Fonctions de sûreté d'un stockage à long terme

L'objectif fondamental d'un stockage en formation géologique profonde est rappelé par la règle fondamentale de sûreté RFS.III.2.f. [2]: « La protection des personnes et de l'environnement à court et à long terme constitue l'objectif fondamental assigné à un centre de stockage de déchets en formation géologique profonde ».

Cette protection des personnes et de l'environnement est réalisée en s'opposant à la dissémination des radionucléides contenus dans les déchets, sans reposer à terme sur une maintenance ou une surveillance [5]. La RFS précise en effet : « Elle [la protection des personnes et le l'environnement]

doit être assurée envers les risques liés à la dissémination de substances radioactives dans toutes les situations prises en compte sans dépendre d'un contrôle institutionnel sur lequel on ne peut se reposer de façon certaine au-delà d'une période limitée. »

Pour s'opposer à la dissémination radioactive aux différentes échelles de temps, on confère à une installation de stockage en formation géologique profonde des fonctions de sûreté multiples : en se complétant mutuellement, celles-ci optimisent les performances globales du système ; en offrant une certaine redondance, elles permettent de mieux résister à une défaillance ou à une agression externe.

On notera d'abord que le stockage en profondeur met les déchets à l’abri de phénomènes d'érosion et des principales activités humaines, qui n'affectent, à l'échelle de centaines de milliers d'années, qu'une épaisseur superficielle de terrain (§2.3 et [6] - Tome 3).

Dans ce contexte, le stockage (i) s'oppose à la circulation d'eau, (ii) limite le relâchement des radionucléides et les immobilise à l'intérieur du stockage lui-même, ce qui renvoie notamment à un besoin de « protéger » les déchets, (iii) retarde et atténue la migration des radionucléides qui auraient été relâchés par les déchets [7].

Pour cela, on mobilise le plus largement les propriétés favorables des argilites du Callovo-Oxfordien (faible perméabilité, capacité de rétention, propriétés géochimiques, environnement hydrogéologique, voir section 2.2). L’âge de la formation, sa stabilité tectonique, la profondeur d’implantation du stockage permettent d’envisager une grande stabilité de ces propriétés favorables, aux échelles de temps étudiées ici (de l’échelle du millier d’années à celle de plusieurs centaines de milliers d’années).

Il convient donc de préserver les propriétés favorables du milieu géologique, en maîtrisant les perturbations qui pourraient résulter du creusement des ouvrages souterrains du stockage, des matériaux rapportés et de la présence des déchets, en particulier de la charge thermique qu'ils engendrent.

Au-delà de la phase d'exploitation et d'observation du stockage, les fonctions de sûreté d'un stockage sont passives, c’est-à-dire qu’elles ne nécessitent aucune intervention humaine.

Certaines fonctions ne sont utiles que tardivement. C'est en particulier le cas de la capacité du stockage à limiter la migration des radionucléides : cette capacité ne sera réellement exploitée que lorsqu'un début de relâchement par les colis interviendra. On parlera alors de fonctions latentes, dans la période où de telles fonctions sont d'ores et déjà disponibles mais non encore opérantes.

2.2.1.1 S'opposer à la circulation d'eau dans le stockage

Les formations géologiques profondes sont saturées en eau. L’arrivée d’eau et son renouvellement au voisinage des déchets constituent le principal facteur susceptible d’altérer les colis et de permettre le relâchement de radionucléides à l’intérieur d'un stockage. Une circulation de cette eau constitue ainsi un vecteur potentiel d’entraînement des radionucléides.

Aussi, un premier ensemble de fonctions visera à s’opposer à la circulation d’eau dans le stockage ; de manière générale il s’agit de :

- limiter le débit d’eau au contact du stockage provenant d'une part des formations géologiques sus-jacentes traversées par les ouvrages d’accès⁴, d'autre part de la formation d’accueil du stockage elle-même ;

- limiter très fortement la vitesse de circulation de l’eau entre le stockage et les formations sus ou sous-jacentes.

Dans une période transitoire après la fermeture des installations souterraines de stockage, celles-ci se resaturent progressivement en eau [8]; les écoulements sont alors globalement convergents vers les installations, et la seconde fonction ci-dessus est latente.

Au-delà, les installations souterraines se seront resaturées, les pressions hydrauliques se rééquilibrent progressivement. La circulation de l'eau suit alors globalement le gradient hydrogéologique naturel. Le flux d’eau est fortement limité par la faible perméabilité de la formation d'implantation du stockage.

L’installation de stockage, par des dispositions d’architecture et de scellement, peut aussi contribuer à cette fonction.

2.2.1.2 Limiter le relâchement des radionucléides et les immobiliser dans le stockage

L’arrivée d’eau sur les déchets ne pouvant pas être exclue à terme, il importe de limiter le relâchement des radionucléides et des toxiques chimiques dans l'eau, de les « immobiliser » dans les déchets ou au plus près.

Pour ce faire, on cherche en premier lieu à disposer de colis de déchets évitant la dispersion des radionucléides, par exemple grâce à la matrice dans laquelle sont incorporés les radionucléides ou aux conteneurs dans lesquels les déchets sont placés. L’altération aqueuse des déchets et de leur conditionnement est limitée en les plaçant dans des conditions d’environnement, physiques et chimiques, favorables.

Les fonctions correspondantes dépendent de la catégorie de colis considérée : déchets B, déchets C vitrifiés ou combustibles usés.

Ainsi, pour les déchets B, le stockage protège de la corrosion les pièces métalliques qu'ils contiennent, en réalisant un environnement chimique favorable (potentiel réducteur, pH 10 à 12,5). En particulier pour les déchets enrobés dans du bitume, les conditions de stockage permettent de bénéficier

4 Sur le site de Meuse/Haute-Marne, les formations géologiques sus-jacentes sont peu aquifères et le débit d’eau qui y circule est donc limité.

durablement des propriétés de confinement du bitume [9], en contrôlant sa température (entre 20 et 30 °C), en préservant la géométrie de l’enrobé, en contrôlant le pH de l'eau atteignant le bitume (pH 10 à 12,5).

Pour les colis de déchets C vitrifiés, une première fonction est d’interdire l’arrivée d’eau au contact du verre pendant la période caractérisée par une température relativement élevée, dont la durée est au plus de l’ordre du millénaire [10]. Il convient en effet d’éviter un relâchement de radionucléides aussi longtemps que la température ne permet pas de rendre compte, de manière fiable, du comportement de ces radionucléides, compte tenu des limites actuelles de connaissances [11]. Il s’agit d’autre part de protéger le verre d’un risque d’accroissement, avec la température, de son altérabilité au contact de l’eau, en lien avec les modèles de comportement aujourd’hui considérés [9].

Au-delà de la phase thermique, on recherche à limiter l’altération du verre en réduisant les possibilités de transport des espèces dissoutes, à son voisinage, pour favoriser un équilibrage chimique entre l’eau et le verre, et en contrôlant le pH (de préférence entre 7 et 9) du fait de la sensibilité à ce paramètre de la solubilité de la silice, élément constitutif majeur du verre.

Enfin, pour les combustibles usés, il s’agit aussi d’interdire l’arrivée d’eau sur les assemblages pendant la phase thermique. Au-delà et afin de limiter la dissolution du combustible, on cherche à contrôler le transport des espèces dissoutes au voisinage des assemblages, ainsi que la chimie de l’eau (pH neutre à alcalin, conditions réductrices).

Dans un second temps, lorsque l’altération des colis par l’eau, rendue faible par les fonctions qui précèdent, a démarré, les conditions de stockage visent à limiter la mobilité des radionucléides, pour tous les types de déchets.

Cette fonction concerne les éléments susceptibles de se dissoudre dans l’eau lors de l'altération des déchets ; une grande part peut rester, ou être re-précipitée, sous forme solide, grâce à des conditions géochimiques réductrices (complétées par le contrôle du pH) ; seuls quelques radionucléides (iode 129, chlore 36 en particulier) sont insensibles à ces conditions géochimiques favorables.

Elle concerne aussi les radionucléides qui pourraient se trouver sous la forme de microparticules en suspension dans l'eau (des particules colloïdales peuvent se former lors de l’altération des colis, de la précipitation de radionucléides, ou préexister dans le milieu, et sorber des radionucléides dissous). Le milieu géologique assure une fonction de filtration physique permettant d'immobiliser ces particules.

Enfin, on peut noter que la nature physico-chimique de certains déchets B peut conduire à former des espèces complexantes, lors de leur altération aqueuse ; en solution dans l’eau, ces espèces sont susceptibles d'accroître la mobilité de certains radionucléides. Aussi on limitera l’impact de ces perturbations chimiques en éloignant lorsque possible les sources potentielles d’espèces complexantes des autres déchets.

2.2.1.3 Retarder et atténuer la migration des radionucléides vers l’environnement

Afin de protéger l’homme et l’environnement des radionucléides et des éléments chimiques toxiques qui auront pu être relâchés par les déchets, une fonction du stockage est de retarder et d’atténuer le flux relâché.

Pour ce faire, la migration des radionucléides dissous dans l'eau est contrôlée par la diffusion, la dispersion et la rétention dans la formation d'accueil du stockage [12] : la formation du Callovo-Oxfordien est ainsi mobilisée pour la faible perméabilité des argilites, leur faible coefficient de diffusion et leur capacité de rétention. La dissolution dans l'eau des radionucléides susceptibles d'être relâchés sous forme gazeuse permet de gérer de manière similaire ces éléments.

La migration des radionucléides pourra aussi être retardée à l’intérieur de certains composants du stockage. Ceci pourra contribuer en complément à réduire l’impact potentiel, sur l’homme et l’environnement.

Les radionucléides qui pourraient être relâchés hors de la formation géologique d'accueil du stockage se disperseront à long terme dans les formations géologiques environnantes, avant d'atteindre l'environnement accessible à l'homme.

2.2.1.4 Préserver les propriétés favorables du milieu, limiter les perturbations induites par le stockage

Afin de permettre de mobiliser l'ensemble des propriétés favorables de la formation du Callovo-Oxfordien, pour réaliser les fonctions de sûreté qui précèdent, la conception et les méthodes de réalisation du stockage cherchent à limiter les perturbations qu'il peut provoquer dans le milieu.

Une première fonction est de dissiper la chaleur engendrée par la radioactivité des déchets. En effet, la hausse de température due à ce dégagement thermique peut engendrer des processus couplés complexes pour des températures supérieures à 100 °C dans la roche. Elle pourrait aussi provoquer des transformations minéralogiques irréversibles de l’argilite du Callovo-Oxfordien si de trop fortes températures étaient atteintes sur de trop longues durées. Les études montrent qu’une sollicitation de 100 °C sur 1 000 ans puis de 70 °C sur 10 000 ans n’induit pas ou très peu de transformations irréversibles.

Pour rester dans un domaine de fonctionnement où les phénomènes sont connus et réduire l’endommagement de l’argilite, l’objectif est de limiter la température de l’argilite à ces valeurs.

Concrètement, la conception thermique du stockage vise à limiter la température à 90 °C au contact de l’alvéole de stockage et des argilites et à vérifier que la température est bien inférieure à 70 °C à une échelle de 10 000 ans. Cette fonction concerne particulièrement les déchets C vitrifiés et les combustibles usés.

Une deuxième fonction importante concerne la maîtrise des déformations mécaniques dans la formation d'accueil. En effet, le caractère argileux de la roche étudiée limite sa résistance mécanique en cas de déformation. Or l'ouverture de cavités souterraines, dans un milieu soumis à des contraintes mécaniques naturelles liées au poids des terrains, engendre des déformations au voisinage. De plus, pour les colis de haute activité, une cause de déformation supplémentaire est la dilatation thermique des matériaux, sous l'effet de la chaleur dégagée par les déchets. Si les déformations dépassent la résistance de la roche, elles peuvent y provoquer localement des dommages ; ceux-ci se traduiraient alors par une augmentation de perméabilité, plus ou moins élevée selon l'importance du dommage (microfissuration, fracturation) (voir infra, § 2.3.2.3 et [13]). Ainsi, un objectif important est de limiter les déformations mécaniques induites par le stockage, afin d'éviter ou de limiter l'intensité et l'extension des dommages que celles-ci peuvent provoquer dans la roche, de manière à ne pas affaiblir les fonctions de sûreté précédentes (opposition à la circulation d’eau, retard et atténuation de la migration des radionucléides).

Il convient aussi de vérifier que les perturbations d'origine hydrique (désaturation du milieu lors des travaux) et chimique (apport d'oxygène et de matériaux divers), éventuellement couplées avec les perturbations mécaniques, n'engendrent pas de dommages préjudiciables dans le milieu.

Enfin, le contenu en matière fissile de certains colis conduit à s'assurer que le stockage reste dans une configuration sous-critique, en tenant compte des déplacements potentiels de matière et de l'évolution des matériaux à long terme.

2.2.1.5 Les fonctions de sûreté dans le temps

La figure suivante récapitule l'ensemble des fonctions de sûreté disponibles au cours du temps. Pour chaque période dans l'échelle des temps, elle distingue les fonctions opérant directement sur la protection de l'homme et de l'environnement et les fonctions latentes. Ces dernières peuvent plus particulièrement contribuer à protéger l'homme et l'environnement dans des situations hypothétiques où une fonction opérante serait dégradée.

Mise en service

1 - S’opposer à la circulation d’eau

• Limiter le débit d’eau souterraine

• Limiter la vitesse de circulation d’eau entre le stockage et les formations aquifères 2 – Limiter le relâchement des radio-nucléides et les immobiliser dans le stockage

• Protéger les déchets B

• Interdire l’arrivée d’eau sur les déchets C

• Limiter le transport des espèces dissoutes au voisinage des déchets C

• Interdire l’arrivée d’eau sur les combustibles usés

• Limiter le transport des espèces dissoutes au voisinage des combustibles

• Pour tous les déchets et combustibles, limiter la dissolution des éléments radioactifs, assurer des conditions réductrices, filtrer les colloïdes 3 – Retarder et atténuer la migration des radionucléides vers l’environnement

• Contrôler la migration par diffusion-rétention-dispersion dans la formation d’accueil

•Retarder la migration dans des composants ouvragés

• Préserver la capacité de dispersion naturelle dans les formations environnantes

4 – Préserver les propriétés favorables du milieu, limiter les perturbations

• Dissiper la chaleur

• Limiter les déformations mécaniques dans les argilites

•Protéger le stockage des perturbations chimiques induites par l’altération de certains colis Figure 2.2.1 Fonctions de sûreté au cours du temps