L’organisation spatiale de la charge thermique

5.3.1 À l’échelle du stockage et du milieu géologique environnant 5.3.1.1 L’indépendance thermique des zones de stockage

En raison de la décroissance dans le temps de la chaleur émise par les colis de déchets et les colis de combustibles usés, et de la forte cinétique de cette décroissance par rapport à la cinétique de propagation de la chaleur, l’influence thermique d’une zone de stockage ne se fait plus ressentir au-delà d’une distance de l’ordre de quelques centaines de mètres, aussi bien en vertical qu’en horizontal (Bauer, 2005). Ainsi, compte tenu des distances entre les zones de stockage (t 250 m), l’interaction thermique entre les différentes zones de stockage se limite à une élévation de température de quelques degrés Celsius au maximum.

5.3.1.2 Une charge thermique affectant principalement le stockage et les argilites du Callovo-Oxfordien

Pour une source de chaleur constante, le temps de transfert de la chaleur depuis le niveau du stockage jusqu’au toit et au mur de la couche du Callovo-Oxfordien est de l’ordre de plusieurs centaines d’années au millier d’années. Cette durée est largement supérieure à la durée de la décroissance significative du dégagement thermique des colis de déchets. En effet, en première approximation, durant la première centaine d’années, les puissances thermiques des colis de déchets C et des colis de combustibles usés décroissent d’un facteur deux tous les 30 ans (correspondant à la période du ¹³⁷Cs qui est le principal contributeur de la puissance thermique). La distance d’interaction thermique correspondant à une durée de 30 ans est de l’ordre de quarante mètres, soit moins que l’épaisseur de garde entre le stockage et le toit ou le mur de la couche du Callovo-Oxfordien (50 mètres en référence au niveau du laboratoire de recherche souterrain). Il en résulte que l’élévation de la température liée au stockage ne croît pas indéfiniment dans le temps, mais passe par un maximum qui est d’autant plus faible que l’on s’éloigne du stockage dans la couche du Callovo-Oxfordien, et a fortiori vers le Dogger sous-jacent et vers la surface à travers l’ensemble des formations sus-jacentes (Figure 5.3.1).

La charge thermique affecte donc principalement le stockage et la couche du Callovo-Oxfordien.

En outre, compte tenu des structures planes des formations géologiques et du stockage, et de la condition de température constante imposée en surface, la charge thermique reste localisée au droit des zones de stockage. Cependant, la conductivité thermique horizontale des argilites étant supérieure à leur conductivité thermique verticale, l’évacuation de la chaleur est sensiblement meilleure dans la direction horizontale que dans la direction verticale (la conductivité thermique horizontale des argilites est de 1,9 W.m^-1.°C^-1 et leur conductivité verticale est de 1,3 W.m^-1.°C^-1 (Andra, 2005h, chapitre 27).

Il en résulte une légère déformation (anisotropie) du champ thermique au droit du stockage. Enfin, la faible variabilité verticale de la conductivité thermique au sein de la couche du Callovo-Oxfordien n’induit pas de variations sensibles de la charge thermique et ce d’autant plus que l’on s’éloigne des ouvrages. Dans les formations encaissantes de la couche du Callovo-Oxfordien, à mesure que la distance aux ouvrages augmente, les variations de la conductivité thermique n’ont pas ou peu d’effets sur la charge thermique et celle-ci se dissipe de manière homogène.

5.3.2 A l’échelle d’une zone de stockage

5.3.2.1 L’effet du chargement thermique progressif lié à l’exploitation progressive d’une zone Une zone de stockage est exploitée progressivement par module et par alvéole au sein d’un module.

Ainsi, le chargement thermique d’une zone de stockage, à l’échelle des modules et à l’échelle des

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alvéoles de stockage est progressif. Les distances entre alvéoles de stockage de colis de déchets C ou entre alvéoles de colis de combustibles usés varient de 8 à 25 m selon le type de colis considéré, celles entre modules de l’ordre de 50 à 60 m. Les temps d’interactions thermiques pour ces distances varient respectivement de quelques années à plus d’une centaine d’années. Ces temps sont grands par rapport aux durées de chargement d’un module ou par rapport aux délais entre le chargement de deux modules adjacents. Il en résulte que les « décalages » liés à une exploitation progressive d’une zone de stockage affectent peu la charge thermique globale d’un module, puis d’une zone de stockage.

5.3.2.2 Un comportement thermique similaire entre modules et entre alvéoles d’un même module

Pour une même zone de stockage, seuls les modules immédiatement voisins interagissent thermiquement du fait de distances de 50 à 60 m entre deux modules adjacents. Compte tenu de l’organisation spatiale du stockage et de son exploitation progressive (donc d’un chargement thermique progressif), chaque module de stockage présente alors une évolution thermique identique qui se répète dans l’espace pour constituer l’évolution thermique globale d’une zone de stockage et du milieu géologique environnant. Il en va de même pour les alvéoles de stockage d’un même module.

5.3.2.3 Une uniformisation de la charge thermique au niveau des modules, puis de la zone de stockage

Dans un module de stockage, chaque alvéole atteint rapidement sa température maximale indépendamment des autres alvéoles. Puis, les dégagements de chaleur émis par les alvéoles se combinent et des élévations de température, plus basses, mais relativement homogènes, affectent graduellement l’ensemble du module. Le champ de température passe ainsi progressivement d’une somme de points chauds indépendants, correspondant aux alvéoles, à un unique point chaud correspondant au module de stockage (Figure 5.4.4 et Figure 5.4.5).

La charge thermique affecte dans un premier temps les alvéoles dans lesquelles sont introduits les colis de déchets. Le maintien de la ventilation dans les galeries d’accès durant l’exploitation d’un module, uniquement dimensionnée pour assurer des conditions de travail compatibles avec une présence humaine, empêche le réchauffement des galeries d’accès. Ainsi, l’uniformisation de la charge thermique au sein d’un module ne peut avoir lieu qu’après sa fermeture. De la même manière, l’uniformisation de la charge thermique à l’échelle d’une zone de stockage ne démarre qu’à partir de sa fermeture.

5.3.2.4 L’effet du positionnement du stockage sur la zone de transposition

La charge thermique à l’échelle de l’alvéole, du module et de la zone de stockage est spécifique du type de déchets et du concept de stockage considéré. En effet, les niveaux de température, les dates d’atteinte des températures maximales, les cinétiques de montée et de baisse de la température et les gradients thermiques dépendent de l’évolution du dégagement de chaleur des colis de déchets (et par conséquent de la durée d’entreposage préalable au stockage) et des propriétés thermiques des composants de l’alvéole. A contrario, la charge thermique du stockage dépend peu de la position du stockage sur la zone de transposition. En effet, la profondeur du niveau d’implantation du stockage variant de 500 à 630 m sur la zone de transposition (cf. § 3.3.1.1), la température initiale des argilites n’augmente que de 2 – 3 °C avec l’approfondissement. Dans la suite, la charge thermique est décrite pour un stockage situé en référence à 500 m de profondeur, correspondant à la position du laboratoire de recherche souterrain. À cet endroit, la température initiale des argilites est de 22 °C (cf. § 3.2.4 et (Andra, 2005h, chapitre 8)).

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Figure 5.3.1 La charge thermique des différentes zones de stockage à l’échelle du site

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5.4 Les charges thermiques des zones de stockage de déchets C et de