Hypothèse d’une information sur le sensible à l’aide des documents graphiques. introduction 

STOCKAGE SOUTERRAIN DE DECHETS RADIOACTIFS

Problématique

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 desûreté que devra remplir un éventuel site de stockage de déchets radioactifs. Ceux-ci ont fourniles bases de conception dustockage, 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 uniquede 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, …).
Pour atteindre cet objectif, le système de confinement en formation géologique profond a été défini, constitué de trois barrières successives :
1. les colis de déchets, constitué d’une matrice, d’un conteneur et d’un surconteneur,
2. les barrières ouvragées,
3. la barrière géologique.
Ce concept multibarrières est motivé par un principe de précaution en cas de défaillance d’une des barrières. De plus, ces barrières ont des rôles complémentaires, le massif devant a priori assurer le confinement à long terme (néanmoins, les deux autres barrières devront être conçues pour être aussi efficaces et durables que possibles, compte tenu de leurs rôles mais aussi de l’état des connaissances techniques et des facteurs économiques). Globalement, ces barrières auront pour fonctions :
1. de protéger les déchets (de l’eau, des actions humaines intrusives),
2. de retarder, pendant le délai nécessaire à une décroissance radioactive suffisante des radionucléides concernés, le transfert vers la biosphère des substances radioactives éventuellement relâchées par les déchets.

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. Unpuits 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).

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 pourcombler 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 etde limiter le retour éventuel dans la biosphère des radionucléides, pour que les critères radiologiques derayonnement 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 faiblementperméables (granite peu fissuré, argile, ..).
A ce critère de nature hydrogéologique serajoute un critère lié à la notion de sitede 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.

Les étapes du choix

Vers le choix d’un site, la première étape est la reconnaissance d’un site, faisant intervenir plusieurs disciplines des géosciences : géologie, hydrogéologie, géomécanique et géochimie. Cette étape doit permettre de proposer une représentation du fonctionnement initial du milieu géologique.
La deuxième étape consiste en la construction d’un laboratoire souterrain, permettant l’approfondissement des connaissances par laréalisation d’essais en place (in situ).
La troisième étape consiste en l’extrapolation des connaissances acquises à l’emprise du stockage.
Le problème de l’enfouissement a ceci d’original que la sûreté du stockage doit être assurée sur des durées plus longues, de plusieurs ordres de grandeur, que les plus longs essais envisageables. Un ordre de grandeur des durées concernées est 10 années, beaucoup plus donc que la durée de vie des ouvrages humains les plus anciens. La preuve de lafaisabilité d’un stockage passe ainsi forcément par la modélisation numérique.
En géomécanique, par exemple, les trois phases ci-dessus correspondent aux trois axes majeurs de recherche, caractérisés par les essais de laboratoire, les essais in situ et la modélisation. Naturellement, les itérations sont nécessaires entre ces différentes phases, pour caractériser de plus en plus  finementles phénomènes observés et réussir à capter peut-être les phénomènes très lents peu accessiblesparl’expérience seule.

Les sites favorables

Pour ce qui concerne la roche hôte du site, il est clair que l’objectif de sûreté se traduit par le choix d’un massif présentant une très faible perméabilité ainsi qu’un très faible gradient de charge hydraulique, puisque le principal vecteur de transport des radionucléides est l’eau contenue dans le massif. A ce critère de nature hydrogéologique se rajoute un critère lié à la notion de sitede 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.
Le critère de sûreté a conduit à la recherche de sites dans lesquels la circulation de l’eau est la plus faible. En 1987, quatre sites avaient été retenus, correspondant à quatre milieux distincts : l’argile, le granite, le sel gemme et le schiste, qui possèdent a priori des propriétés intéressantes eu égard de la circulation des eaux souterraines (Bérest, 1989).
Aujourd’hui, un site a été choisi, dans une couche argileuse située dans l’est du Bassin Parisien.
L’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra) a entamé sur place les travaux de creusement du laboratoire de recherche souterrain. L’Andra est censée trouver un deuxième site, dans un milieu distinct (a priori le granite).
Nous allons présenter, succinctement, les avantages et inconvénients de chacune des roches sus citées, hormis du schiste pour lequel nous ne possédons pas d’informations (et qui ne semble étudié par aucun des pays concernés par l’enfouissement de déchets).

Le sel gemme

Le sel gemme est très répandu dans le sous-sol. Son exploitation, de très longue date, pour les besoins de l’alimentation, de l’industrie chimique, pour le déneigement des routes ou encore pour réaliser les stockages souterrains de gaz et de pétrole, font qu’on dispose pour ce milieu d’une très grande expérience de réalisation d’ouvrages souterrains profonds. Même si un enfouissement de déchets se distingue d’un ouvrage minier classique, le volume considérable de connaissances acquises est un atout certain. Le sel gemme est un des milieux d’accueil envisagés par l’Allemagne.
Du point de vue de la circulation, c’est, à première vue, extrêmement simple dans le cas du sel gemme : celui-ci est fortement soluble, et l’existence même d’un gisement conservé depuis des millions d’années signifie que l’eau ne circule pas.
En réalité, le sel gemme contient de l’eau sous forme de saumure, contenue aux interfaces entre les grains et dans des vacuoles au sein des cristaux (Bérest, 1989). Cette saumure peut se déplacer par des mécanismes lents, généralement accompagnés de dissolution-recristallisation. Des essais de laboratoire et in situ permettent par ailleurs d’affirmer que le sel gemme est perméable au gaz et à la saumure (Cosenza, 1996), ce qui remet en question l’ « imperméabilité » du sel. Cette perméabilité semble toutefois être inférieure à 10 -20 m 2.
L’étanchéité du site doit être conservée lors du creusement des ouvrages, puis pendant plusieurs dizaines de milliers d’années. La réalisation des ouvrages dans le sel, nous l’avons dit, ne devrait pas poser de problème. En revanche, la phase thermique nécessite une attention toute particulière. Le sel gemme est généralement fortement viscoplastique, et la vitesse de fluage peut être multipliée par cent entre 20°C et 100°C. Les problèmes apparaîtront certainement dans la phase de refroidissement (Bérest, 1989), car ce dernier, s’il est trop rapide, est susceptible, en raison du comportement irréversible de la roche, de générer des tractions, et donc des discontinuités puisque les roches résistent mal à la traction.
Le sel gemme présente par ailleurs l’avantagede posséder une conductivité thermique élevée, favorable à une bonne dissipation de la chaleur dégagée par les conteneurs.

Le granite 

Les principaux avantages d’une telle solution sont liés à des caractéristiques mécaniques très élevées du granite, et à son imperméabilité. Cela est vrai pour du granite sain. Généralement, le granite est une roche fissurée : ce matériau, très fragile, n’a pas la capacité à récupérer d’éventuelles déformations d’origine tectonique.
L’Andra envisage, nous l’avons dit, de porter son attention sur les roches granitiques pour le choix éventuel d’un deuxième site. Depuis une dizaine d’années, de nombreuses études ont montré l’attention toute particulière à porter sur le caractère fracturé de ces milieux.

L’argile

L’argile fait partie des milieux potentiellement favorables. D’abord, les matériaux argileux possèdent des perméabilités très faibles. De plus, on leur attribue de bonnes capacités de rétention des radioéléments, ce qui est considéré comme un atout enterme de sûreté. Enfin, une dernière propriété des argiles, mécanique cette fois, est tout a fait essentielle pour atteindre les objectifs de sûreté à long terme : c’est leur plasticité, qui permettra, on l’espère, la fermeture des cavités de stockage et des éventuelles fractures créées par les ouvrages et l’échauffement.
Mais les argiles ont également des propriétés jugées défavorables. En comparaison du sel gemme ou du granite, leur résistance mécanique est jugée faible. En supposant que l’on puisse mettre en œuvre des techniques connues pour construire des ouvrages de stockage souterrain à un coût raisonnable, il faut ensuite garantir la stabilitéde ces ouvrages pendant des dizaines d’années, et l’étanchéité pendant des milliers d’années.
En France, le choix s’est porté sur une roche argileuse. Il en est de même en Belgique. Ces deux argiles sont radicalement différentes. Nous les étudions dans le cadre de cette thèse.

L’argile dans le stockage

Le milieu géologique

L’intérêt de l’argile a été rapidement mis enévidence par certains pays européens qui possèdent dans leur sous-sol des formations argileuses depuissance suffisante (Belgique, Italie et France).
En France, l’Andra étudie actuellement de manière active une couche argileuse du CallovoOxfordien située dans la Meuse. Un décret du 3 août1999 a autorisé dans cette formation l’installation et l’exploitation d’un laboratoire de recherche souterrain (figure I-1).

Les barrières ouvragées

La barrière ouvragée (B.O., ou B.O.V. pour « de voisinage ») jouera un rôle prépondérant de par sa position même : celui d’interface entre les colis et lemassif. C’est le dernier rempart avant le milieu géologique.
Le choix du matériau constitutif de la B.O.sera donc fait conformément à des critères très rigoureux, qui sont typiquement susceptibles d’êtrerespectés avec une argile : très faible perméabilité, bonnes capacités de colmatage, capacités de rétention des radionucléides, mais aussi bonne conductivité thermique pour éviter les forts gradients de température.
L’intérêt de certaines argiles, en plus de leur propriétés plastiques, réside dans ce qu’on appelle leur aptitude au gonflement. Ce gonflement permettra, on l’espère , le comblement des vides mais aussi un retour plus rapide vers un état mécanique du site similaire à celui avant creusement des ouvrages (annulation des écarts entre les contraintes principales).
Signalons néanmoins que certaines B.O. seront sans doute réalisées en béton. Le choix d’une B.O. en argile gonflante est pressenti pour les déchets fortement exothermiques, pour lesquels on craint une perte des propriétés des bétons en cas d’échauffement trop fort (les bétons à hautes performances(B.H.P.) sont coûteux…). Les B.O. argileuses auront de plus pour fonction de limiter l’arrivée d’eau vers les colis et donc la lixiviation de ces derniers.
En cas de B.O. argileuse, celle-ci sera constituée de blocs qui seront assemblés dans les galeries de stockage (figure I-2). Les colis seront ensuite introduits au centre, mécaniquement. Une tentative de mise en place des colis a été faite par les Belges (par le GIE EURIDICE en charge du creusement dulaboratoire souterrain à Mol).

Table des matières
TABLE DES MATIERES 
LISTE DES TABLEAUX 
LISTE DES FIGURES
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
CHAPITRE VI APPLICATIONS NUMERIQUES
VI.1 INTRODUCTION
VI.2 LE CODE DE CALCUL ANTHYC
VI.2.1 Les Volumes Finis dans Anthyc
VI.2.2 Possibilités du code
VI.2.3 Conclusion
VI.3 GONFLEMENT D’UNE B.O.EN ARGILE GONFLANTE
VI.3.1 Matériaux
VI.3.2 Géométrie et maillage
VI.3.3 Phasage des calculs, conditions initiales et aux limites
VI.3.4 Etude
VI.3.5 Calcul en poroélasticité (non linéaire)
VI.3.6 Prise en compte de la chimie – massif élastique
VI.3.7 Endommagement du massif : plasticité parfaite
VI.3.8 Massif viscoplastique
VI.4 CAS D’UN MASSIF EN RUPTURE
VI.4.1 Loi de comportement du massif
VI.4.2 Creusement
VI.4.3 Evolution avant la date t=10 ans
VI.4.4 Evolution après la date t=10 ans
VI.5 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
SELECTION BIBLIOGRAPHIQUE 
ANNEXE A 
ANNEXE B 
ANNEXE C 
ANNEXE D 
ANNEXE E 

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