Faits :
A.
A.a. Depuis une vingtaine d'années, les autorités vaudoises ont engagé une réflexion afin de trouver un nouvel emplacement pour le Musée cantonal des Beaux-Arts (MCBA), qui est actuellement situé dans le bâtiment dit "Palais de Rumine" au centre de la ville de Lausanne. Le Conseil d'Etat a chargé un groupe d'experts de conduire une procédure de recherche et d'évaluation des sites susceptibles d'accueillir le MCBA. Quatre emplacements ont été retenus par le groupe d'évaluation. Le Conseil d'Etat a opté pour le projet "Halle CFF aux locomotives". Celui-ci prévoit d'installer le MCBA dans la halle CFF aux locomotives, formée de trois corps de bâtiments construits entre 1909 et 1911 situés le long des voies CFF à proximité de la gare de Lausanne. Les bâtiments se trouvent au Nord-Ouest de la gare dont ils sont séparés par l'avenue William-Fraisse. La halle aux locomotives figure à l'inventaire prévu par la loi vaudoise du 10 décembre 1969 sur la protection de la nature, des monuments et des sites (LPNMS/VD; RS VD 450.11) et a reçu la note 2 au recensement architectural prévu par le règlement d'application de la LPNMS. Le site prévu pour l'implantation du musée comprend une surface de 21'000 m2.
Au printemps 2010, compte tenu des surfaces disponibles, le Conseil d'Etat et la Municipalité de Lausanne ont décidé la création sur le site choisi d'un "pôle muséal" comprenant, outre le MCBA, le Musée cantonal pour la photographie de l'Elysée et le Musée de design et d'arts appliqués contemporains (MUDAC).
Le projet de pôle muséal a fait l'objet d'un concours d'architecture. Le jury a choisi le projet "Bleu" des architectes Fabrizio Barozzi et Alberto Veiga. Celui-ci implique la destruction d'une grande partie de la halle aux locomotives. Il prévoit principalement la construction d'un bâtiment rectangulaire de trois niveaux le long des voies CFF, la création d'une place et le désenclavement du site.
A.b. Un plan d'affectation cantonal "Plate-forme Pôle Muséal" (ci-après : le PAC n° 332) a été établi en vue de la réalisation du projet. Le périmètre du PAC comprend les parcelles nos 5'080, 5'770 et 5'819 du cadastre de la Commune de Lausanne, d'une surface de respectivement 50'342 m2, 23'646 m2et 1'110 m2, toutes propriétés des CFF. Ces parcelles sont comprises dans la zone mixte de forte densité prévue par le plan général d'affectation de la Commune de Lausanne mis en vigueur le 26 juin 2006 (PGA). Le périmètre du PAC est délimité au Sud par les voies CFF. Du Nord-Ouest au Nord-Est, il jouxte le chemin de Villard puis des parcelles bâties le long du chemin de Villard ainsi que des parcelles bâties le long de l'avenue Ruchonnet, qui est une des routes principales reliant le centre de Lausanne à la gare. A l'Est, le plan borde l'avenue William-Fraisse qui descend en direction du Sud vers le bas de la ville (quartier "sous-gare") et le lac Léman. De l'autre côté de l'avenue William-Fraisse se trouvent les bâtiments de la gare de Lausanne.
Le PAC n° 332 comprend trois aires constructibles (A, B et C), une aire des aménagements extérieurs destinée notamment à une "esplanade muséale" sise principalement dans les parties Est et Nord du périmètre et une aire à vocation écologique prévue dans la partie Ouest (correspondant à une bande de talus séchards exposés au Sud) destinée à préserver et favoriser une surface enherbée extensive, riche en biodiversité. Selon le rapport établi en application de l'art. 47 de l'ordonnance du 28 juin 2000 sur l'aménagement du territoire (OAT; RS 700.1), l'aire des constructions A, sise au Sud du périmètre le long des voies CFF, est destinée à la construction du MCBA et ses fonctions annexes (bibliothèque, librairie, restaurant, auditoire, etc.). Cette aire comprend également le pignon Sud des anciennes halles aux locomotives, qui sera renforcé structurellement et conservé. L'aire des constructions B, sise au Nord-Ouest de l'aire des constructions A, est destinée à la construction du MUDAC, du Musée de l'Elysée et de locaux complémentaires (salles de spectacle, salles de musique, galeries, ateliers d'artiste, etc.). L'aire des constructions C, située à l'Ouest et au Nord de l'aire des constructions B (soit à l'arrière du MUDAC et du Musée de l'Elysée), est destinée à recevoir des activités CFF et des programmes culturels complémentaires. Selon le rapport 47 OAT et le règlement du PAC (RPAC), l'aire des aménagements extérieurs est destinée à la création d'une "esplanade muséale" entièrement piétonne pouvant accueillir des constructions souterraines sous la totalité de sa superficie ainsi que les infrastructures y relatives.
Un parking souterrain d'une capacité maximale de 97 places est prévu. Selon le rapport 47 OAT, celui-ci bénéficiera d'un accès indépendant depuis l'avenue William-Fraisse et sera majoritairement destiné aux activités des CFF. Selon l'art. 21 RPAC, l'accès au périmètre du PAC est limité aux seuls véhicules de service pour la Plate-forme Pôle Muséal et la logistique de la gare ainsi qu'aux véhicules d'entretien des espaces publics ou en lien avec les ouvrages destinés aux activités ferroviaires et installations techniques ferroviaires. L'accès est autorisé pour les deux-roues légers non motorisés.
A.c. Le PAC n° 332 a été soumis à l'enquête publique du 24 août 2012 au 24 septembre 2012. Il a suscité 18 oppositions dont celle de C._ représentant 31 habitants de l'avenue Ruchonnet et du chemin de Villard et celle de plusieurs habitants du quartier de la gare réunis sous l'appellation "collectif gare".
B.
Par décision du 10 décembre 2012, le Département de l'intérieur a approuvé le PAC n° 332 et levé les oppositions. Saisie de recours d'un grand nombre d'opposants contre cette décision, la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal vaudois (CDAP) a statué par arrêt du 26 novembre 2013. Elle a rejeté les recours, considérant notamment que les prescriptions de l'ordonnance du 27 février 1991 sur la protection contre les accidents majeurs (OPAM; 814.012) étaient respectées, que l'adoption du PAC reposait sur une pesée complète et correcte des intérêts à prendre en considération, que le fait d'avoir étendu le projet à un pôle muséal plutôt qu'au seul MCBA, ultérieurement à l'examen de variantes dans le choix du site, ne violait pas l'art. 2 OAT, et que l'ampleur et les caractéristiques du projet n'imposaient pas qu'il figure dans le plan directeur cantonal.
C.
Agissant par la voie du recours en matière de droit public, 77 consorts demandent au Tribunal fédéral d'annuler purement et simplement l'arrêt cantonal et la décision du Département de l'intérieur, subsidiairement d'annuler l'arrêt cantonal et de renvoyer le dossier à la CDAP pour nouvelle décision dans le sens des considérants. La cour cantonale renonce à se déterminer et conclut au rejet du recours. L'Etat de Vaud conclut principalement à l'irrecevabilité du recours et subsidiairement à son rejet. La commune s'en remet à justice. Les CFF adhèrent aux conclusions de l'Etat de Vaud. Consulté, l'Office fédéral de l'environnement (OFEV) considère que le PAC est conforme aux exigences de l'OPAM: la Confédération considère qu'avec et sans le musée le risque dans le secteur de la gare est acceptable. Les mesures visant à atténuer les effets d'un accident majeur proposées dans l'étude de risques sont indiquées. Dès lors qu'elles sont mentionnées dans le règlement du PAC, elles sont judicieuses et suffisantes sans que des mesures complémentaires soient nécessaires. Les recourants déposent des observations complémentaires et persistent dans leurs conclusions. L'Etat de Vaud, puis à nouveau les recourants, se déterminent encore brièvement.
Par ordonnance du 17 février 2014, le Juge présidant de la Ire Cour de droit public a rejeté la demande d'effet suspensif des recourants.
Considérant en droit :
1.
1.1. Dirigé contre une décision finale (art. 90 LTF) prise en dernière instance cantonale (art. 86 al. 1 let. d LTF) dans le domaine du droit public de l'aménagement du territoire et des constructions (art. 82 let. a LTF), le recours est recevable comme recours en matière de droit public conformément aux art. 82 ss LTF, aucune des exceptions prévues à l'art. 83 LTF n'étant réalisée.
1.2. La qualité pour former un recours en matière de droit public est régie par l'art. 89 LTF. A teneur de l'alinéa premier de cette disposition, a qualité pour recourir quiconque a pris part à la procédure devant l'autorité précédente ou a été privé de la possibilité de le faire (let. a), est particulièrement atteint par la décision attaquée (let. b) et a un intérêt digne de protection à l'annulation ou à la modification de celle-ci (let. c). Pour satisfaire à ces exigences, le recourant doit se trouver dans une relation spéciale, étroite et digne d'être prise en considération avec l'objet de la contestation. Le voisin direct de la construction ou de l'installation litigieuse a en principe la qualité pour recourir (ATF 136 II 281 consid. 2.3.1 p. 285 et les arrêts cités). Il doit en outre retirer un avantage pratique de l'annulation ou de la modification de la décision contestée qui permette d'admettre qu'il est touché dans un intérêt personnel se distinguant nettement de l'intérêt général des autres habitants de la collectivité concernée, de manière à exclure l'action populaire (ATF 137 II 30 consid. 2.2.3 p. 33).
Les recourants, qui ont pris part à la procédure devant l'instance précédente, sont, pour plusieurs dizaines d'entre eux, voisins directs des parcelles régies par le plan d'affectation litigieux. Ils ont donc un intérêt digne de protection à son annulation ou à sa modification. Contrairement à ce que l'autorité intimée allègue, le fait qu'ils soient membres du mouvement "Collectif Gare" dont la qualité pour recourir serait douteuse est sans incidence sur leur qualité pour recourir à titre individuel, qui doit leur être reconnue.
1.3. Les autres conditions de recevabilité sont réunies, si bien qu'il y a lieu d'entrer en matière sur le recours.
2.
Les recourants requièrent que l'Office fédéral de la culture (OFC) et l'Office fédéral de la protection de la population (OFPP) soient consultés dans le cadre de la présente procédure. Il n'a pas été jugé utile de donner suite à cette requête. En effet, en premier lieu, le bâtiment voué à démolition n'est pas considéré comme étant d'importance nationale et l'autorité cantonale spécialisée a participé à la procédure, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de recueillir l'avis de l'OFC. S'agissant ensuite de l'OFPP, les recourants demandent sa consultation pour qu'il renseigne "sur son refus de subventionner la construction d'un abri PBC sous le site projeté du Pôle muséal, en raison [...] des dangers que comporte sa situation à proximité immédiate d'un noeud ferroviaire de première importance". L'Etat de Vaud confirme ce refus tout en précisant que le motif en est que la gare, située à proximité, est un des premiers objectifs militaires en cas de conflit armé. Dans la mesure où l'OFEV, autorité compétente en matière de protection contre les accidents majeurs, est seule chargée d'évaluer les risques liés au transport ferroviaire de marchandises dangereuses, la consultation de l'OFPP ne s'impose pas. Elle apparaît d'autant moins nécessaire que l'objet sur lequel cet office s'est prononcé, à savoir un éventuel abri PBC, est sans rapport avec les griefs soulevés par les recourants, qui ne font pas valoir de violation des législations pour lesquelles l'OFPP est compétent (en particulier la loi fédérale du 6 octobre 1966 sur la protection des biens culturels en cas de conflit armé [RS 520.3]).
3.
Les recourants font valoir un état de fait lacunaire de l'arrêt a ttaqué. Ils souhaitent qu'il soit complété par les constatations suivantes. En premier lieu, la Commission du Grand Conseil chargée d'examiner l'octroi du crédit d'étude et de mise au concours aurait rappelé que le classement en note 2 de la halle CFF aux locomotives était "un élément fixe pour le concours qui empêche la démolition du bâtiment", et précisé que le programme du concours devait être clair "sur les éléments modifiables et les éléments totalement intouchables". Le dossier du groupe d'évaluation des sites plaidait également pour le maintien de cette halle. Ces éléments seraient indispensables à l'évaluation de la pesée des intérêts effectuée. Ensuite, l'arrêt omettrait de préciser que le périmètre du PAC est bordé à l'Ouest par l'avenue Marc-Dufour; ce fait serait d'importance s'agissant de nouvelles liaisons piétonnières et de mobilité douce pour les personnes transitant d'Ouest en Est et inversement, et du calcul des risques pour les personnes qui devrait en découler.
3.1. Le Tribunal fédéral statue en principe sur la base des faits établis par l'autorité précédente (art. 105 al. 1 LTF), sous réserve des cas prévus à l'art. 105 al. 2 LTF. Selon l'art. 97 LTF, il ne peut s'en écarter que si les constatations de ladite autorité ont été établies en violation du droit au sens de l'art. 95 LTF ou de façon manifestement inexacte (art. 105 al. 2 LTF), c'est-à-dire arbitraire (ATF 137 I 58 consid. 4.1.2 p. 62; 137 III 226 consid. 4.2 p. 234; 136 II 304 consid. 2.4 p. 314) et pour autant que la correction du vice soit susceptible d'influer sur le sort de la cause. Si le recourant entend se prévaloir de constatations de faits différentes de celles de l'autorité précédente (cf. art. 97 al. 1 LTF), il doit expliquer de manière circonstanciée en quoi les conditions d'une exception prévue par l'art. 105 al. 2 LTF seraient réalisées. A défaut, il n'est pas possible de tenir compte d'un état de fait divergent de celui retenu dans l'acte attaqué. En particulier, le Tribunal fédéral n'entre pas en matière sur des critiques de type appellatoire portant sur l'état de fait ou sur l'appréciation des preuves (ATF 137 II 353 consid. 5.1 p. 356; 136 II 101 consid. 3 p. 104 et les arrêts cités).
3.2. L'autorité intimée indique que lorsque le crédit d'étude a été voté par le Grand Conseil, la question du maintien de la halle a été abordée et que les avis à ce sujet étaient divers. Quoi qu'il en soit, si la valeur architecturale de la halle a joué un rôle dans le choix du lieu et a été soulignée tant devant les députés que lors de la mise au concours, l'autorité planificatrice n'est pas liée par cet élément. Cette autorité doit bien évidemment en tenir compte dans le cadre de l'examen des intérêts en présence. Lors de cet examen, seuls sont cependant pertinents la valeur du bâtiment et les avis de l'autorité compétente en matière de monuments historiques, mais non d'éventuelles promesses politiques formées devant le Grand Conseil, ni les prescriptions contenues dans la mise au concours du projet architectural, qui sont étrangères à l'objet du litige. Or, les éléments relatifs à la valeur du bâtiment ressortent de l'arrêt attaqué, dont l'état de fait n'a dès lors pas à être complété sur ce point.
Quant à l'avenue Marc-Dufour, elle touche effectivement le périmètre du plan en son extrémité Ouest, sur quelques mètres. Cette partie du plan, constituée d'une bande très fine, longe en fait le chemin de Villard; la jonction entre le périmètre du plan et l'avenue Marc-Dufour équivaut au carrefour d'où part le chemin de Villard. La précision opérée par les recourants n'apporte ainsi rien aux constatations de l'arrêt selon lesquelles les nouvelles liaisons cyclables et piétonnes vers l'Ouest permettront de se connecter à l'avenue Marc-Dufour via le chemin de Villard (arrêt attaqué, p. 9).
Pour le surplus, les recourants présentent leur propre état de fait, sans toutefois exposer en quoi celui de l'arrêt attaqué aurait été établi de manière manifestement inexacte ou en violation du droit au sens de l'art. 95 LTF, ni en quoi la correction du vice serait susceptible d'influer sur le sort de la cause. Il n'a dès lors pas à être pris en considération.
4.
Les recourants se plaignent d'une violation des art. 10 al. 1 LPE et 11a al. 1 OPAM. Ils contestent plusieurs aspects de l'expertise réalisée par le bureau B._, qu'ils jugent dès lors insatisfaisante pour évaluer le risque lié aux accidents majeurs dans le secteur. Leur critique a trait au fait que le mode de construction et la répartition de locaux du Musée de l'Elysée et du MUDAC n'étaient pas connus au moment de la réalisation de l'étude, à l'estimation du nombre de personnes concernées par l'accroissement du risque au regard du projet, à l'absence de prise en considération de l'évolution du trafic prévisible de marchandises après 2020, et à l'absence d'évaluation des risques de catastrophes de grande ampleur. Les recourants dénoncent en conséquence aussi une violation de leur droit d'être entendus du fait que la cour cantonale a refusé d'ordonner une nouvelle expertise.
4.1. Au préalable, il y a lieu de préciser que, contrairement à ce que fait valoir le département cantonal, ce grief est recevable. Selon la jurisprudence en effet, les propriétaires voisins ne peuvent se prévaloir d'un intérêt digne de protection à invoquer des dispositions édictées dans l'intérêt général ou dans l'intérêt de tiers que si elles peuvent avoir une influence sur leur situation de fait ou de droit (ATF 137 II 30 consid. 2.2.3 p. 33; 133 II 249 consid. 1.3.2 p. 253; arrêt 1C_64/2007 du 2 juillet 2007 consid. 2 et les références). Ce qui est déterminant, c'est que l'application de la norme litigieuse puisse conduire à un résultat procurant un intérêt pratique à la partie recourante (ATF 139 II 499 consid. 2.2 p. 504; 137 II 30 consid. 2.2.3-2.3 p. 33-34). Tel est le cas en l'espèce, puisque les recourants se prévalent de la réglementation sur la protection contre les accidents majeurs pour faire valoir que le projet lui-même est incompatible avec l'emplacement choisi, trop proche de la gare et de la voie de chemin de fer. L'admission de ce grief pouvant imposer l'abandon définitif d'un projet de pôle muséal dans ce périmètre, ou à tout le moins du projet en sa forme actuelle, il est dès lors de l'intérêt des voisins recourants de le voir examiné.
4.2. Selon l'art. 10 al. 1 LPE, quiconque entend exploiter des installations qui, en cas d'événements extraordinaires, peuvent causer de graves dommages à l'homme ou à l'environnement, doit prendre les mesures propres à assurer la protection de la population et de l'environnement. Il y a notamment lieu de choisir un emplacement adéquat, de respecter les distances de sécurité nécessaires, de prendre des mesures techniques de sécurité, d'assurer la surveillance de l'installation et l'organisation du système d'alerte. Fondé notamment sur l'art. 10 al. 4 LPE, le Conseil fédéral a édicté l'OPAM. L'art. 5 OPAM impose au seul détenteur d'installations qui présentent par leurs caractéristiques des risques particuliers de fournir un rapport succinct. Le détenteur assume un devoir de sécurité générale qu'il lui appartient de respecter en tout temps en adaptant, si nécessaire, ses installations aux modifications qui interviennent dans les conditions d'exploitation ou de voisinage (cf. art. 3 et 5 al. 4 OPAM). L'art. 10 LPE ne constitue donc pas une base légale suffisante pour imposer des obligations aux voisins, fût-ce aux frais du détenteur de l'installation (arrêts 1C_403/2009 du 8 juin 2010 consid. 6.1; 1A.83/2006 du 1 er juin 2007 consid. 6.2; 1A.14/2005 du 8 août 2006 consid. 6 et 7 et les références citées). Le respect de distances ou périmètres de sécurité constitue un élément essentiel du régime de la protection contre les accidents majeurs (cf. art. 10 al. 1 2ème phrase LPE et annexe 2.1 let. a OPAM). Le maintien du risque à un niveau acceptable selon l'OPAM n'exige pas une inconstructibilité dans les périmètres de sécurité, voire la création d'un "no man's land" dans les périmètres d'influence de ces installations. En vertu du but de l'OPAM, le respect de ces périmètres implique que le risque représenté par une ou plusieurs installations dangereuses à l'intérieur de ces rayons soit maintenu à un niveau acceptable. Ce risque s'apprécie selon les circonstances concrètes. S'appuyant sur la doctrine, la jurisprudence considère ainsi que le respect des périmètres de sécurité devrait s'imposer tant aux détenteurs des installations dangereuses, aux autorités d'exécution et de planification qu'aux propriétaires voisins (arrêt 1C_403/2009 du 8 juin 2010 consid. 6.1; ISABELLE ROMY, Constructions et installations OPAM, commentaire des arrêts du Tribunal fédéral 1A.14/ 2005 et 1A.18/2005 du 8 août 2006 et 1A.83/2006 du 1 er juin 2007, in DC 2007 p. 110 ss).
Entré en vigueur le 1er avril 2013, l'art. 11a OPAM concrétise ce qui précède. Il prévoit que les cantons prennent en considération la prévention des accidents majeurs dans les plans directeurs et les plans d'affectation (al. 1). L'autorité d'exécution désigne, pour les entreprises, voies de communication et installations de transport par conduites, le domaine attenant où la réalisation de nouvelles constructions et installations peut conduire à une augmentation notable du risque (al. 2). Avant que l'autorité compétente décide d'une modification des plans directeurs ou des plans d'affectation dans un domaine selon l'al. 2, elle consulte l'autorité d'exécution pour l'évaluation du risque (al. 3). Si cette disposition ne permet pas d'exiger des autorités de planification d'exclure d'emblée, au voisinage des installations soumises à l'OPAM, toute nouvelle affectation susceptible de rendre le risque inacceptable, il incombe cependant à la collectivité publique de tenir compte de la prévention des accidents majeurs dans sa pesée globale des intérêts en termes d'aménagement du territoire et, partant, de la pérennité de l'installation présentant des risques, en particulier lorsqu'il existe un intérêt public à l'exploiter (ARE, OFEV, OFT, OFEN et OFROU, Coordination aménagement du territoire et prévention des accidents majeurs, mars 2013, ch. 2.1, p. 6-7).
4.3. La section relative à la protection contre les accidents majeurs du rapport 47 OAT suit la démarche prescrite par le guide de planification édité en mars 2009 conjointement par l'ARE, l'OFEV et l'OFT "Coordination aménagement du territoire et prévention des accidents majeurs le long des installations ferroviaires significatives sous l'angle des risques" , reprise dans le guide de 2013 précité. Aussi, après avoir constaté (étape 1) que le territoire considéré se situe à l'intérieur d'un périmètre de consultation (domaine attenant où la réalisation de nouvelles constructions et installations peut conduire à une augmentation notable du risque), l'autorité de planification a évalué la "significativité" du risque. En d'autres termes, elle a examiné si la nouvelle planification constituait un risque supplémentaire excessif pour la population (étapes 2 et 3). Pour ce faire, elle s'est basée sur les statistiques actuelles des visiteurs des trois musées, qui ont été quadruplées pour les projections du nombre de visiteurs du pôle muséal, et a retenu une moyenne de temps de visite de deux heures. Cette manière de faire n'est pas critiquable, ces projections étant même particulièrement optimistes par rapport aux chiffres actuels, comme l'a relevé la cour cantonale. Le nombre de personnes présentes simultanément sur le site a ainsi été évalué à un maximum de 360 personnes en journée, pendant les heures d'ouverture des musées, soit nettement moins encore la nuit. Cela équivaut à 1280 visiteurs par jour. Ce nombre peut être comparé aux 80'000 voyageurs qui transitent quotidiennement par la gare de Lausanne - une augmentation de 50 % étant au demeurant prévue pour 2020 (rapport 47 OAT, ch. 3.4.1, p. 40). Par une application des règles de pondération usuelles (tenant compte de la durée d'exposition du groupe considéré), il a été estimé que le nombre de personnes présentes sur le site serait inférieur au seuil d'augmentation significative du risque.
Malgré cette évaluation, et notamment en raison de la présence permanente des oeuvres d'art et, par conséquent, de potentiels importants dégâts matériels, les autorités cantonales ont fait mener une étude plus poussée de calcul des risques selon la méthode de screening utilisée pour l'évaluation des risques pour la population liés au transport ferroviaire de marchandises dangereuses sur l'ensemble du réseau suisse. Cette analyse, réalisée par le bureau B._, reprend les estimations du nombre de visiteurs faites par les autorités cantonales. Elle confirme la faible augmentation du risque du fait de l'implantation du pôle muséal le long des voies de chemin de fer. Elle conclut par ailleurs à un risque intermédiaire et propose plusieurs mesures en conséquence: éviter des bâtiments de grande hauteur, réaliser une enveloppe résistante au rayonnement thermique sur les faces Sud, Est et Ouest, organiser des chemins de fuite de manière à s'éloigner des CFF, mettre en place des systèmes de détection des sinistres et d'alarme, mettre en place un plan d'intervention en cas d'urgence et instruire un service de sécurité. Ces mesures sont toutes reprises dans le règlement du PAC. L'étude relève du reste qu'il est prévu que le mode de construction de la façade contiguë à la voie ferrée soit massif dans sa plus grande partie, offrant ainsi une bonne protection.
Dans ces circonstances, et au vu de la méthode d'évaluation du nombre de personnes présentes sur le site, l'utilisation de la salle de conférence projetée (300 places), à l'instar des manifestations ponctuelles, n'apparaît guère significative dans l'évaluation de l'augmentation du risque.
Il en va de même des passants dont le bref temps de présence sur le site rend la variation du risque négligeable entre le scenario avec et sans musée. Dans sa réponse, l'Etat de Vaud cite intégralement des déterminations du bureau B._. Les experts exposent que leur évaluation tient compte des personnes (riverains ou travailleurs) qui se trouvent dans un rayon de 2,5 km, ce qui correspond à la distance maximale à laquelle les effets d'un accident majeur se font ressentir. On peut relever à cet égard que cela représente un cercle qui va au-delà des rives du Lac vers le Sud et des frontières communales à l'Est et à l'Ouest. L'estimation des experts admet qu'une part de cette population se trouve en plein air selon le moment de la journée et le type de personnes. D'autres groupes de personnes ne sont pris en considération que s'ils sont associés à des objets d'importance parti-culière, ce qui n'est pas le cas des routes ou chemins, qui ne sont généralement pas susceptibles d'influencer les risques liés aux accidents majeurs dans une mesure déterminante. Cette explication est convaincante, d'autant que, selon le grief soulevé par les recourants, les personnes qui fréquenteraient les aménagements extérieurs sans visiter les musées emprunteraient un raccourci pour se rendre à la gare ou profiteraient du parc pour s'y délasser. Bon nombre de ces personnes seront des riverains ou travailleurs sis dans un rayon de 2,5 km et ont ainsi été pris en considération dans le calcul du risque. Quant à l'hypothèse formulée par les experts selon laquelle l'augmentation du nombre de ces riverains et travailleurs serait nulle entre 2012 et 2020, elle est acceptable vu le faible potentiel d'accroissement de la population au centre-ville.
Les périmètres d'implantation et gabarits des locaux du Musée de l'Elysée et du MUDAC étaient connus des experts, et les données sur lesquelles se base l'étude sont celles du plan mis à l'enquête. Les auteurs de l'étude de risque se sont donc prononcés en connaissance de cause. Ils savaient en particulier que le mode de construction et la répartition des locaux n'étaient pas encore définis, sans pour autant juger nécessaire de formuler des recommandations spécifiques à cet égard. En revanche, les mesures de sécurité citées plus haut sont applicables à ces bâtiments également, dont la limite des périmètres d'implantation est pourtant plus éloignée des voies que le MCBA, puisqu'elle est située à hauteur de certains bâtiments déjà existants, sis à l'Ouest du périmètre C du PAC. Il n'apparaît ainsi pas que les experts n'auraient pas tenu compte de ces deux bâtiments, qui, au contraire, sont soumis aux mêmes exigences de sécurité en dépit de leur position plus éloignée des rails.
Pour ce qui est de l'évolution prévisible du trafic de marchandises après 2020, les experts se réfèrent à l'estimation des CFF de l'ordre de 5 % d'augmentation du tonnage des marchandises transitant par le tronçon en cause et précisent que cela ne devrait pas avoir d'incidence significative sur les risques. L'OFEV s'appuie également sur ces chiffres et explique que l'accroissement des risques - difficile à évaluer en l'état - dépendra surtout du développement urbain. D'une part, la pérennité de l'exploitation de la ligne de chemin de fer n'est ainsi pas mise en cause et, d'autre part, l'accroissement du trafic ferroviaire des marchandises n'est pas de nature à modifier sensiblement le risque à moyen terme. La critique des recourants est donc infondée.
Enfin, s'agissant de la prise en considération de catastrophes de grande ampleur, l'expertise étudie le risque pour les trois substances représentatives de l'ensemble des marchandises dangereuses: l'essence (qui représente les liquides inflammables et dont l'effet principal est le dégagement de chaleur en cas d'incendie), le propane (qui représente les gaz liquides comprimés inflammables et dont les effets principaux sont le dégagement de chaleur ou l'onde de pression) et le chlore (qui représente les gaz liquides comprimés toxiques pour l'être humain lorsqu'ils sont inhalés et corrosifs pour les biens matériels). La méthode utilisée est la méthode dite "screening", qui est usuelle en la matière. L'OFEV confirme cette pratique et souligne que les risques encourus dans le secteur sont du domaine intermédiaire (soit entre les risques acceptables et inacceptables, de sorte qu'une pesée des intérêts doit être effectuée). Ainsi qu'on l'a vu, cette qualification du risque ne varie que très faiblement entre un scenario avec et sans musée. Il n'apparaît ainsi pas que le risque de catastrophes de grande ampleur ait été négligé. La critique des recourants, qui n'est pas précisément dirigée contre la teneur de l'expertise, ni contre l'appréciation qu'en fait la cour cantonale, est en réalité purement appellatoire et doit être rejetée.
En définitive, l'évaluation du risque ne prête pas flanc à la critique et les prescriptions de l'OPAM sont respectées.
4.4. Dans ce cadre, et pour les mêmes motifs, il n'y a pas eu violation du droit d'être entendus des recourants de la part de la cour cantonale qui a rejeté leur demande de contre-expertise. L'expertise au dossier se révèle en effet complète et fondée sur les méthodes usuelles et reconnues en matière de protection contre les accidents majeurs.
5.
Dans un deuxième grief de fond, les recourants dénoncent une violation des articles 1 et 3 LAT ainsi que des art. 2 al. 1 let. b et 3 OAT. Ils se plaignent d'un examen incomplet des variantes possibles au site choisi.
5.1. En vertu de l'art. 2 al. 1 let. b OAT, lors de la planification d'activités ayant des effets sur l'organisation du territoire, les autorités examinent en particulier, compte tenu du développement spatial souhaité, quelles possibilités et variantes de solution entrent en ligne de compte. Bien que certains choix de l'autorité soient guidés par une logique de l'action ou de l'opportunité, la concrétisation d'un projet doit quant à elle toujours s'inscrire dans un cadre juridique, qui peut impliquer une réflexion sur les variantes à envisager ( ANNE-CHRISTINE FAVRE, L'examen des variantes d'un projet en droit de l'aménagement du territoire et de l'environnement - Entre opportunité et légalité, in Mélanges Pierre Moor, Berne 2005, p. 691 s.). Le droit fédéral n'oblige toutefois pas, de façon générale, l'auteur du projet à élaborer des projets alternatifs et il n'exige de toute manière pas une analyse des variantes aussi détaillée que celle qui est faite pour le projet lui-même (arrêts 1C_109/2010 du 8 septembre 2010 consid. 4.2; 1C_330/2007 du 21 décembre 2007 consid. 9.4 et l'arrêt cité). L'examen de variantes doit être d'autant plus détaillé que des normes contraignantes protègent expressément des intérêts menacés par le projet, à l'instar de l'art. 3 de la loi fédérale du 1 er juillet 1966 sur la protection de la nature et du paysage (LPN; cf. ATF 137 II 266 consid. 4; arrêt 1C_648/2013 du 4 février 2014 consid. 4, in DEP 2014 p. 309). Il s'impose lorsque la législation exige un emplacement justifié par la destination du projet ( PETER KELLER, note sur l'arrêt 1C_648/2013, in DEP 2014 p. 309).
L'art. 3 al. 1 LPN prescrit aux autorités fédérales et cantonales, lorsqu'elles accomplissent une tâche fédérale, de ménager l'aspect caractéristique du paysage et des localités, les sites évocateurs du passé, les curiosités naturelles et les monuments historiques et, lorsque l'intérêt général prévaut, d'en préserver l'intégrité - cas échéant en renonçant à construire (al. 2 let. a in fine ). Ce devoir existe quelle que soit l'importance de l'objet, qu'il s'agisse d'un objet d'importance nationale, régionale ou locale (art. 3 al. 3 en relation avec l'art. 4 LPN). L'art. 3 LPN ne prévoit pas une protection absolue du paysage; une atteinte ne peut cependant se justifier qu'en présence d'intérêts publics prépondérants. Il y a dès lors lieu de procéder à une mise en balance de l'ensemble des intérêts publics et privés touchés par le projet litigieux, qui tienne compte du but assigné à la mesure de protection et de l'atteinte qui lui est portée (ATF 137 II 266 consid. 4 et les références; 124 II 146 consid. 5a p. 157; arrêt 1C_487/2012 du 13 mai 2013 consid. 10.1).
Même lorsqu'il dispose d'un plein pouvoir d'examen, le juge doit respecter la latitude de jugement dont dispose l'instance précédente dans le cadre d'une pesée des intérêts en présence. Il doit certes rectifier une décision erronée, mais peut s'en remettre au choix de l'autorité inférieure entre plusieurs solutions appropriées (ATF 136 I 184 consid. 2.2.1 p. 188).
5.2. En l'espèce, une analyse de variantes a été effectuée à deux étapes. Tout d'abord, les autres sites proposés pour la réalisation du musée cantonal ont fait l'objet d'une évaluation. Ensuite, les différents projets architecturaux présentés dans le cadre de la mise au concours, commentés et classés par un jury spécialisé, ont été comparés. Le projet retenu par les autorités de planification est celui qui avait été choisi par des experts, sur la base notamment de critères portant sur sa qualité architecturale. La critique des recourants relative à l'examen de variantes porte sur le choix du site: lorsque les variantes ont été examinées, en début de processus, il n'était pas question de démolir un bâtiment d'importance régionale ni de créer un pôle muséal regroupant trois musées.
Les recourants relèvent à juste titre qu'au stade du choix de l'emplacement, l'impératif de démolition d'un bâtiment d'importance régionale et la possibilité de loger trois musées au lieu d'un seul n'étaient pas encore évoqués pour le site litigieux. L'examen des variantes n'avait alors certes pas été effectué à la lumière de toutes les circonstances lors du choix initial du site. Une pleine appréciation en opportunité a toutefois eu lieu lors de l'examen des variantes de projets proposés dans le cadre de la mise au concours. A la valeur d'intérêt régional du bâtiment à démolir a alors été opposé un intérêt cantonal à la réalisation du musée, dont la qualité architecturale avait auparavant été soulignée par le jury du concours composé d'experts en la matière.
Enfin, lorsque l'autorité cantonale a adopté le plan, elle a statué sur des oppositions qui soulevaient le grief de l'examen de variantes. Elle a répondu à ce grief en connaissance tant des autres variantes proposées par le groupe chargé de l'étude des sites, que des éventuelles nouvelles contraintes que présentaient le site de la gare et le projet architectural sélectionné. Elle concédait qu'une comparaison des coûts entre l'emplacement de la gare et celui de la Place de la Riponne était impossible, faute d'étude élaborée pour ce second site, mais affirmait que d'importantes contraintes existeraient également pour le second: le site de la Riponne impliquerait la réalisation d'un bâtiment important sur un parking souterrain qui n'a pas été dimensionné pour le recevoir, et nécessiterait par conséquent un coûteux renforcement de sa structure. Le département cantonal a expressément relevé que son choix tenait compte de l'agrandissement futur de la gare, appelée à accueillir 40 millions de voyageurs par année dès 2020: ce développement devrait selon lui assurer au pôle muséal une position urbaine exceptionnelle en plein centre-ville. L'autorité cantonale a jugé l'accessibilité du site meilleure que celle de la Riponne, "certes bien desservie par le [métro], mais éloignée de la gare", et a considéré que le site retenu permettait de mettre en valeur une friche industrielle. Le département cantonal soulignait par ailleurs que le site choisi séduisait immédiatement par sa situation, au point d'entrée central de la ville; outre l'effet attracteur du développement à l'enseigne commerciale dans les gares, cet ensemble déploierait, dans sa partie ancienne, un peu "des charmes romantiques auxquels nos contemporains sont sensibles lorsqu'ils découvrent un espace industriel".
Au vu de ce qui précède, les recourants ne peuvent être suivis lorsqu'ils prétendent que l'examen des variantes aurait été incomplet. Le département cantonal, lors de son appréciation des nouvelles contraintes du site et du projet retenu dans le cadre de la mise au concours, a constaté que d'importantes contraintes grèveraient également le site de la Riponne, le second emplacement envisageable dans la capitale vaudoise. Il a dégagé les inconvénients et avantages du site choisi, mais également de celui de la Riponne. Celui-ci a été écarté sur la base de critères objectifs tels que sa situation dans la ville, son accessibilité ou les contraintes de nature technique ou architecturale qui se seraient imposées. Quant au site de la gare, outre son accessibilité, sa qualité urbanistique, même avec une démolition partielle de la halle litigieuse, a été relevée. Les recourants ne soutiennent pas que la planification par les autorités cantonales d'un musée d'importance cantonale constituerait une tâche de la Confédération au sens de l'art. 3 al. 1 LPN (sur cette notion: arrêt 1A.191/1998 consid. 2, in Pra 2000 n° 63 p. 380 et SJ 2000 I 129; arrêt 109/2006 consid. 1.5). La mesure touche certes des terrains appartenant aux CFF; à terme, elle implique la démolition d'un bâtiment dont ils sont propriétaires ainsi que l'affectation de certains espaces pour leur propre usage, en particulier la majorité du parking souterrain. Au vu des considérants qui précèdent, il apparaît que, en tout état de cause, un examen des variantes a eu lieu dans le respect des exigences du droit fédéral.
En résumé, le choix du site, même s'il peut déplaire à certains, a fait l'objet d'une pesée complète des intérêts, qui relèvent en grande partie de l'appréciation politique. Le planification litigieuse est dès lors conforme à l'art. 2 al. 1 let. b OAT.
6.
Les recourants se plaignent d'une violation de l'art. 2 al. 1 LAT et de leur droit d'être entendu au sens de l'art. 29 al. 2 Cst. Ils considèrent qu'au vu de son ampleur, le projet devait préalablement être intégré à la planification directrice cantonale.
6.1. L'art. 2 al. 1 LAT prescrit à la Confédération, aux cantons et aux communes d'établir des plans d'aménagement, pour celles de leurs tâches dont l'accomplissement a des effets sur l'organisation du territoire, en veillant à les faire concorder. Les "plans d'aménagement" englobent les plans directeurs des cantons, les études de base, conceptions et plans sectoriels de la Confédération ainsi que les plans d'affectation (DFJP/OFAT Etude relative à la loi fédérale sur l'aménagement du territoire, 1981, n. 3 ad art. 2). Cette disposition traite de l'obligation de planifier et non de la planification en tant que telle ( PIERRE TSCHANNEN, in Commentaire de la loi fédérale sur l'aménagement du territoire, n. 2 ad art. 2 LAT).
Pour garantir une gestion cohérente de l'espace dans sa globalité, le système suisse d'aménagement du territoire est organisé selon une construction pyramidale ("Stufenbau"), dans laquelle chacun des éléments (en particulier le plan directeur, le plan d'affectation et l'autorisation de construire) remplit une fonction spécifique. Les plans directeurs des cantons (art. 6 à 12 LAT) indiquent les moyens de coordonner les activités qui ont des effets sur l'organisation du territoire (art. 8 LAT). Les plans d'affectation (art. 14 ss LAT) règlent le mode d'utilisation du sol (art. 14 al. 1 LAT); ils devront donc concorder avec les plans directeurs (art. 2 al. 1 et 9 al. 1 LAT). Quant à la procédure d'autorisation de construire, elle a pour fonction de contrôler la conformité des projets aux normes de la zone concernée; elle concrétise le plan d'affectation de cas en cas. Les plans directeurs et les plans d'affectation se complètent: les premiers permettent de mettre en évidence les interdépendances en temps utile et dans toute leur ampleur; ils doivent montrer comment il faut faire concorder les activités qui influent sur l'organisation du territoire, au niveau national, régional et cantonal. Les seconds règlent le mode d'utilisation de chaque parcelle, de façon contraignante pour les propriétaires (ATF 137 II 254 consid. 3.1 p. 257). Le droit fédéral exige ainsi que, lors de l'accomplissement de tâches d'aménagement, l'instrument de planification ou de décision adéquat soit utilisé (ATF 140 II 262 consid. 2.3.1 p. 266).
La LAT laisse une importante marge de manoeuvre aux cantons dans la détermination du contenu de leurs plans directeurs (ATF 140 II 262 consid. 2.3.2 p. 267). Ceux-ci doivent au moins définir le cours que doit suivre l'aménagement du territoire et la façon de coordonner les activités qui ont des effets sur l'organisation du territoire afin d'atteindre le développement souhaité (art. 8 al. 1 let. a et b LAT). Le nouvel art. 8 al. 2 LAT précise désormais que les projets qui ont des incidences importantes sur le territoire doivent avoir été prévues dans le plan directeur. Celui-ci présente le développement spatial souhaité ainsi que, dans la mesure où ils ont une influence sensible en la matière, les résultats des études d'aménagement cantonales et de la collaboration du canton avec la Confédération, les cantons voisins et les régions limitrophes des pays voisins; il détermine l'orientation future de la planification et précise notamment les exigences à respecter lors de l'affectation du sol (art. 5 al. 1 OAT). A cet effet, le plan directeur traite des questions d'importance cantonale ou supracommunale ou qui nécessitent une coordination importante. Relèvent notamment du plan directeur les conflits importants entre différents intérêts relatifs à l'utilisation du sol et les projets déployant des effets considérables sur l'occupation du territoire, l'utilisation du sol ou l'environnement ou nécessitant un effort de coordination. La planification directrice a ainsi pour objet la coordination globale de toutes les activités à incidence spatiale et elle seule est en mesure de traiter de tâches d'aménagement qui s'étendent au-delà du niveau local et concernent plusieurs domaines (ATF 137 II 254 consid. 3.2 p. 258).
Dans sa jurisprudence, le Tribunal fédéral s'est le plus souvent limité à l'impact spatial d'un projet pour déterminer s'il devait être prévu par le plan directeur. Cette pratique a été précisée à l'ATF 137 II 254, où il a été relevé que l'élément décisif à prendre en considération est de savoir si le projet nécessite un examen global et complet qui ne peut être garanti que par un processus d'élaboration du plan directeur (ATF 137 II 254 consid. 3.3 p. 260). Il a ainsi été jugé qu'un plan directeur qui ne prévoyait pas le lieu d'implantation et l'étendue d'un circuit automobile occupant plus de quinze hectares était incomplet. Dans une affaire plus récente, le Tribunal fédéral a en revanche considéré qu'il était possible de prévoir la construction d'une petite centrale hydraulique qui ne figurait pas dans le plan directeur; quand bien même le site se trouvait dans une zone de protection du paysage d'importance cantonale, le projet n'impliquait pas une coordination d'envergure qui aurait pu n'être réalisée que par le biais d'un plan directeur, une pesée complète des intérêts pouvant être effectuée dans le cadre de l'octroi de la concession (ATF 140 II 262 consid. 2.3.4 p. 268 s.).
6.2. Le projet de pôle muséal occupe un périmètre qui s'étend sur 21'000 m2; on est ainsi loin des quinze hectares du circuit automobile précité. Le projet est situé en plein centre-ville, dans un secteur déjà actuellement constructible, affecté en zone mixte de forte densité. En l'absence du projet litigieux, si un développement ordinaire se poursuivait conformément à la planification directrice en vigueur, les terrains concernés seraient vraisemblablement destinés à du logement, à des activités du secteur tertiaire et, sur les portions proches des voies, à des activités des CFF. Au vu, notamment, de l'estimation de 1'200 visiteurs journaliers, de l'absence de création d'un parking public, de l'ampleur des dessertes de transports publics déjà existantes (dont la gare de Lausanne où transitent 80'000 personnes par jour), il n'apparaît pas que le projet litigieux ait une incidence spatiale réellement différente de ce que prévoit le plan directeur cantonal, ni ne génère des nuisances qu'il faille évaluer à l'échelon cantonal ou régional. L'activité à laquelle le secteur sera nouvellement voué est douce. Elle ne s'écarte pas de la planification actuelle au point de nécessiter une modification du plan directeur. On ne voit par ailleurs pas où se situe un besoin particulier de coordination. Les recourants n'exposent pas en quoi le plan litigieux ne serait pas conforme au plan directeur cantonal. Ils se contentent de citer de manière abstraite des problèmes de trafic, accès, stationnement, sécurité et nuisances sonores, sans les rattacher au plan d'affectation lui-même. Leur argumentation est ainsi purement appellatoire et doit être rejetée.
L'arrêt attaqué relève la conformité des bâtiments projetés avec le plan général d'affectation, constate que le projet n'a pas d'effets importants sur l'organisation du territoire, ni n'implique d'immissions importantes et, compte tenu du recours aux transports publics, ne générera pas un fort trafic. Ces motifs sont explicites, de sorte qu'ils n'ont pas à être développés outre mesure. La motivation de l'arrêt attaqué est parfaitement compréhensible et il n'y a dès lors pas de violation du droit d'être entendus des recourants.
7.
Il résulte de ce qui précède que le recours doit être rejeté et l'arrêt cantonal confirmé. Les recourants, qui succombent, supporteront les frais de justice (art. 66 al. 1 LTF). L'Etat de Vaud, qui obtient gain de cause dans l'exercice de ses attributions officielles, n'a pas droit à des dépens (art. 68 al. 3 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce :
1.
Le recours est rejeté.
2.
Les frais judiciaires, arrêtés à 5'000 francs, sont mis à la charge des recourants, solidairement entre eux.
3.
Le présent arrêt est communiqué aux mandataires des recourants et de l'Etat de Vaud, à la Municipalité de Lausanne, aux Chemins de fer fédéraux SA (CFF), au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour de droit administratif et public, et à l'Office fédéral de l'environnement, Division Droit.
Lausanne, le 8 octobre 2014
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Juge présidant : Merkli
La Greffière : Sidi-Ali