Explosion du port de Beyrouth : des éclaircissements grâce au calcul haute performance

Dans le cadre des missions qui lui sont confiées, le CEA - DAM a développé des outils de calcul pour simuler les effets d’une puissante explosion en milieu urbain. Ces outils ont été mis en œuvre pour comprendre l’explosion du port de Beyrouth en 2020 et pour estimer la nature et l’énergie d’une catastrophe mal comprise, objet de rumeurs et d’interprétations douteuses [1].

Le 4 août 2020, une explosion massive se produit dans le port de Beyrouth, traumatisant le peuple libanais, causant des dizaines de morts, des milliers de blessés et des dégâts considérables dans toute la ville. À l’origine de la catastrophe : environ 2 750 tonnes de nitrate d’ammonium, un produit chimique couramment utilisé comme engrais, stockées depuis 2014 dans un entrepôt du port. Ce 4 août, un incendie se déclare dans l’entrepôt : en chauffant, le nitrate d’ammonium se mélange avec d’autres matériaux inflammables stockés à proximité ; au bout d’une vingtaine de minutes, le nitrate d’ammonium explose dans une puissante détonation. Une énergie colossale est alors libérée : une immense boule de feu et une onde de choc destructrice se propagent dans toute la ville.

Cet événement a fait l’objet d’études contradictoires et de rumeurs plus ou moins fondées. L’estimation de l’énergie de l’explosion varie fortement : de 200 à 1 400 tonnes d’équivalent TNT selon les données et les méthodes utilisées par les chercheurs. Ces incohérences se traduisent dans le grand public par des théories contradictoires sur la nature réelle de l’explosion. On la suspecte d’être d’origine nucléaire, déclenchée par un missile, une bombe aérienne ou encore par une charge explosive cachée.

S’il est impossible de déterminer avec certitude l’enchaînement exact des événements, la communauté scientifique dispose néanmoins d’observations abondantes. En effet, de nombreuses personnes étaient en train de filmer la scène avec leur smartphone au moment de l’explosion. Ces vidéos, combinées avec d’autres observations – enregistrements sismiques, dimensions du cratère, images satellites, endommagement des bâtiments – fournissent une grande quantité d’information.

Nous avons récemment proposé une meilleure estimation de l’énergie [2], déterminé le type d’explosif et compris pourquoi les estimations précédentes divergeaient. Pour confronter nos calculs aux observations, nous avons sélectionné quatre types de données. D’abord l’évolution de la boule de feu juste après la détonation, qui renseigne sur les premiers instants de l’explosion. Ensuite les dégâts sur les bâtiments, notamment sur les silos à grains au voisinage de l’entrepôt. Puis les temps d’arrivée de l’onde de choc sur des bâtiments plus éloignés de la ville de Beyrouth, mesurés à partir des différentes vidéos. Enfin l’évolution du nuage de condensation dans la zone de dépression qui suit l’onde de choc (figure 1).

Pour interpréter ces données, la plupart des équipes choisissent un modèle d’explosif classique de type militaire basé seulement sur le TNT. De notre côté, nous avons utilisé un modèle couvrant différents types d’explosifs et plus adapté aux configurations accidentelles.

Nos calculs ont été réalisés en suivant une approche dite multifidélité [3] avec le code Héra, développé au CEA - DAM. Quatorze mille simulations rapides ont été effectuées pour différents types d’explosifs en considérant une géométrie simplifiée de l’environnement à une dimension : chaque calcul dure une poignée de secondes sur un seul processeur. Ces simulations ont été « recalées » avec sept simulations plus précises à trois dimensions, en modélisant la ville entière de Beyrouth sur des milliards de mailles de calcul réparties sur plus de cent mille processeurs : dans ce cas, une simulation dure cinq jours sur le supercalculateur Exa 1 du CEA - DAM (soit seize millions d’heures CPU) [1].

Chaque simulation est ensuite comparée aux observations réelles. Grâce à une méthode probabiliste, il devient possible de déterminer les types d’explosifs les plus à même de rendre compte des observations. On obtient alors une énergie comprise entre 250 et 410 tonnes d’équivalent TNT (figure 2), avec 320 tonnes pour la valeur la plus probable. Nous avons enfin vérifié grâce à un calcul à trois dimensions que cette dernière valeur permet bien de retrouver des observations qualitatives telles que la forme du nuage de condensation illustrée sur la figure 3.

L’estimation ainsi obtenue est plutôt basse, ce qui nous amène à penser que les estimations hautes sont biaisées par le choix d’un mauvais type d’explosif. Notre estimation tend aussi à indiquer que seul un tiers du nitrate d’ammonium initialement présent a contribué à la détonation. Qu’est-il arrivé aux deux autres tiers ? Ont-ils été déplacés, volés, revendus ? Seule une enquête pourra le déterminer. Ce qui est certain, c’est que le type d’explosif impliqué ne correspond pas à un explosif de qualité militaire, encore moins à une explosion nucléaire. Il s’agit bien d’un explosif de qualité dégradée, ce qui accrédite la thèse d’une explosion accidentelle.