Les colis de déchets HA et MA-VL stockés
2.4 Les conteneurs de stockage HA
2.4.1 Contributions des conteneurs de stockage HA aux fonctions de sûreté
En retardant l’arrivée d’eau sur les déchets HA vitrifiés, le conteneur de stockage des déchets HA contribue à limiter le relâchement des substances radionucléides et toxiques chimiques et à les immobiliser au plus près des déchets :
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il évite d’exposer le verre nucléaire à l’altération aqueuse en température (voir supra) ;•
il évite corollairement la mise en solution de radionucléides en température ; la température tend à augmenter les cinétiques de dissolution et les vitesses de diffusion ; elle accroît les incertitudes sur le comportement des radionucléides, en solution et à la surface des phases solides (sorption) ;•
plus généralement, il évite tout relâchement de radionucléides dans les premières phases transitoires après fermeture, plus complexes à modéliser.Le conteneur de stockage assure à lui seul le confinement des colis de déchets HA aussi longtemps qu’il conserve son étanchéité à l’eau. Cela correspond à une première période après fermeture caractérisée par une activité encore élevée des radionucléides à périodes courtes et moyennes des déchets HA. Il évite pendant cette période une exposition radiologique inacceptable dans toute situation hypothétique qui se traduirait par un court-circuit de la capacité du système de stockage à retarder et atténuer la migration, comme dans l’hypothèse d’une intrusion involontaire qui interviendrait de manière précoce ; au-delà, la décroissance radioactive des radionucléides à périodes courtes et moyennes réduira l’impact radiologique d’une telle situation.
L’Andra conçoit le conteneur de stockage HA de manière à lui conférer la plus grande durabilité possible d’étanchéité, en tenant compte des incertitudes scientifiques, des limites technologiques et des facteurs économiques. Cette conception s’effectue de manière conjointe avec celle de l’alvéole, qui impose au conteneur ses conditions d’environnement.
L’Andra retient à ce stade30 de vérifier que l’étanchéité à l’eau du conteneur de stockage HA sera maintenue a minima tant que la température à cœur du verre est supérieure à 50 °C pour les déchets HA0 (moyennement exothermiques) livrés avant 2075 et à 70 °C pour les déchets HA1/HA2 (fortement exothermiques) livrés au-delà de 2075. La valeur plus élevée retenue pour les déchets HA1/HA2 s’explique par les progrès des connaissances attendus dans les prochaines décennies sur le comportement du verre nucléaire et celui des radionucléides en solution. Avec l’architecture retenue pour l’installation souterraine (chapitre 3), ces limites correspondent à une durée de moins de 500 ans après la fermeture de Cigéo.
2.4.2 Options de conception retenues pour le conteneur de stockage HA
L’Andra a retenu comme matériau constitutif du conteneur l’acier non allié à bas carbone. Ce choix est justifié par le caractère prédictible de la cinétique de corrosion de ce matériau, dans la mesure où la corrosion généralisée en est le mécanisme prépondérant par rapport aux processus de corrosion localisée.
En milieu anoxique, la vitesse de corrosion généralisée des aciers non alliés est faible et ces aciers sont peu sensibles à la corrosion localisée : le milieu géologique contient peu d’espèces oxydantes susceptibles d’alimenter la réaction cathodique d’une corrosion localisée. L’Andra mène des essais de corrosion dans des milieux représentatifs de l’évolution des alvéoles de stockage pour vérifier la prépondérance de la corrosion généralisée, avec une vitesse moyenne de l’ordre de 10 micromètres par an au maximum.
Les aciers non alliés bénéficient d’une codification et d’une normalisation des techniques d’élaboration et de contrôle dont l’emploi garantit que les propriétés physiques (mécaniques, dimensionnelles, métallurgiques, chimiques..) des objets réalisés sont reproductibles et constantes.
Le conteneur est conçu de sorte à réduire le risque d’apparition de processus de corrosion localisée et sous contrainte : les dispositions techniques correspondantes sont détaillées plus loin.
Le corps du conteneur est constitué d’une virole cylindrique en acier non allié d’épaisseur utile31 comprise entre 65 et 53 mm, d’un fond soudé d’une épaisseur adaptée à l’épaisseur de la virole et d’un couvercle réalisé dans la même nuance d’acier. L’ensemble des soudures d’assemblage sont
30 Ces contraintes de température pourront être revues d’ici à la DAC au regard des avancées de connaissances, notamment sur le comportement des radionucléides en température.
31 Ces épaisseurs pourront encore faire l’objet d’optimisations d’ici à la DAC.
réalisées à pleine épaisseur pour réduire leur caractère singulier en termes de résistance et d’étanchéité.
L’épaisseur d’acier assure à la fois :
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la résistance mécanique ;•
la résistance à la corrosion : une partie de l’épaisseur est « consommée » au cours du temps par la corrosion généralisée ;•
une atténuation du rayonnement : ce dernier est en effet susceptible d’accélérer la corrosion et de favoriser une piqûration (voir plus loin).Si, d’une manière générale, la résistance mécanique et à la corrosion ainsi que l’atténuation du rayonnement croissent avec l’épaisseur d’acier, les contraintes technologiques en matière de mise en œuvre limitent cette épaisseur : en particulier les opérations de soudage et de détensionnement (voir infra) se complexifient avec l’épaisseur, ce qui impacte la maîtrise de la qualité du produit. Le choix de l’épaisseur du conteneur résulte donc de la prise en compte de ces divers paramètres dans une optique d’optimisation. Le conteneur de stockage, de géométrie cylindrique, est dimensionné pour accueillir un ou deux colis primaires selon la famille considérée. Pour certains colis primaires de longueur réduite, la possibilité d’introduire trois colis est également ouverte. Différents modèles de colis de stockage HA sont présentés en annexe 5. Les figures suivantes illustrent des colis de stockage de déchets HA vitrifiés produits respectivement par l’Atelier de Vitrification de Marcoule (AVM) et les ateliers R7-T7 de La Hague.
Figure 2.4-1 : Illustration d’un colis de stockage de déchets vitrifiés de type AVM biplace
Figure 2.4-2 : Illustration d’un colis de stockage de déchets vitrifiés de type R7-T7
2.4.3 Exigences vis-à-vis du risque de corrosion sous contrainte
Le phénomène de corrosion sous-contrainte (CSC) peut apparaître sous l’action conjuguée :
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d’une contrainte mécanique de traction : il peut s’agir d’une contrainte résiduelle issue des processus de mise en forme et de soudage ou d’une contrainte générée par la charge mécanique appliquée sur le conteneur ;•
d’un milieu agressif vis-à-vis du matériau, notamment la présence de dihydrogène (fragilisation).Pour réduire le risque de corrosion sous contrainte, l’Andra retient deux exigences :
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des contraintes mécaniques favorables dans l’acier constitutif du conteneur : la conception de l’alvéole, particulièrement le rôle de son chemisage vis-à-vis du chargement mécanique du conteneur, l’épaisseur du conteneur, en tenant compte de sa « consommation » progressive par corrosion généralisée, et la limite élastique de l’acier qui le constitue visent à maintenir autant que possible ce dernier dans le domaine élastique. Par ailleurs un détensionnement de l’ensemble des soudures du conteneur permet de limiter les contraintes résiduelles à moins de 30 % de la limite d’élasticité de l’acier ;•
la sélection d’une nuance d’acier32, de sa propreté (notamment une limitation de la teneur en phosphore et en oxygène) et de sa microstructure (taille de défauts internes) leur conférant (i) une ductilité élevée qui s’oppose à la propagation de fissures en cas de plastification, et (ii) une sensibilité aussi faible que possible à la corrosion sous contrainte33.2.4.4 Exigences vis-à-vis du risque de corrosion radiolytique
Le rayonnement des déchets HA peut entraîner par radiolyse la production d’espèces oxydantes (comme H2O2) ou d'espèces chimiques modifiant localement le pH du milieu (comme HNO3). Ces espèces chimiques contribuent à l'augmentation des cinétiques de corrosion généralisée des matériaux métalliques et favorisent l'occurrence de phénomènes de corrosion localisée. En l’état des connaissances :
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aucun effet de la radiolyse de l’eau n’est observé sur la corrosion pour des débits de doses inférieurs à 1 gray par heure;
32 Un acier forgé à haute ductilité tel que P285NH peut répondre à ces exigences
33 La réduction du taux d’impuretés et d’inclusions limite la corrosion anodique. La structure ferrite-perlite fine et homogène est peu fragile et peu sensible à la corrosion sous contrainte et à la corrosion localisée.
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il y a peu d’influence de la radiolyse pour des débits de doses inférieurs à 20 grays par heure.Cette influence est par ailleurs fortement atténuée en l’absence d’oxygène.
A ce stade34 l’Andra retient que l’épaisseur du conteneur devra limiter le débit de dose à l’extrados du métal à moins de 10 grays par heure, en tenant compte de la corrosion progressive du métal et de la décroissance radioactive des déchets.
2.4.5 Exigences vis-à-vis des autres phénomènes de corrosion
Le choix des matériaux constitutifs de conteneur et de chemisage de l’alvéole évite un couplage galvanique. L’utilisation de patins durables et inertes35 pour faciliter le glissement des colis dans le chemisage en phase d’exploitation prévient un risque de corrosion caverneuse au contact conteneur-chemisage (Figure 2.4-3).
Pendant la phase d’exploitation, un risque supplémentaire de corrosion provient du renouvellement d’oxygène par la ventilation des galeries tant que celles-ci ne sont pas fermées : le risque recouvre à la fois une vitesse de corrosion généralisée plus forte en présence d’oxygène qu’en milieu anoxique et une piqûration du métal. La réduction de ce risque relève de la conception de l’alvéole, notamment via l’établissement et le maintien d’un environnement autant que possible anoxique36. Par ailleurs, bien que la corrosion par piqûre puisse se développer à la surface d’un acier non allié en présence d’oxygène, différents travaux montrent une tendance à l’ouverture des piqûres permettant d’atténuer à long terme la profondeur de piqûration devant la corrosion généralisée.
Figure 2.4-3 : Illustration du risque de corrosion par crevasse en cas de contact du conteneur et du chemisage (à gauche) et de la prévention de ce risque par l’interposition de patins inertes (à droite)
2.4.6 Comportement mécanique et évaluation de durabilité du conteneur
Le conteneur est soumis à des contraintes mécaniques auxquelles il doit résister en tenant compte de la perte de métal progressive par corrosion : chargement isotrope de type fluide tant que le chemisage ne se trouve pas au contact du conteneur, puis chargement hétérogène par contact avec le chemisage.
On vérifie que le comportement mécanique du conteneur en prenant en compte la perte de métal par corrosion lui confère une durée d’étanchéité supérieure à la durée de la période thermique définie plus haut (voir le volume III). L’épaisseur minimale nécessaire, à ce stade, pour prévenir la corrosion radiolytique couvre les besoins en résistance mécanique.
34 Cette contrainte de débit de dose pourra être révisée d’ici à la DAC au regard de l’avancée des connaissances sur la corrosion radiolytique.
35 Ces patins sont prévus à ce stade en céramique industrielle.
36 Les évaluations montrent que l’épaisseur de conteneur qui aura déjà été corrodée au moment de la fermeture de Cigéo serait limitée à quelques millimètres au plus.