effets dominos liés au risque d’explosion ;
    • éviter l’accumulation d’engrais fondu dans un milieu confiné (caniveaux, sous-sols…) augmentant le risque d’explosion ;
    • désenfumer simultanément les volumes de stockage ;
  • attaquer massivement le foyer à l’eau afin de solubiliser un maximum de produit ;
  • anticiper la mise en place d’actions d’extinction de foyers complexes (utilisation de lances auto-propulsantes pour atteindre le feu au cœur des tas notamment) ;
  • demander le renfort d’équipes spécialisées (identification du type d’engrais, évaluation des risques et confirmation du périmètre de sécurité par CMIC) ;
  • limiter le risque de pollution et se protéger du risque toxique :
    • fixer les lances afin de limiter l’exposition du personnel ;
    • procéder à des rétentions et au contrôle des eaux polluées par la CMIC, si possible ;
    • éviter le contact du personnel avec les eaux polluées ;
  • assurer la remontée d’information vers les services spécialisés du milieu aquatique et les autorités (mairie, préfecture).

L’identification de la bonne stratégie à mettre en œuvre reste néanmoins difficile. Il faut en effet être en capacité de mobiliser une forte quantité d’eau et de déployer le dispositif de lutte dans un temps record : il s’agit d’une course contre la montre, car comme nous l’avons vu, plus le temps passe, plus la matière chauffe et devient dangereuse.

La stratégie d’évacuation implique de réaliser un porte à porte et donc pour les services de secours d’être exposés.

Par ailleurs, un problème fondamental se pose. L’eau reste le seul moyen efficace attaquer un feu d’ammonitrates : comme il ne peut être étouffé, car il produit son oxygène, il faudra nécessairement le refroidir. Cependant, une quantité trop faible d’eau ne suffira pas à stopper l’emballement thermique, mais conduira à une génération de vapeur qui augmentera la pression et risquera de déclencher l’explosion[14].

Le chef des opérations de secours devra donc être particulièrement avisé pour décider de la stratégie à mettre en œuvre.

Utilisation comme engrais : des alternatives existent.

Le nitrate d’ammonium est un engrais aux nombreuses qualités. Conditionné sous forme de billes de 2 mm de diamètre, il fournit aux plantes une source particulièrement concentrée de nitrate. Sa grande solubilité dans l’eau lui permet de facilement s’infiltrer jusqu’aux racines. Il est relativement bon marché. Enfin, paradoxalement ses propriétés explosives ont favorisé son essor. Les fabricants d’explosifs à base de nitrate jouaient un rôle stratégique lors des guerres. En temps de paix, il devaient se reconvertir : ils possédaient les connaissances techniques, les infrastructures de production et les fournisseurs de matière première : restait à identifier un débouché. La tragédie d’Oppau en Allemagne (1921) se déroule ainsi sur un site de production d’explosif pour la première guerre mondiale reconverti en production de fertilisants. Suite à cet accident, ce composant a été reconnu comme « trop dangereux pour être utilisé à des fin de fertilisation ». Dans la décade qui a suivi des alternatives moins dangereuses comme le nitrate d’ammoniaque calcaire (CAN), l’urée, l’ammonique ont été étudiées. Moins performantes ou plus onéreuses, elles ont permis au législateur d’interdire l’utilisation du NA comme engrais dans de nombreux pays européens parmi lesquels les Pays-Bas, l’Irlande du Nord, l’Irlande, la Finlande, la Belgique, la Suisse et le Danemark.

Focus accident OPPAU, Allemagne [15]

L’usine BASF d’Oppau en Allemagne était une ancienne usine d’explosifs de la Première Guerre mondiale reconvertie en fabrication d’engrais. Elle produisait un mélange 50/50 de sulfate d’ammonium et de nitrate d’ammonium appelé «mischsaltz». Ce mélange hautement hygroscopique présentait l’inconvénient de se s’agglutiner pendant ses phases de stockage. Il était alors courant de rediviser le produit ainsi agrégé en disposant des explosifs dans des trous percés dans la masse durcie. Jusqu’au jour de l’accident, plus de 20 000 des tirs ont ainsi été effectués dans le «mischsaltz» sans qu’aucun accident ne soit observé.

L’explosion a été entendue à Munich, à 275 km de l’usine. Les victimes humaines officielles signalées comprenaient 561 morts, 1 952 blessés et 7 500 personnes sans abri. Environ 80% des bâtiments d’Oppau ont été détruits.

Cratère suite à l’explosion d’Oppau – base de données ARIA accident 14373

Sur l’auteur : Ronan NICOLAS est consultant en sécurité incendie spécialisé dans le risque industriel. Il dirige le bureau d’études ATOSSA. Il est pompier volontaire au sein du CIS d’Auray (56)

[1] Wikipedia – Nitrate d’ammonium

[2] Babrauskas, V. (2016). Explosions of ammonium nitrate fertilizer in storage or transportation are preventable accidents. Journal of Hazardous Materials

[3]https://adrbook.com/en/

[4] Cf : loi des gaz parfait

[5] FICHE TOXICO ECOTOXICO CHIMIQUE FTEC N°1 NITRATE D’AMMONIUM : http://www.atctoxicologie.fr/images/FTEC/nh4no3_fiche1.pdf

[6] Fedoroff et al., Encyclopedia of Explosives and Related item (1960)

[7] Wikipedia – transition déflagration à détonation

[8] https://www.nfpa.org/codes-and-standards/all-codes-and-standards/list-of-codes-and-standards/detail?code=400

[9] Explosion d’un dépôt d’engrais ammonitrates https://www.aria.developpement-durable.gouv.fr/accident/43846/

[10] FM 7-89 : https://www.fmglobal.mobi/research-and-resources/fm-global-data-sheets

[11] Déclaration : Arrêté du 06/07/06 NOR : DEVP0650389A

[12] Autorisation : Arrêté du 13/04/10 NOR : DEVP1008014A

[13] GDO Risques en milieu agricole V2019 § 2.1.5.1 Feu en présence d’engrais

[14] Extinguishing fires involving ammonium nitrate stock with water: Possible complications Han et al. (2017)

[15] Accident d’OPPAU – ARIA accident 14373