Description détaillée

Deux colis de stockage, aux dimensions standardisées, permettent de couvrir l'ensemble des colis primaires de déchets C qui ont été présentés au chapitre 3 :

- une géométrie dite « courte » (longueur 1 291 millimètres, pour un diamètre hors tout de 655 millimètres) correspond aux deux colis types C0.1 (déchets vitrifiés PIVER) et C0.3 (déchets vitrifiés AVM) ;

- une géométrie dite « longue » (longueur 1 607 millimètres pour un diamètre hors tout de 590 millimètres) correspond aux colis types C0.2 (CSD-V R7/T7 /UMo), et C1 à C4 provenant des usines de La Hague.

La masse de ces colis de stockage varie entre 1 645 kilogrammes (colis type C0.1) et 1 965 kilogrammes (colis types C0.2 et C1 à C4). Cette masse comprend le colis primaire et l'ensemble des constituants du surconteneur, décrits en détail ci-après.

z Le corps

Le corps du surconteneur est constitué d’une virole cylindrique d’épaisseur utile 55 millimètres, permettant d'assurer l'étanchéité sur une durée millénaire (voir infra). Cette enveloppe est dotée de patins de glissement en céramique. Dans le cas d’une fixation de ces patins par encastrement, l’épaisseur de l’enveloppe serait augmentée de 10 millimètres afin de ne pas nuire à l’intégrité de l’épaisseur utile. Le fond présente une épaisseur utile de 77 ou 83 millimètres suivant les colis types. Il est possible de fabriquer en une seule pièce, sans soudage, le corps avec fond intégré.

Après avoir comparé diverses nuances possibles³⁸, le matériau privilégié est l’acier non allié type P235. Sa faible teneur en carbone lui confère une bonne soudabilité. Sa structure est peu sensible à la fissuration à froid lors du soudage, du fait d'une faible limite élastique. Il ne nécessite aucun préchauffage, ni traitement thermique respectivement avant et après soudure. Par ailleurs, ses caractéristiques mécaniques, bien qu'il s'agisse d'un acier d’usage courant, suffisent à assurer la résistance mécanique de l'objet. Enfin, ses caractéristiques mécaniques sont favorables à la maîtrise de certains risques (en particulier corrosion sous contrainte et fragilisation par l’hydrogène).

z Le couvercle

Le couvercle est réalisé dans la même nuance d’acier que le corps. Il est plus épais que le fond car à son épaisseur utile s’ajoute une épaisseur d’environ 100 millimètres pour la création d’une interface de manutention. Cette interface de manutention est constituée d’une gorge usinée permettant la préhension du surconteneur à l’aide d’un grappin. Une forme en creux, offre plus de surface portante et par conséquent une meilleure répartition des charges qu’une forme en saillie de type

« champignon ». La forme interne du couvercle illustrée par la Figure 4.2.2 s'adapte au profil supérieur du colis primaire pour participer à la limitation des taux de vide.

38 Dont en particulier l'acier faiblement allié 16MnD5 utilisé pour les cuves de réacteurs à eau sous pression

Figure 4.2.2 Détails du couvercle du colis de stockage (C02, C1 à C4) z Les patins en céramique

Le surconteneur est équipé de patins

en céramique disposés longitudinalement. Chaque patin peut

être constitué d’un élément métallique revêtu d’une fine couche de céramique ou d’un bloc de céramique massive. Les patins sont répartis sur le surconteneur en deux ensembles de six. Chaque ensemble présente un décalage angulaire de 30 degrés tel qu’illustré sur la Figure 4.2.3 de façon à ce qu’en situation d’appui sur l’intrados du chemisage, trois patins soient toujours en contact direct avec le chemisage de l'alvéole.

Figure 4.2.3 Implantation des patins

4.2.3.2 Performances

z Épaisseur de l’enveloppe et durée de vie

Le surconteneur décrit au paragraphe précédent présente, en situation de stockage, une durée d'étanchéité à l'eau a minima millénaire.

Cette durée couvre la phase thermique, pendant laquelle la température à coeur du verre excède 50 °C.

En effet, la phase thermique³⁹ est évaluée à environ 150 ans pour les colis types C0, environ 500 ans pour les colis types C1/C2, et environ 1 000 ans pour les colis types C3/C4 (voir Figure 4.2.4). Ces évaluations résultent d'une modélisation numérique tridimensionnelle de la conduction de la chaleur dans le stockage (cette modélisation et ses données d'entrée sont décrites à la section 5.2). Elles sont fondées (i) sur un âge à la mise en stockage de 60 ans à 70 ans, respectivement pour les colis types C1/C2 et C3/C4, (ii) sur une configuration des alvéoles de stockage et de l'architecture d'ensemble dimensionnée⁴⁰ pour une température maximale de 100 °C à l'interface entre le colis de stockage et l'alvéole [10].

Température à la surface du colis de stockage entre 0 et 1600 ans

20

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Nom bre d'années aprés la m ise en stockage

Température (C°)

Colis C3 Colis C4 Colis C1/C2 Colis CO

Figure 4.2.4 Evolution avec le temps, de la température des conteneurs de déchets vitrifiés Pour assurer une étanchéité a minima millénaire, le dimensionnement de l’épaisseur utile du surconteneur retient la somme des deux termes suivants :

- une épaisseur de 28 millimètres pour la virole et 50 millimètres pour le fond et le couvercle, qui assure la résistance de l'objet vis-à-vis des contraintes mécaniques susceptibles de s'exercer à cette échelle de temps ;

- une surépaisseur de 27 millimètres, définie de manière pénalisante et correspondant à la perte de substance par corrosion généralisée.

z Dimensionnement mécanique

Le dimensionnement du surconteneur lui permet d’abord de résister aux sollicitations liées à sa manutention en position verticale dans les installations de surface et de transfert, et en position horizontale lors de la mise en alvéole de stockage. Ce point sera traité à la section 4.2.3.3.

Dans l’alvéole de stockage, tant que le chemisage de celle-ci est intègre, les colis ne sont soumis à aucune contrainte mécanique. Toutefois, à terme, le chemisage se corrode et perd progressivement sa résistance mécanique. Les déformations différées de la roche, referment le jeu entre la roche et le chemisage puis exercent sur le chemisage une pression qui croît lentement (estimée à 300 ans à environ 5 MPa au maximum [13]).

39 La durée de la phase thermique augmente avec la température maximale retenue dans le stockage. Elle est aussi fonction de l'âge du déchet à la mise en stockage. La phase thermique est également sensible à la modularité de la zone de stockage : elle diminue avec l’augmentation de l'emprise de chaque module et avec les distances entre modules.

40 Les concepts étudiés se fondent sur une dissipation de la chaleur par conduction dans la roche.

À cette pression due au fluage et à la resaturation des argilites, s’ajoute transitoirement une contrainte thermomécanique générée par le dégagement thermique des colis. Au-delà de quelques siècles la température tend à s’uniformiser dans et autour de l’alvéole. La contrainte thermomécanique a alors diminué (d’une valeur maximale de 4 MPa, à une valeur résiduelle estimée à 1,6 MPa environ [13]).

Lorsque le chemisage perd sa résistance, il se déforme et la poussée du terrain est alors transmise aux colis de stockage. À l’échéance de 1 000 ans, sans prendre en compte de manière conservative la dissipation partielle de la poussée du terrain, la pression radiale appliquée sur les colis est au plus de 7 MPa (contrainte effective à 500 mètres).

Simultanément, la pression interstitielle augmente lentement pour rétablir une pression uniforme égale à la pression initiale de 5 MPa. Cette montée en pression interstitielle est ralentie par la présence des gaz de corrosion, qui s’évacuent lentement. Compte tenu des incertitudes sur les cinétiques de ces phénomènes, l’effet de ces gaz est ici négligé. On considère que le colis pourrait alors être soumis à l’échelle de 1 000 ans, à une pression supplémentaire, au plus égale à la pression initiale de l’eau interstitielle, soit 5 MPa.

Dans la direction axiale, la contrainte naturelle plus forte que dans la direction radiale accentue l’effet des déformations différées en fond d’alvéole. Cet effet est néanmoins localisé et couvert par les marges prises pour déterminer la pression radiale.

Ainsi, l’Andra a retenu de dimensionner le surconteneur pour résister à une pression de 12 MPa appliquée uniformément sur les parois après une perte de métal de 27 millimètres correspondant à la corrosion généralisée (voir infra).

Les contraintes admissibles du matériau (acier P235) sont de 360 MPa pour la limite à la traction, et 200 et 185 MPa de limite élastique pour des températures respectives de 20 °C et 55 °C. Des épaisseurs de 28 millimètres en paroi et environ 50 millimètres pour le fond permettent de respecter ces contraintes admissibles. En effet, les calculs de dimensionnement montrent que les contraintes de traction exercées sur la virole sont inférieures (de l’ordre de 100 MPa [50]).

z Durée d’étanchéité

La corrosion généralisée est le principal processus à prendre en compte dans le cas de la corrosion des aciers non alliés [53].

Dans ce contexte, on distingue trois périodes successives dans la vie du colis en situation de stockage : une période initiale d’absence de corrosion, une période transitoire de corrosion en conditions oxydantes et, enfin une période de corrosion en conditions anoxiques.

Période initiale

Dans un premier temps, l’humidité relative de l’alvéole est faible du fait de l’exothermicité des colis, elle ne permet pas la formation d’un film d’eau sur les colis, la corrosion ne peut s’amorcer. La température est néanmoins suffisamment basse (moins de 100 °C) pour que la corrosion par l'oxygène gazeux⁴¹ soit négligée.

Période transitoire (oxydante et/ou resaturation)

Dès que l’humidité relative de l’atmosphère de l’alvéole dépasse une valeur critique⁴², un film d’eau se dépose au contact du colis et la corrosion peut s’amorcer. L’espèce oxydante prépondérante pendant cette phase est l’oxygène dissous dans l’eau.

Le renouvellement de l’oxygène est limité par des dispositions constructives (mise en place rapide d’un capot d’étanchéité en tête de l’alvéole). De plus, il est consommé préférentiellement par la corrosion des éléments métalliques rencontrés avant le colis, en particulier le chemisage. Aussi, cette phase, si elle existe, sera de courte durée (de l’ordre de la dizaine d’années). Durant cette phase, la

41 Au maximum de l’ordre de quelques centièmes de micromètres par an.

42 La corrosion aqueuse ne peut s'amorcer tant que l'humidité de l'atmosphère de l'alvéole reste inférieure à une "humidité relative critique", comprise entre 40 % et 70 %, selon la composition de l'atmosphère.

vitesse de progression de la corrosion du colis de stockage dépend des cinétiques des phénomènes⁴³ et prend en compte le rôle protecteur de la couche des produits de corrosion. Sur la base d’essais de corrosion en milieu argileux, une loi semi-empirique donne des vitesses de corrosion généralisée d’au plus quelques dizaines de µm/an.

Période anoxique

Une fois l’oxygène consommé, le milieu redevient anoxique comme à son état initial, la corrosion aqueuse (par réduction de l’eau) en milieu anoxique devient prépondérante.

La forte épaisseur du surconteneur limite la corrosion radiolytique due à des espèces oxydantes, comme H₂O₂ (« eau oxygénée »), qui seraient créées par radiolyse de l’eau sous l’effet du débit de doseEJ en surface du conteneur.

La vitesse de corrosion généralisée observée dans ces conditions sur des essais de corrosion de longues durées (plusieurs années) diminue dans le temps du fait du renforcement du pouvoir protecteur des couches de produits de corrosion. Les vitesses moyennes observées sur des échantillons tendent vers des valeurs très faibles entre 3 et 5 µm/an pour une température comprise entre 50 à 90 °C, avec des vitesses instantanées inférieures au Pm/an après quelques années.

En retenant des hypothèses conservatives, une épaisseur affectée à la corrosion de 27 millimètres confère au surconteneur une durée d’étanchéité de 4 000 ans.