Stockage souterrain de dechets radioactifs

Le problème de la gestion à long terme des déchets radioactifs à haute activité, qui concerne l’ensemble des pays industriels qui se sont dotés de moyens de production d’électricité nucléaire (mais le même problème se pose pour les déchets nucléaires militaires), se caractérise par la nécessité d’assurer un confinement suffisant de la radioactivité produite par ces déchets pendant une très longue période (typiquement cent mille à un million d’années). La solution retenue par tous ces pays est l’enfouissement dans des couches géologiques profondes. Parfois (c’est le cas en France), d’autres solutions sont étudiées en parallèle, qui sont plus destinées à réduire le volume de ces déchets (cas des recherches sur la transmutation), ou à stocker temporairement en surface ou sub-surface (par exemple le temps nécessaire pour que décroisse notablement la chaleur dégagée par les déchets), qu’à réellement remplacer le stockage définitif en profondeur.

L’enfouissement des déchets radioactifs à haute activité en formation géologique profonde est envisagé depuis une vingtaine d’années en France pour assurer un objectif précis : la protection de l’homme et de l’environnement à court et à long terme, en prenant en considération les droits des générations futures. De cet objectif, appelé « objectif fondamental de sûreté » d’un stockage souterrain, découle un certain nombre de critères de sûreté que devra remplir un éventuel site de stockage de déchets radioactifs. Ceux-ci ont fourni les bases de conception du stockage, ainsi que la méthodologie qu’il faudra suivre pour faire la démonstration de la sûreté du stockage. Nous détaillerons ces aspects plus tard.

Le stockage souterrain de déchets radioactifs a donc pour but unique de confiner la radioactivité, c’est-à-dire interdire ou limiter, à un niveau suffisamment faible pour que ses conséquences soient acceptables, le transfert des matières radioactives vers l’environnement. Ici, on entend par « conséquences acceptables » des expositions aux rayonnements ionisants inférieures à des limites définies par la réglementation en vigueur : dans l’hypothèse d’une évolution sans accident, la limite est fixée à une fraction (un sixième) de l’exposition moyenne annuelle d’un individu par due à la radioactivité naturelle ; dans l’hypothèse d’évènements aléatoires, le caractère acceptable des expositions individuelles sera apprécié au cas par cas selon les situations envisagées (séisme, forage intrusif, …).

Le concept de stockage souterrain

Site de stockage souterrain 

On prévoit que les architectures de stockage seront situées à des profondeurs allant de 200m à 1000m : en deçà, ce serait trop dangereux pour l’homme et l’environnement, et au delà on ne sait pas assurer la faisabilité à des coûts non prohibitifs ; en France, on préfère restreindre les bornes à [400m,700m]. Ces installations seront constituées par exemple d’un réseau de galeries, dites d’accès et de manutention, desservant des séries de puits verticaux ou de galeries horizontales dans lesquel(le)s seront disposé(e)s les déchets. L’extension horizontale d’un stockage pourra être de quelques kilomètres carrés. On accèdera à ces structures au moyen de puits verticaux. On préfère en limiter le nombre, même si le stockage sera assez étendu, de peur que ces puits ne constituent des chemins préférentiels pour la remontée des radionucléides. Un puits supplémentaire sera sans doute prévu pour l’aérage des galeries, important pendant toute la phase d’exploitation.

Les structures de stockage seront sans doute découpées en différents modules. Les modules pourront par exemple être distingués entre eux par la nature des déchets qui y seront stockés. En France, par exemple, il est sans doute prévu de séparer les déchets (parmi ceux à vie longue) selon plusieurs types :
− Les déchets faiblement exothermiques (déchets B),
− Les combustibles usés (UOX,MOX, …),
− Les déchets C, issus de la vitrification des combustibles usés,
− Les déchets issus du retraitement (URE, combustibles à l’Uranium de REtraitement).

On distingue généralement deux phases dans la vie du site, de durée complètement inégales. La première est la phase de réalisation et d’exploitation des ouvrages. Elle comprend d’abord le creusement proprement dit des puits, des galeries d’accès et de manutention, et des alvéoles de stockage, avec mise en place progressive d’un soutènement adapté. Puis il y aura la mise en place des colis, qui se fera peut-être en parallèle avec la poursuite du creusement. Ensuite, on fermera les galeries ou puits de stockage, mais il devrait subsister une activité de contrôle, donc les galeries de manutention seront encore accessible. Cette première phase durera vraisemblablement quelques dizaines d’années, peut-être jusqu’à cent ou deux cents ans. Elle sera suivie d’un remblayage intégral des galeries et puits d’accès. Vient alors la deuxième phase (l’isolement des substances radioactives), que l’on veut assurer pendant plus de cent mille ans.

Le système de confinement 

Il faudra que le stockage ainsi conçu et réalisé permette l’isolement des déchets en retardant le transfert vers la biosphère des substances radioactives éventuellement relâchées par les déchets. Le confinement des déchets sera assuré par trois barrières successives, qui auront un rôle a priori complémentaire mais dont le nombre permettra de minimiser les risques en cas de défaillance de l’une d’elles. Dans l’ordre depuis les déchets jusqu’à la biosphère, ces barrières sont :
− les colis de déchets,
− les barrières ouvragées qui seront mises en place pour combler les vides entre les colis et les parois internes des puits ou tunnels de stockage,
− le milieu géologique.

Le scénario le plus probable d’évolution sera d’abord la dissolution des colis de déchets, puis le transport des radionucléides, relâchés par les déchets ou générés par décroissance radioactive, dans la barrière ouvragée puis dans les eaux souterraines. C’est ce transport qu’il faut ralentir.

Vers le choix d’un site 

Les critères de choix 

Le rôle de la barrière géologique est de retarder et de limiter le retour éventuel dans la biosphère des radionucléides, pour que les critères radiologiques de rayonnement soient satisfaits à tout instant. Il est admis que la circulation des eaux souterraines était le facteur essentiel susceptible de remettre en cause le freinage du transfert des radionucléides libérés par les déchets enfouis dans le sous-sol. Le premier critère de choix de la « roche hôte » sera donc lié à la prévision que l’on peut faire des mouvements d’eau au sein de celle-ci au cours du temps. Il restreint le choix du milieu à des roches pratiquement anhydres (sel gemme) ou faiblement perméables (granite peu fissuré, argile, ..).

A ce critère de nature hydrogéologique se rajoute un critère lié à la notion de site de stockage : il faudra démontrer que le massif est stable des points de vue géologique et tectonique, et que les architectures de stockage sont économiquement réalisables, ce qui fait intervenir les caractéristiques mécaniques propres de la roche concernée.

L’étanchéité doit être assurée sur plusieurs dizaines de milliers d’années. Il faut pouvoir garantir que les qualités initiales de la roche, vis-à-vis du critère de sûreté, ne seront pas dégradées par les ouvrages et le stockage, ou alors que la roche possède des atouts pour retrouver ses propriétés jugées intéressantes. Les roches plastiques sont alors privilégiées : on espère que le fluage permettra une fermeture des fissures créées par exemple par les ouvrages et le stockage.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I STOCKAGE SOUTERRAIN DE DECHETS RADIOACTIFS
I.1 PROBLEMATIQUE
I.2 LE CONCEPT DE STOCKAGE SOUTERRAIN
I.2.1 Site de stockage souterrain
I.2.2 Le système de confinement
I.3 VERS LE CHOIX D’UN SITE
I.3.1 Les critères de choix
I.3.2 Les étapes du choix
I.3.3 Les sites favorables
I.4 L’ARGILE DANS LE STOCKAGE
I.4.1 Le milieu géologique
I.4.2 Les barrières ouvragées
I.5 CONCLUSION
CHAPITRE II LES ARGILES
II.1 PRESENTATION
II.2 MICROSTRUCTURE ET INTERACTION AVEC L’EAU
II.2.1 Microstructure des argiles
II.2.2 L’interaction eau-argile
II.3 PROPRIETES MACROSCOPIQUES
II.3.1 Argiles tendres et argiles raides
II.3.2 Propriétés mécaniques caractéristiques des argiles
II.3.3 L’argile en tant que milieu poreux
II.3.4 Gonflement, retrait et dessiccation
II.3.5 Conclusion
CHAPITRE III MODELES DE COMPORTEMENT THM DES ARGILES
III.1 INTRODUCTION
III.2 HYPOTHESES
III.3 EQUATION D’EQUILIBRE MECANIQUE
III.4 ELASTICITE
III.4.1 Loi de comportement élastique
III.4.2 Poroélasticité
III.4.3 Loi de comportement et paramètres poroélastiques
III.5 COMPORTEMENT IRREVERSIBLE INSTANTANE DES ARGILES
III.5.1 Notations
III.5.2 Modèles d’élastoplasticité pour les argiles plastiques
III.5.3 Endommagement et rupture des argiles raides
III.6 COMPORTEMENT DIFFERE : VISCOPLASTICITE
III.7 PHENOMENES THERMIQUES
III.8 ASPECTS HYDRAULIQUES
III.8.1 Diffusion de fluide en milieu poreux saturé
III.8.2 Transport
III.9 ARGILITES DE L’EST
III.9.1 Caractéristiques poroélastiques des argilites
III.9.2 Endommagement et rupture
III.9.3 Comportement différé
III.10 ARGILE DE BOOM
III.10.1 Modèle de Rousset
III.10.2 Modèle du SCK/CEN
III.11 ARGILE REMANIEE POUR BARRIERES OUVRAGEES
III.11.1 Objectif
III.11.2 Difficultés
III.11.3 Modèle « ingénieur »
III.12 CONCLUSION
CHAPITRE IV GONFLEMENT DES ARGILES
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 ARGILES ET CONTRAINTES EFFECTIVES
IV.2.1 Mise en évidence du phénomène de gonflement-retrait
IV.2.2 Gonflement et pression osmotique
IV.2.3 Le gonflement selon la théorie de la double couche diffuse (DCD)
IV.2.4 Forces de répulsion et d’attraction
IV.2.5 Gonflement et réorganisation
IV.2.6 Gonflement libre et pression de gonflement
IV.3 MODELE PROPOSE
IV.3.1 Choix d’un modèle « utilisable »
IV.3.2 Théorie de la double couche
IV.3.3 Cas de feuillets parallèles : potentiel et pression de gonflement
IV.3.4 Loi de gonflement microscopique
IV.3.5 Passage micro-macro
IV.3.6 Contrainte effective
IV.3.7 Loi de comportement macroscopique
IV.4 CONCLUSION
CHAPITRE V PROBLEMATIQUE DU TRANSFERT
V.1 LES TRANSFERTS POSSIBLES
V.2 PRECISIONS SUR LE PROBLEME POSE
V.3 DIFFICULTE THEORIQUE
V.4 DEMARCHE THERMODYNAMIQUE GENERALE
V.5 CINEMATIQUE ET OUTILS MATHEMATIQUES
V.6 PREMIERE APPROCHE : LA « THERMODYNAMIQUE DES MILIEUX POREUX»
V.6.1 Présentation
V.6.2 Obtention d’un système fermé
V.6.3 Formulation rattachée au squelette
V.6.4 Démarche thermodynamique
V.6.5 Intervention de la mécanique pour le calcul de Pext
V.6.6 Application des deux principes thermodynamiques
V.6.7 Inégalité de Clausius-Duhem
V.7 DEUXIEME APPROCHE : LA THEORIE DES MELANGES
V.7.1 Démarche thermodynamique
V.7.2 Vitesse barycentrique et extension du premier principe de la thermodynamique
V.7.3 Application du premier principe et approximations
V.7.4 Relation de Gibbs et second principe de la thermodynamique
V.7.5 Remarque
V.8 DISCUSSION ET MODELE PROPOSE
V.8.1 Comparaison des formules
V.8.2 Discussion
V.8.3 Modèle proposé
V.8.4 Conséquences
V.8.5 Relations phénoménologiques
V.8.6 Principe d’aboutissement aux lois de transport
CONCLUSION GENERALE

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