Stratégie de sûreté
4.2 Les Fonctions de sûreté après fermeture, principes généraux de conception et exigences applicables
4.2.1 Les fonctions principales
Afin de répondre à l’objectif fondamental de protection des personnes et l’environnement contre les risques liés à la dissémination des substances radioactives et des toxiques chimiques, contenus dans les déchets, l’Andra identifie et organise comme suit les fonctions de sûreté du système de stockage Cigéo en après fermeture.
La première fonction de sûreté consiste à isoler les déchets des phénomènes de surface et des actions humaines. Le site et la profondeur d’implantation retenus préservent le stockage des phénomènes de surface, de l’érosion ainsi que des activités humaines banales qui n’affectent, à l’échelle de centaines de milliers d’années, qu’une épaisseur de terrain inférieure à 200 m. Suivant le guide de sûreté du stockage géologique (1), la protection des personnes doit être assurée « sans dépendre d'un contrôle institutionnel sur lequel on ne peut pas se reposer de façon certaine au-delà d'une période limitée (...) (500 ans) ». La mémoire du stockage sera maintenue le plus longtemps possible. La solution technique retenue permettra une confiance raisonnable dans sa pérennité, permettant de ne pas considérer l’éventualité d’une intrusion humaine involontaire avant 500 ans, conformément au guide de sûreté (1).
La deuxième fonction de sûreté consiste à limiter le transfert jusqu’à la biosphère des substances radioactives et toxiques chimiques contenus dans les déchets. Cela implique de maîtriser la dégradation physico-chimique des déchets, des colis et des composants ouvragés, de retenir les substances radioactives et les toxiques chimiques au plus près de la source et de maîtriser les voies de transfert qui peuvent conduire à long terme ces éléments jusqu’à la biosphère à savoir :
•
la voie aqueuse, les substances étant susceptibles d’être mises en solution puis de cheminer jusqu’à la surface ;•
la voie gazeuse, certains radionucléides pouvant migrer sous cette forme.L’eau est le principal facteur d’altération des colis de déchets et le principal vecteur de transfert des substances radioactives et des toxiques chimiques. La maîtrise de la voie aqueuse constitue donc un objectif essentiel de la sûreté après fermeture.
La limitation du transfert des substances radioactives et toxiques chimiques par l’eau est déclinée en trois fonctions de sûreté suivantes (Figure 4.2-1) :
1. s’opposer à la circulation d’eau ;
2. limiter le relâchement des substances radioactives et des toxiques chimiques, et les immobiliser dans le stockage ;
3. retarder et atténuer la migration des substances radioactives et toxiques chimiques qui auraient été relâchés hors des colis puis des alvéoles de stockage.
Ces trois fonctions de sûreté s’appuient en premier lieu sur les caractéristiques favorables de la formation du Callovo-Oxfordien. La conception de Cigéo (architecture, composants ouvragés) et son exploitation visent à préserver ses caractéristiques favorables.
Si la formation du Callovo-Oxfordien joue un rôle central dans la sûreté sur le long terme, les colis et les composants ouvragés du stockage, plus particulièrement l’architecture à terminaison de l’installation souterraine, les ouvrages de fermeture, contribuent aussi au confinement des déchets et au maintien de conditions d’écoulements très lents dans l’installation.
Un objectif particulier consiste à maîtriser le risque de criticité lié à la présence d’isotopes fissiles dans les déchets. L’Andra vérifie la maîtrise de ce risque dans le cadre de l’évaluation de sûreté, sur la base de la masse de matière fissile par colis, de la répartition des colis de déchets dans les alvéoles et des possibilités limitées de déplacement et de concentration d’isotopes fissiles, en tenant compte de l’évolution des matériaux et des volumes vides dans les alvéoles.
4.2.2 La déclinaison de la fonction « limiter le transfert jusqu’à la biosphère » 4.2.2.1 S’opposer à la circulation d’eau
Les argilites du Callovo-Oxfordien sont initialement saturées en eau. La réalisation de l’installation de stockage perturbe les pressions hydrauliques et peut localement conduire à une désaturation des argilites au pourtour immédiat des ouvrages. Dans la période qui suit la fermeture de l’installation souterraine, un transitoire hydraulique se met en place sur des durées qui varient selon les ouvrages considérés, jusqu’à l’atteinte de la saturation totale du stockage et le retour à un nouvel état d’équilibre hydraulique du stockage et du Callovo-Oxfordien environnant. Au-delà, les écoulements suivent alors globalement le gradient hydrogéologique naturel (vertical montant ou descendant) dans le Callovo-Oxfordien sur la ZIRA.
Au cours de la période transitoire de saturation du stockage, la limitation des flux d’eau provenant des formations géologiques sus-jacentes traversées par les liaisons surface-fond remblayées et scellées permet de retarder une arrivée d’eau importante depuis les aquifères sus-jacents dans le stockage et jusqu’aux colis de déchets, et de s’assurer par ailleurs que la saturation des ouvrages est contrôlée majoritairement par l’eau provenant du Callovo-Oxfordien.
Après resaturation des ouvrages souterrains, on cherche à ce que le transfert par convection soit limité très fortement au sein du système de stockage, à savoir d’une part dans la formation argileuse du Callovo-Oxfordien qui a été choisie à cet effet pour sa faible perméabilité et le faible gradient hydraulique qui lui est appliqué, et d’autre part dans l’installation souterraine et les liaisons surface-fond.
Cela contribue à créer des conditions favorables aux deux autres fonctions permettant de limiter le transfert des substances radioactives ou toxiques chimiques par l’eau (limiter le relâchement des substances radioactives et toxiques chimiques et les immobiliser dans le stockage ; retarder et atténuer la migration des substances radioactives et toxiques chimiques) :
•
un faible renouvellement d’eau dans les alvéoles de stockage contribue à protéger les colis de déchets et à favoriser la mise en place d’équilibres chimiques locaux ;•
une faible vitesse de transport des solutés le long des ouvrages souterrains favorise leur rétention par le Callovo-Oxfordien, au sein duquel leur transport se fera par diffusion dominante.Pour s’opposer à la circulation d’eau dans le système de stockage, l’Andra retient donc les sous-fonctions suivantes :
•
limiter les flux d’eau, en distinguant le flux d’eau venant de la formation hôte du Callovo-Oxfordien drainé par l’installation souterraine, et le flux d’eau circulant via les liaisons surface-fond entre le stockage et les formations aquifères sus-jacentes (comme les calcaires du Barrois et les horizons poreux de l’Oxfordien carbonaté) ;•
limiter les vitesses de circulation de cette eau, depuis les alvéoles jusqu’au toit du Callovo-Oxfordien par les ouvrages de liaison surface-fond.Les dispositions de conception adoptées pour réaliser ces sous-fonctions sont développées au volume II.
4.2.2.2 Limiter le relâchement des substances radioactives et toxiques chimiques et les immobiliser dans le stockage.
Pour limiter le relâchement des radionucléides et les immobiliser dans le stockage, l’Andra retient les trois sous-fonctions suivantes (Figure 4.2-1):
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protéger les déchets de l’eau ;•
limiter la mise en solution des radionucléides et des éléments toxiques chimiques ;•
limiter la mobilité des radionucléides et des éléments toxiques chimiques.Protéger les déchets de l’eau
Certains déchets sont conditionnés dans une matrice durable qui les isole de l’eau : c’est particulièrement le cas du verre nucléaire utilisé pour les déchets HA. Pour d’autres déchets, c’est la
nature même du déchet dans lequel sont des radionucléides qui isole tout ou partie de ces derniers de l’eau : il s’agit par exemple des déchets métalliques activés, notamment les coques des crayons des assemblages de combustibles usés après retraitement.
On cherche à mettre à profit autant que possible les propriétés favorables des déchets conditionnés, en tenant compte des contraintes techniques. Cela implique d’une part de maîtriser ces propriétés, et d’autre part de constituer dans les alvéoles un environnement physico-chimique retardant l’altération des déchets et des matrices de conditionnement. Des conditions réductrices sont ainsi favorables à la protection des métaux. Des conditions alcalines sont évitées au voisinage des déchets HA vitrifiés car elles tendent à accélérer la dissolution de la matrice verre. A contrario un pH basique est plutôt favorable à de faibles cinétiques de corrosion des déchets métalliques.
Limiter la mise en solution des radionucléides et des éléments toxiques chimiques
Pour limiter la mise en solution des substances accessibles à l'eau dans les déchets (cas d'une contamination radioactive de surface des déchets, caractéristique par exemple des déchets technologiques) ou relâchées à la suite de l’altération des déchets, on cherche à disposer de conditions physico-chimiques à même de les précipiter dans les alvéoles, au plus près des déchets, notamment :
•
un milieu argileux réducteur, tamponné par le Callovo-Oxfordien, limite la solubilité d'un grand nombre de radionucléides, notamment les actinides, le technétium... ;•
des conditions cimentaires sont aussi favorables à une faible solubilité d’une grande majorité des radionucléides (par exemple le nickel, le cobalt, l'américium, le curium, le neptunium, le plutonium).La température intervient sur la solubilité des radionucléides et des éléments toxiques. L’Andra a choisi d’éviter tout contact entre les déchets et l’eau lorsque la température dans les déchets et leur environnement est supérieure à 70 °C. Le stockage est ainsi maintenu dans un domaine où le comportement des radionucléides et toxiques chimiques est maîtrisé (solubilité et rétention à l’interface solide/liquide). Cela passe par l’adoption d’un conteneur de stockage étanche pour les déchets HA, et par une limitation de la température dans les alvéoles pour les autres déchets (voir le volume II).
Limiter la mobilité des radionucléides et des éléments toxiques chimiques
Des phénomènes de complexation peuvent modifier la mobilité des radionucléides et des éléments toxiques dans le système de stockage, en augmentant leur solubilité apparente. Certaines matières organiques, et éventuellement certains sels, contenus dans une partie des colis de déchets MA-VL ou issus de leur dégradation sont susceptibles de former des espèces complexantes de radionucléides et d’éléments toxiques.
Par ailleurs, des sels contenus dans certains déchets MA-VL peuvent modifier les conditions redox dans le Callovo-Oxfordien en champ proche et ainsi de favoriser le transport en solution de certains radionucléides.
Aussi, afin de limiter les conséquences des phénomènes précités, l’Andra a défini des dispositions de conception restrictives en matière de co-stockage : définition des colis de déchets, plus particulièrement MA-VL, susceptibles d’être placés dans un même alvéole (dispositions traitées notamment dans les caractéristiques dimensionnantes du volume II du DOS-Expl), et distances minimales entre des alvéoles contenant des types de déchets différents susceptibles d’interagir entre eux (cf. volume II du présent document).
De même la présence de matériaux ouvragés employés dans le stockage et pouvant produire des espèces en solution augmentant la mobilité des radionucléides et des éléments toxiques est limitée autant que possible.
4.2.2.3 Retarder et atténuer la migration des substances radioactives et toxiques chimiques Si le système de stockage privilégie le confinement des substances radioactives et toxiques chimiques au plus près des déchets en limitant leur relâchement hors des colis puis des alvéoles, il doit aussi
retarder et atténuer la migration de celles qui auront été néanmoins relâchées hors des alvéoles dans le Callovo-Oxfordien, particulièrement les substances les plus solubles et les plus mobiles.
Atténuer la migration doit se comprendre dans une double acception, à la fois dans le temps et dans l’espace. La migration d’une quantité de radionucléides ou de toxiques chimiques conduira un impact d’autant moindre que cette quantité se dispersera sur une plus grande distance et que l’atteinte de la biosphère se fera de manière répartie et sur une période plus longue. L’augmentation du temps de transfert de substances radioactives vers la surface pourra ainsi réduire leur impact par décroissance radioactive au cours de la migration, en regard de leur période radioactive vs le temps de migration.
Pour assurer cette fonction, on cherche à mobiliser préférentiellement le Callovo-Oxfordien, comme voie de transfert privilégiée. Il est alors possible d’optimiser le retard et l’atténuation de la migration au sein du Callovo-Oxfordien, en exploitant au mieux son épaisseur et ses capacités de rétention, tout en tenant compte des contraintes techniques de réalisation des installations fond de Cigéo au sein du Calolovo-Oxfordien.
Cela suppose corollairement de réduire autant que possible le flux de substances radioactives et de toxiques chimiques susceptibles de sortir du système de stockage via les liaisons surface-fond. Un ensemble de dispositions géométriques soit adopté pour retarder et atténuer ce flux dans les alvéoles, les galeries d’accès et de liaison, jusqu’aux liaisons surface-fond : elles sont développées au volume II.
Enfin, on tire profit autant que possible de la capacité naturelle de dispersion et de dilution des formations encaissantes du Callovo-Oxfordien, bien qu’elles ne relèvent pas du système de stockage sensu stricto.
Figure 4.2-1 : Arborescence des fonctions permettant de limiter le transfert des substances radioactives (et toxiques chimiques) par voie aqueuse
4.2.3 Les principes généraux de conception
Pour répondre aux fonctions de sûreté après fermeture, l’Andra retient un ensemble de principes généraux de conception de Cigéo et pour le choix de son site. Ces principes concernent aussi la construction et l’exploitation de Cigéo une fois obtenues les autorisations de création puis de mise en service. Le tableau suivant présente les principes retenus spécifiquement à chaque fonction de sûreté après fermeture.
Fonctions de sûreté
après fermeture Principes généraux en termes de choix de site et de conception
Isoler les déchets des phénomènes de surface et des actions humaines
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Implantation de Cigéo en profondeur et dans une zone à géodynamique faible et homogène le système de stockage se trouve à l’écart des phénomènes d’érosion et par conséquent protégé durablement des intrusions humaines banales ;•
Absence de ressources souterraines extractibles et géothermales exceptionnelles susceptibles de susciter des travaux de prospection ;•
Maintien de la mémoire du stockage le plus longtemps possible après sa fermeture13.S’opposer à la circulation d’eau
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Faible écoulement d’eau dans le Callovo-Oxfordien du fait de sa faible perméabilité et d’un faible gradient de charge hydraulique qui lui est appliqué dans la ZIRA ;•
Localisation du système de stockage dans une zone située à l’écart des structures géologiques (potentiellement) hydrauliquement actives ;•
Regroupement et scellement des liaisons surface-fond les circulations d’eau potentielles via ces liaisons sont minimisées ;•
Quartiers de stockage « borgnes » par rapport au reste de l’installation souterraine les flux d’eau au sein du stockage sont limités, en sollicitant les faibles flux d’eau au sein du Callovo-Oxfordien.Limiter le relâchement des radionucléides et toxiques chimiques et les immobiliser dans le stockage
•
Alvéoles (particulièrement les matériaux employés) visant à protéger les déchets et les colis d’un point de vue physico-chimique l’altération est limitée autant que possible ;•
Conditions physico-chimiques dans les alvéoles limitant le relâchement et la mobilité des substances radioactives et toxiques chimiques (choix des matériaux employés ; éloignement de certains colis de déchets en fonction des perturbations qu’ils sont susceptibles d’induire ou de la sensibilité des substances qu’ils contiennent ; caractéristiques favorables du Callovo-Oxfordien : faibles écoulements d’eau, chimie de l’eau réductrice, transport par diffusion dominant…).Retarder et atténuer la migration des radionucléides
•
Épaisseur importante (au moins 130 m sur la ZIRA), capacité de rétention élevée et eaux interstitielles neutres et réductrices du Callovo-Oxfordien les concentrations en solution des substances radioactives et toxiques chimiques contenues dans les déchets sont limitées et la migration des espèces en solution est lente effet de dilution dans le temps et l’espace pour les substances radioactives et toxiques chimiques les plus mobiles ;
•
Implantation de l’installation souterraine dans la partie médiane du Callovo-Oxfordien en tenant compte des contraintes techniques de construction et d’exploitation, architecture planaire de l’installation les épaisseurs des gardes inférieure et supérieure du Callovo-Oxfordien de part et d’autre de l’installation fond de Cigéo sont élevées ;•
Géométries des alvéoles et des galeries de l’installation souterraine optimisées, particulièrement leurs longueurs la migration des substances radioactives et toxiques chimiques le long des ouvrages est limitée et la voie de transfert par le Callovo-Oxfordien est privilégiée.D’une manière plus générale, la conception de Cigéo, depuis le choix des grandes options jusqu’aux solutions techniques de détail, est guidée par la recherche des meilleures techniques disponibles qui permettent de répondre aux fonctions de sûreté, en tenant compte des contraintes techniques et économiques.
13 à minima sur 500 ans
La maîtrise de l’évolution du système de stockage sur le long terme et de son impact sur les fonctions de sûreté repose sur une maîtrise phénoménologique robuste des processus auxquels cette évolution est associée. Cela conduit à :
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limiter autant que possible les perturbations physiques et physico-chimiques induites sur la formation du Callovo-Oxfordien ainsi que sur les formations encaissantes, notamment celles sus-jacentes traversées par les liaisons surface-fond. Cela permet de s’appuyer autant que possible sur leurs caractéristiques initiales bien caractérisées, notamment grâce au Laboratoire souterrain, pour réaliser les fonctions de sûreté ;•
limiter autant que possible les interactions physiques et physico-chimiques au sein du stockage, dans une optique de simplification des processus à prendre en compte ;•
utiliser autant que possible des matériaux et des solutions techniques simples, robustes et éprouvés. En particulier l’Andra privilégie l’emploi de matériaux naturels pour les ouvrages de fermeture.4.2.4 Les exigences applicables à la conception de Cigéo
A l’ensemble des fonctions de sûreté après fermeture sont associées des exigences mises en application pour la conception de Cigéo et que l’Andra a rassemblées dès 2011.
Ces exigences reprennent les textes réglementaires et les guides de sûreté directement applicables à Cigéo (cas du guide de sûreté du stockage géologique (1)). De plus des référentiels de sûreté bâtis par l’Andra en adaptant les textes et pratiques non directement applicables à Cigéo (cas du référentiel incendie) sont associés aux exigences.
Les exigences applicables au projet Cigéo consolident également les autres besoins et recommandations exprimés par les parties prenantes (État, ASN, CNE, producteurs de déchets HA et MA-VL, acteurs locaux).
Les exigences reposent sur l’expérience acquise par l’Andra dans le Laboratoire souterrain et plus généralement par l’ensemble des études et recherches menées depuis 1991. Cela a permis notamment de traduire les objectifs de sûreté sur le long terme en options de conception constituant des données d’entrée pour les études confiées aux maîtrises d’œuvre et pour les essais.