La conception d'un stockage souterrain

Le laboratoire souterrain : un outil unique

C'est dans la Meuse, sur la commune de Bure, que l'Andra a construit un laboratoire souterrain, à environ 500 mètres de profondeur. C’est là notamment que sont menées les études sur le stockage profond des déchets les plus radioactifs. Implanté dans une roche argileuse vieille de 160 millions d’années. Son réseau de galeries souterraines permet aux scientifiques d’observer et d’étudier directement, et en temps réel, le milieu géologique et de tester les solutions industrielles qui pourraient être utilisées dans le futur stockage profond s'il était autorisé. 

500 mètres sous terre

Le site du Laboratoire souterrain s’étend sur un terrain de 17 hectares. À la surface, il comprend des bâtiments techniques et administratifs, l'accès aux deux puits ainsi qu’un bâtiment dédié à l’accueil du public. Une aire est réservée aux terres et déblais extraits lors du creusement des installations souterraines.

Le Laboratoire souterrain est composé de :

• deux puits de 4 et 5 mètres de diamètre intérieur. Assurant la liaison entre la surface et les galeries souterraines, ils permettent le transport du personnel et du matériel, l’évacuation des gravats issus du creusement et la ventilation des installations souterraines,
• une galerie expérimentale située à 445 mètres de profondeur,
• un réseau de galeries situé à 490 mètres de profondeur

Un réseau expérimental de près de 1 200 mètres

Grâce au Laboratoire souterrain, les scientifiques et les techniciens disposent d'un outil unique pour :

• mener des expérimentations scientifiques sur les caractéristiques de la roche,
• effectuer des essais technologiques des moyens envisagés pour la conception du stockage.

Destiné aux études sur le stockage profond, le Laboratoire souterrain de l'Andra ne contient pas de déchets radioactifs. Conformément à la loi, aucun déchet n'y sera jamais stocké !

Le Laboratoire souterrain en chiffres

• 335 personnes y travaillent
• 3 200 capteurs installés dans la roche
• 33 km de carottes (échantillons de roche cylindriques) prélevés
• 43 600 échantillons de roches prélevés
• 1 700 mètres de galeries souterraines

 

Connaître le milieu géologique

Grâce notamment au Laboratoire souterrain, les scientifiques de l’Andra mènent, en collaboration avec de nombreux partenaires français et internationaux, des expérimentations directement au cœur de la roche, afin de mieux connaître ses propriétés.

Deux objectifs :

• Confirmer les capacités de confinement de la roche argileuse dans laquelle serait implanté le stockage ;
• Vérifier en vraie grandeur les données acquises à partir d’échantillons sur ses caractéristiques mécaniques, thermiques, géochimiques et hydrauliques.

 

Les eaux souterraines

Les analyses de l’eau contenue dans la roche sont nécessaires car avec le temps, celle-ci va peu à peu dégrader chimiquement les colis de déchets (corrosion des conteneurs métalliques, dissolution des verres...), permettant le relâchement des substances radioactives.

Les études portent sur :

• la composition chimique de l’eau souterraine et sa capacité à dissoudre les éléments chimiques,
• les mouvements de l’eau et la façon dont les éléments qui y sont dissous se déplacent au sein de la roche.

Les roches argileuses choisies pour le stockage souterrain contiennent une très faible quantité d’eau. Celle-ci est présente dans les pores, espaces formés entre les minéraux. Environ la moitié de cette eau est fortement liée à la paroi des pores et donc immobile. Le mouvement de l’eau dans ce type de roche est donc très faible, de l'ordre de quelques mètres en 1 millions d'années.

Une roche capable de retenir les substances radioactives

Une fois relâchées par les colis dégradés, les substances contenues dans les déchets vont se dissoudre dans l’eau de la roche. Les roches argileuses présentent une faible perméabilité et de fortes capacités de rétention chimique des éléments. Ces propriétés permettent de retarder ou de limiter la dispersion, dans le milieu géologique, des substances radioactives présentes dans les déchets.

Les mesures de diffusion effectuées ont pour but d’estimer le temps de parcours des substances chimiques et radioactives jusqu’à la surface dans la roche argileuse. Réalisées à l’aide d’une solution contenant de très faibles quantités de substances chimiques ou radioactives, injectée dans la roche, elles ont démontré que les substances radioactives se déplacent très lentement. En effet, comme les mouvements de l'eau sont très faibles dans l'argile, elles ne se déplacent que par simple différence de concentration comme le sachet de thé qui se dissout dans l’eau.

Une roche en mouvement

Limiter les perturbations du milieu géologique

Le milieu géologique joue un rôle essentiel dans le principe de stockage de déchets radioactifs. L’implantation d’un centre engendre des perturbations qu’il faut limiter au maximum afin de préserver au mieux les propriétés favorables de la roche qui accueille ces centres.

Objectif : limiter les perturbations

Les scientifiques étudient les réactions de la roche aux perturbations que provoquera la réalisation d'un stockage, notamment son creusement, l'introduction de matériaux étrangers ou encore son échauffement, afin d'en évaluer les conséquences sur les propriétés de la roche et de les limiter si nécessaire. De nombreuses expérimentations et essais sont ainsi réalisés pour connaître les mécanismes et l'évolution de ces perturbations.

Dissiper la chaleur dégagée par les déchets

Certains déchets, hautement radioactifs, dégagent une forte chaleur. Une fois les colis stockés, cette chaleur se diffusera petit à petit depuis les ouvrages de stockage jusque dans le milieu géologique, entraînant une augmentation temporaire de la température de la couche argileuse.

De nombreuses expérimentations ont été réalisées par l’Andra pour analyser le comportement de la roche et l’évolution de ses propriétés lorsqu’elle est perturbée par une source de chaleur extérieure. Des sondes chauffantes, de différentes puissances, ont été placées dans les parois des galeries souterraines pour mesurer la conductivité de la roche et sa réponse à un échauffement similaire à celui qui serait produit par les colis de déchets.

Les résultats ont contribué à fixer à 90 °C l'élévation de température maximum dans la roche. Pour ce faire, les colis de déchets seront entreposés cinquante à soixante ans, pour permettre une diminution de la chaleur qu'ils émettent, grâce à la décroissance naturelle de la radioactivité.

Outre le fait que la température maximum atteinte dans la roche ne dépasserait pas 90 °C, l'élévation de température ne durera que quelques centaines à quelques milliers d’années, en fonction des déchets, de sorte que les propriétés de la roche ne seront pas ou que très peu modifiées après le retour à sa température initiale.

Perturbations liées au creusement

Lors du creusement des ouvrages, des fissures peuvent apparaître à proximité de la paroi. L’importance et l’extension de cette zone endommagée dépendent de différents facteurs : profondeur, forme et dimension de l’ouvrage creusé, méthode de creusement, caractéristiques mécaniques de la roche…

Des expérimentations ont été mises en place dans les galeries du Laboratoire souterrain pour :

• connaître ces fissures (dimensions, extensions, connexions…)
• comprendre leur formation
• évaluer leurs conséquences sur les propriétés de la roche, notamment la circulation de l'eau
• prévoir leur évolution dans le temps

Les études révèlent une caractéristique remarquable de la roche argileuse : ses minéraux permettent naturellement un colmatage rapide de ces fissures en quelques années, permettant rapidement à la roche endommagée de retrouver une perméabilité proche de celle de la roche intacte.

Par principe de précaution, des sortes de "bouchons artificiels" sont étudiés par l'Andra afin de « bloquer » plus encore toute circulation de l’eau au niveau de la zone fissurée. De la bentonite pourrait ainsi par exemple être utilisée. Argile spécifique, elle a la capacité de gonfler lorsqu’elle est hydratée et d’avoir une très faible perméabilité. En gonflant, la bentonite comprime les fissures et agit comme un bouchon hydraulique.

Tester les concepts

Parallèlement aux expérimentations scientifiques, des essais sont réalisés afin de tester, en vraie grandeur, les dispositifs techniques qui seraient utilisés pour la réalisation d'un stockage souterrain.

Des tests grandeur nature

Passer des études scientifiques à la réalisation d’un stockage nécessite de mener des études technologiques pour définir et valider les solutions pratiques qui seraient utilisées pour la construction, l’exploitation ou la fermeture du stockage. Pour cela, l'Andra réalise par exemple, dans le cadre de ses études sur le stockage profond, des essais en grandeur réelle, en surface ou dans les galeries souterraines du Laboratoire, grâce à des prototypes et des robots. Ces essais seront poursuivis dans les années à venir.

Les conteneurs de déchets

Avant d'être stockés, les colis de déchets seront placés dans des conteneurs standards, en béton ou en acier, en fonction de leur nature. Certains déchets (de type MA-VL), seront placés, par lots, dans des conteneurs en béton.

Différents modèles de conteneurs en béton ont été fabriqués afin notamment de :

• Vérifier leur résistance à une chute de plusieurs mètres ;
• Suivre leur vieillissement grâce à des capteurs placés directement dans le béton au moment de la fabrication ;
• Tester la qualité de plusieurs types de bétons ;
• Vérifier qu’ils sont maniables et que les colis peuvent en être retirés facilement.

 

Des prototypes de conteneurs en acier (pour les déchets de type HA) ont également été fabriqués, pour vérifier, par exemple, leur résistance à la chaleur dégagée par les déchets qu'ils contiendront.

 

Les techniques de creusement

Des essais de creusement, de galeries ou d’ouvrages de stockage, sont réalisés afin de tester les engins. C’est le cas d’une machine dite à attaque ponctuelle.

Certains ouvrages de stockage auront un diamètre d’à peine quelques dizaines de centimètres sur plusieurs dizaines de mètres de long. Leur creusement nécessite la conception de machines spécifiques, inspirées de ce qui existe déjà pour la réalisation d’ouvrages de génie civil classiques.

 

Le soutènement des galeries

Lors du creusement des galeries, différents types de soutènement sont testés. Souples pour permettre la déformation de la roche, ou au contraire, rigides, pour empêcher les déformations. Différents revêtements (grillage, béton projeté) sont également expérimentés pour éviter que l’argile ne s’effrite et n'entraîne la chute de morceaux.

Pour assurer la bonne tenue des galeries souterraines du Laboratoire par exemple, celles-ci sont actuellement réalisées en forme de fer à cheval et soutenue à l’aide de cintres métalliques coulissants qui maintiennent la roche tout en permettant sa déformation.

La manipulation des colis

Compte tenu du niveau de radioactivité des déchets destinés au stockage profond, leur manipulation sera entièrement automatisée. Des prototypes de robot, assurant le transfert et la mise en place dans les ouvrages de stockage des déchets, ont été fabriqués. Ces robots doivent également être capables de retirer les colis de déchets, comme le veut le principe de réversibilité.

La fermeture des ouvrages

Un prototype de fermeture de galerie est en cours de réalisation. Il consiste à introduire dans la galerie de la bentonite, argile gonflante, connue pour son important pouvoir d’absorption, et qui a la capacité de gonfler lorsqu’elle est hydratée. Les scientifiques vont s’intéressent au comportement du bouchon ainsi formé, c'est-à-dire s’assurent que l’argile gonfle et qu’elle colmate bien les fissures occasionnées par le creusement.

 

Les matériaux de stockage

L’utilisation de matériaux étrangers au milieu géologique engendrera plusieurs réactions chimiques du fait de leur contact avec la roche. De nombreuses expérimentations sont mises en place pour étudier l'évolution de ces matériaux et s’assurer qu'ils n’altèrent pas les propriétés de confinement de la roche.

De nombreux matériaux

• De nombreux matériaux seront utilisés dans un stockage souterrain :
• verres pour le conditionnement des déchets les plus radioactifs,
• inox pour certains conteneurs de déchets,
• béton pour certains conteneurs de déchets et le soutènement des ouvrages,
• acier pour les cintres qui consolident les galeries,
• argile gonflante pour la fermeture des ouvrages de stockage par exemple…

Interaction entre roche et matériaux

Au sein du stockage, l’eau contenue dans les pores de la roche entrera peu à peu en contact avec les différents matériaux, engendrant des réactions chimiques : corrosion des métaux, dégradation des bétons ou encore dissolution des verres. Du fait notamment des faibles circulations d'eau dans la roche, ces réactions chimiques seront lentes, et petit à petit, sur des dizaines de milliers d'années, les colis relâcheront les substances radioactives qu'ils contiennent.

Ces processus de dégradation chimique des matériaux, mais aussi d'interaction chimique sur la roche argileuse font l'objet de nombreuses études, en particulier en laboratoire souterrain. Les études portent sur :

• l'altération du verre : des tests, qui vont durer plusieurs années, sont menés pour mesurer la vitesse à laquelle le verre se dissout
• corrosion des aciers : des essais sont mis en place pour mesurer la vitesse de corrosion des aciers au contact avec l'argile mais également pour étudier les produits chimiques issus de cette corrosion et leur impact sur les propriétés de l'argile
• dégradation des bétons : l'objectif est de tester différentes compositions de bétons et d'étudier, pendant plusieurs années, leur évolution au contact de l'argile ainsi que les éventuelles conséquences sur les propriétés de l'argile
• l'impact des bactéries sur le stockage : qu'il s'agisse de bactéries déjà présentes dans la roche ou apportées par l'homme, des études sont menées sur l'évolution de ces micro-organismes et leurs éventuels effets sur les matériaux et sur la roche

Les critères de sélection

Pur être utilisables dans un stockage, les matériaux doivent ainsi répondre à plusieurs critères :

• propriétés de confinement des substances contenues dans les déchets,
• durabilité et résistance,
• compatibilité chimique avec le milieu géologique,
• disponibilité des procédés industriels de fabrication,
• disponibilité d’approvisionnement,
• coût d’approvisionnement et de fabrication raisonnable.