Le quartier et les alvéoles de stockage de colis de déchets MA-VL

3.3.1 Options de conception

Les alvéoles de stockage MA-VL sont des tunnels orientés suivant la direction de la contrainte principale majeure.

Ils sont constitués d'une tête d'alvéole, d'une partie utile accueillant les colis de stockage de déchets MA-VL et d’une partie en fond d’alvéole⁵⁵.

La longueur de la partie utile de l’alvéole MA-VL est d’environ 500 m.

La Figure 3.3-1 illustre le schéma de principe retenu pour l’alvéole MA-VL en phase après fermeture.

Figure 3.3-1 : Illustration d’un alvéole MA-VL après fermeture -

La section courante de la partie utile dépend des types de colis stockés. Les alvéoles de stockage comprennent des agencements de colis⁵⁶ sur 1 à 2-3 colonnes/niveaux avec des sections excavées de 17 à 65-70 m². Le dimensionnement s’appuie sur le retour d’expérience disponible (cf. § 3.3.3). La Figure 3.3-2 illustre l’arrangement envisagé pour l’une des typologies de colis de stockage.

Une section de 110 m² est étudiée en variante dans une optique d’optimisation. Elle fera l’objet d’un démonstrateur pendant la phase industrielle pilote avant d’être mise en œuvre industriellement.

55 La partie fond est réservée à la sortie d'air de ventilation (local de filtration) pour répondre à une fonction de sûreté en exploitation (cf. Volume II et III du DOS-EXpl)

56 Le chapitre 3 du Volume II du DOS-EXpl précise les différents agencements.

Figure 3.3-2 : Illustration d’arrangement de colis de stockage dans un alvéole MA-VL

La réalisation de l’alvéole MA-VL s’accompagne de la pose de boulons et d’un revêtement en béton pour assurer la stabilité mécanique a minima jusqu’à la fermeture. Un béton de remplissage délimite une section de stockage rectangulaire adaptée au volume occupé par les colis de déchets.

Au stade de l’avant-projet sommaire, l’ensemble des alvéoles MA-VL sont regroupés dans un quartier unique (Figure 3.3-3). Les dimensions du quartier résultent :

•

du nombre d’alvéoles de stockage MA-VL nécessaires à l’accueil des colis de déchets MA-VL inventoriés, à savoir environ 50 au stade de l’APS. Ce nombre est lié notamment aux possibilités de co-stockage de familles différentes dans un même alvéole (voir infra) et à l’alternative entre la mise en conteneur de stockage des colis primairese et le stockage direct de certains colis primaires (Cf. Chapitre 2) ;

•

de la distance ménagée entre alvéoles adjacents ; un entraxe correspondant à cinq diamètres d’alvéole est retenu pour assurer une indépendance mécanique entre ouvrages⁵⁷. Ce point fera l’objet d’études en APD visant à diminuer cette distance dans la mesure du possible, sachant que la distance minimale pour respecter les exigences en matière d’interaction physico-chimique entre des alvéoles contenant des sels ou susceptibles de générer des espèces complexantes et les autres alvéoles est de 30 mètres (voir infra) ;

•

du réseau de galeries d’accès et de retour d’air ; des galeries d’accès « bitubes » sont définies pour réduire les risques en exploitation et offrir plus de flexibilité sur la gestion de l’installation.

La figure ci-après illustre le quartier MA-VL au stade de l’avant-projet sommaire.

57 La stabilité mécanique de chaque ouvrage pris individuellement permet alors d’assurer la stabilité d’ensemble du quartier.

Figure 3.3-3 : Illustration du quartier MA-VL à terminaison

Un objectif d’optimisation du quartier et des alvéoles MA-VL est étudié dans le cadre d’une densification du stockage ; celle-ci correspond à une diminution du nombre d’alvéoles, par modification de l’agencement des colis en augmentant le nombre de colonnes et de niveaux de 1 à 3-4 colonnes/niveaux.

Les sections excavées associées à cette densification sont de l’ordre de 30 à 110 m².

Le respect des différents critères cités précédemment devra être justifié pour ces configurations d’alvéoles.

3.3.2 Contribution aux fonctions de sûreté après fermeture

Les exigences et les dispositions de conception retenues pour l’accomplissement de ces fonctions sont retranscrites dans le Tableau 3.3-1.

3.3.2.1 Contribution à la fonction « S’opposer à la circulation de l’eau »

A l’instar des autres quartiers de stockage, le quartier de stockage MA-VL est borgne par rapport au reste de l’installation souterraine pour limiter les flux d’eau entre les ouvrages de l’installation souterraine et les formations sus-jacentes du Callovo-Oxfordien via les liaisons surface-fond.

3.3.2.2 Contribution à la fonction « Limiter le relâchement des radionucléides et les immobiliser dans le stockage »

L’alvéole MA-VL contribue à limiter le relâchement des radionucléides et toxiques chimiques et à les immobiliser dans le stockage en imposant un environnement chimique cimentaire⁵⁸.

58 Les matériaux cimentaires des alvéoles MA-VL assurent des conditions de pH élevées sur des durées supérieures à 100 000 ans. Puis la dégradation des bétons conduit à une diminution progressive des valeurs de pH jusqu’à des valeurs qui restent supérieures à 10,5 sur le million d’années.

Outre les effets favorables à la limitation des cinétiques de relâchement des radionucléides par les déchets métalliques activés et par les colis de déchets bituminés (pH>11 pour les déchets métalliques ; 7≤pH≤12,5 pour les enrobés bitumineux⁵⁹ ; voir la section 2.3), l’environnement cimentaire limite le transfert des radionucléides, en particulier des actinides, vers le Callovo-Oxfordien en favorisant leur précipitation et leur rétention.

L’important corpus de données acquises depuis de nombreuses années sur la caractérisation des propriétés des matériaux cimentaires vis-à-vis de la spéciation met en évidence, pour les états physico-chimiques des bétons⁶⁰:

•

une faible solubilité des actinides : les valeurs reposent à la fois sur de nombreuses connaissances acquises sur des calculs d’équilibre, des mesures apparentes effectuées dans les solutions cimentaires et sur des données de la littérature lorsque ces dernières sont jugées pertinentes vis-à-vis des compositions d’eaux cimentaires et des protocoles de mesure ;

•

des propriétés de sorption significatives des phases cimentaires : les valeurs reposent sur des mesures directes, des modèles calibrés pour un matériau d’intérêt (sur matériau ou suivant une approche « top-down ») et des modèles développés à partir de données issues de systèmes simples, tels que les silicates de calcium hydratés (CSH) (suivant une approche d’additivité des composants, ou « bottom-up »).

Par ailleurs, pour limiter la mobilité des radionucléides et des toxiques chimiques dans le système de stockage, une exigence⁶¹ porte sur la séparation entre les colis de déchets MA-VL susceptibles de générer des perturbations chimiques, notamment des espèces complexantes issues de la dégradation de matières organiques, et les autres colis de déchets. Ainsi, une distance minimale de 30 m sépare les alvéoles MA-VL contenant des types de déchets différents susceptibles d’interagir négativement.

La température à l’intérieur des alvéoles MA-VL est limitée :

•

pour préserver les caractéristiques des bétons : l’Andra retient un critère de 65 °C au contact des composants cimentaires ;

•

pour maîtriser le comportement des radionucléides dissous, celui-ci étant sensible à la température : l’Andra considère dans cette optique un critère de 70 °C.

Dans le cas particulier des enrobés bitumineux, on vise à limiter autant que possible leur température de stockage, en tenant compte des facteurs techniques, afin de limiter une possible sédimentation des sels qui se traduirait par une diminution de la capacité de confinement de l’enrobé (Tableau 3.3-1).

Cela passe par un stockage dans des alvéoles dédiés et par la distance horizontale séparant les alvéoles contenant des déchets MA-VL faiblement exothermiques tels que les déchets de structure (Figure 3.3-4).

59 Dans le cas où des bétons de type CEM V sont utilisés, on ne peut exclure la possibilité d’un transitoire de pH élevé (> 12,5) au contact de l’enrobé bitumineux. Néanmoins après ce transitoire, les conditions de pH au contact des enrobés diminuent du fait (i) de la dégradation des matériaux cimentaires et (ii) de la dégradation du bitume qui conduit au relâchement d’espèces acides.

60 Deux états du ciment sont considérés : état sain, c’est-à-dire matériau cimentaire en équilibre avec la portlandite après lixiviation des alcalins et état altéré, c’est-à-dire matériau cimentaire en équilibre avec les phases CSH après dissolution de la portlandite.

61 Cette exigence impacte l’exploitation du stockage notamment l’organisation dans l’alvéole MA-VL des colis de stockage et l’organisation dans le quartier MA-VL (cf section 1.6 relative aux caractéristiques dimensionnantes du DOS-EXpl).

Figure 3.3-4 : Evolution de la température dans un alvéole de déchets non exothermiques (noir) en fonction de la localisation ou du regroupement d’alvéoles de déchets MA-VL faiblement exothermiques à son voisinage

3.3.2.3 Contributions à la fonction « Retarder et atténuer la migration des radionucléides » Comme les autres quartiers de stockage, le quartier MA-VL adopte une géométrie planaire.

Il est positionné dans la partie médiane du Callovo-Oxfordien pour préserver des gardes d’argilites

« saines⁶² » aussi épaisses que possible au-dessus et au-dessous du quartier.

Cela impose d’adapter la longueur et la pente des alvéoles au pendage du Callovo-Oxfordien ; pour le dimensionnement du quartier, l’Andra a retenu un critère d’épaisseur minimale de 50 mètres.

La figure ci-dessous montre que les épaisseurs d’argilites situées au-dessus et en-dessous du quartier MA-VL sont de l’ordre de 70 m pour un positionnement du stockage en milieu du Callovo-Oxfordien.

62 L’épaisseur de garde verticale d’argilites saines est déterminée pour chaque ouvrage en soustrayant à la garde verticale au toit et au mur de l’ouvrage l’extension verticale maximale de la zone d’argilites endommagées respectivement en voûte et en radier.

Figure 3.3-5 : Epaisseurs d’argilites pour un stockage dont le plan médian serait positionné sur la surface du milieu géométrique du Callovo-Oxfordien

L’orientation des alvéoles de stockage MA-VL dans la direction de la contrainte principale majeure limite l’extension de la zone endommagée, comme l’ont montré les observations au Laboratoire souterrain.

Figure 3.3-6 : Effet de l’orientation des ouvrages souterrains sur l’EDZ dans l’unité argileuse du Callovo-Oxfordien

De plus, l’Andra limite les volumes vides résiduels et les volumes compressibles dans les alvéoles MA-VL afin de réduire autant que possible les déformations différées des argilites après rupture des revêtements et la création d’une ZFC (zone fracturée connectée) de sur-endommagement. L’extension de cette ZFC de sur-endommagement dépend en effet directement du taux de vide de l’alvéole MA-VL (Figure 3.3-7). Par exemple, un taux de vide de 10 % conduit à une extension de l’endommagement en voûte de l’ordre d’un diamètre et à une extension latérale légèrement supérieure à un diamètre. Les limites retenues par l’Andra en termes de volumes de vides sont définies en fonction de la hauteur excavée (29).

Figure 3.3-7 : Estimation des extensions horizontale et verticale de la zone de roche foisonnée (ZF) et de la zone de roche fracturée connectée (ZFC) à partir de la paroi excavée, en fonction du taux de vide

Cela repose sur :

•

le béton de remplissage qui permet d’adapter la chambre de stockage au gabarit des colis stockés ;

•

la géométrie des colis ;

•

la minimisation des jeux nécessaires à la manutention des colis dans l’alvéole, en tenant compte des autres contraintes techniques.

Par ailleurs une longueur des alvéoles MA-VL (partie utile et extrémités) aussi grande que possible et raisonnable tend à minimiser la part de radionucléides et toxiques chimiques susceptibles de migrer longitudinalement vers les galeries de liaison. Le choix de la longueur de 500 mètres pour la partie utile s’inscrit dans une optique d’optimisation en tenant compte également des autres facteurs, en particulier :

•

la nécessité mentionnée supra de limiter la longueur vis-à-vis de la préservation des gardes d’argilites au-dessus et au-dessous du quartier de stockage ;

•

les contraintes techniques de construction et d’exploitation ;

•

les contraintes retenues en matière de séparation des colis de déchets en fonction de leurs interactions physico-chimiques.

Tableau 3.3-1 : Exigences et options de conception associées

Exigences / performance Dispositions de conception Composant

La préservation des performances de confinement des déchets bituminés suppose le maintien d’une géométrie proche de la géométrie initiale. En effet les modèles de relâchement ne sont valables que dans un domaine de géométrie connu.

Les colis primaires de déchets bitumiés sont

maintenus en position verticale. Colis de stockage MA-VL (§ 2.5)

Les déchets bituminés sont stockés à une température modérée (30° C, sachant que des écarts restent possibles par rapport à cette valeur de référence⁶³) pour limiter l’occurrence d’un phénomène de sédimentation susceptible de modifier leur comportement sous irradiation et leur altération sous eau.

Les colis de déchets bitumés sont stockés dans des alvéoles dédiés.

Quartier et alvéole de stockage MA-VL

Le respect d’une gamme de pH basique permet de rester dans le domaine où le comportement de l’enrobé est connu. Plus particulièrement, on vise à maintenir un pH compris entre 7 et 12,5.

Utilisation de béton dans l’alvéole MA-VL

Conteneur de stockage MA-VL

Alvéole de stockage MA-VL Pour les déchets métalliques, il est imposé un

environnement cimentaire (pH > 11) associé à des conditions redox anoxiques. En effet ces

conditions sont favorables à de faibles cinétiques de corrosion par effet de passivation (pour les aciers), et doncà un lent relâchement des produits d’activation contenus dans les pièces métalliques.

Pour les déchets contenant en quantité

significative des radionucléides tels que le nickel, le cobalt, l'américium, le curium, le neptunium, le plutonium, des conditions cimentaires seront recherchées.

63 Pendant l’exploitation, la température dans l’alvéole de stockage est gérée de manière passive (cf. Volume III du DOS-Expl). Une flexibilité jusqu’à 40°C est associée à des situations exceptionnelles par exemple en situation incidentelle afin de se prémunir des effets cumulatifs vis-à-vis de la sédimentation associés à des cycles d’échauffement.

Exigences / performance Dispositions de conception Composant

La température dans les déchets MA-VL et leur environnement est inférieure à 70 °C.

Les alvéoles de stockage de déchets non ou peu exothermiques sont dimensionnés et placés à une distance suffisante des autres alvéoles pour que la température y reste en permanence inférieure à 70 °C.

Quartier et alvéole de stockage MA-VL

Les déformations différées des argilites après rupture du revêtement doivent être limitées.

Le volume des vides résiduels dans les alvéoles après obturation devra être le plus faible possible et régulièrement distribué le long et dans la section de l'alvéole, en tenant compte des contraintes techniques, afin d’éviter la propagation de désordres mécaniques dans les argilites à long terme, après perte d’intégrité des revêtements

Conteneur de stockage MA-VL

Alvéole de stockage MA-VL

Hormis pour les alvéoles de stockage de déchets susceptibles de générer des espèces

complexantes, l'utilisation de matières organiques ou de substances complexantes sera réduite autant que possible dans la constitution des conteneurs de stockage et des alvéoles. En particulier, pour le renforcement par fibres et l’adjuvantation des bétons, le choix des matériaux et leurs quantités devront être justifiés au regard de cette exigence.

Choix des matériaux constitutifs des conteneurs de stockage et du revêtement.

Conteneur de stockage MA-VL

Alvéole de stockage MA-VL

3.3.3 Retour d’expérience

Les enjeux scientifiques et techniques prioritaires de l’alvéole de stockage MA-VL concernent :

•

les techniques de creusement ;

•

le dimensionnement du revêtement/soutènement au regard de la section de l’alvéole et du mode de creusement considérés ;

•

les performances de l’alvéole en matière de durabilité mécanique et de limitation de l’EDZ au regard des conditions d’environnement (i.e. sollicitations internes et externes).

En ce qui concerne les techniques de creusement, des ouvrages du Laboratoire souterrain ont été construits avec des méthodes représentatives de celles des alvéoles MA-VL (MAP) dans la direction de la contrainte principale majeure. Cette technique a été testée jusqu’à un diamètre de près de 8 mètres (tronçon de galerie GRD3), représentatif d’alvéoles de stockage de 65-70 m². Le soutènement par béton projeté et boulonnage a été également testé (complété selon les cas par des cintres métalliques). La réalisation d’un béton de revêtement coffré a été testée sur un diamètre plus petit.

En matière de revêtement/soutènement, la stratégie expérimentale mise en œuvre au niveau principal du Laboratoire souterrain a été de réaliser des galeries orientées dans la direction de la contrainte principale majeure avec des soutènements/revêtements de plus en plus rigides afin de pouvoir comparer leur comportement à court et moyen terme. Les premiers soutènements en béton mis en œuvre étaient des soutènements dits « souples », c’est-à-dire accompagnant les convergences du terrain (béton projeté avec ou sans cales compressibles). Puis, des soutènements plus rigides (épaisseur accrue et revêtements coulés en place quelques mois après le creusement) ont aussi été réalisés afin de limiter les déformations du terrain et enfin, des revêtements posés rapidement après le creusement de la galerie (béton projeté épais lors en 2012, voussoirs en béton en 2013). Tous ces ouvrages sont ou vont être instrumentés. Les comparaisons des mesures de contraintes et de déformation dans et autour de ces différents soutènements/revêtements constituent un apport important pour le dimensionnement⁶⁴ des alvéoles MA-VL dans le cadre des études d’APS puis d’APD⁶⁵.

64 Au-delà des données de calage des modèles de comportement mécanique de l’argilite et du béton, elles donnent accès aux mécanismes d’interactions entre le terrain et les structures, qui peuvent avoir un impact fort sur le dimensionnement.

65 La zone fracturée connectée induite par le creusement présente des caractéristiques de plasticité et de déformations différées spécifiques. Cela induit un chargement « à court terme » anisotrope des revêtements

…/…

Figure 3.3-8 : Creusement de la chambre de montage du tunnelier pour l’essai GVA2 au Laboratoire souterrain (diamètre excavé de 9,1 m)

Afin de conforter la possibilité d’augmenter la section des alvéoles de stockage, des essais in situ sont envisagés dans le cadre de la phase industrielle pilote. Cela comprend la construction d’un alvéole d’essai intégrant tous les éléments de sa conception.

L’endommagement sera caractérisé et les contraintes et déformations dans le revêtement feront l’objet d’un suivi. Des essais inactifs d’exploitation y seront aussi réalisés.

Selon les résultats obtenus en phase industrielle pilote, la construction d’alvéoles de stockage MA-VL de diamètre supérieur à l’option actuellement retenue pourra être envisagée ultérieurement selon le processus de développement incrémental et déploiement progressif présenté dans le PDE (8).

3.3.4 Maîtrise des interactions physico-chimiques 3.3.4.1 Exigences de séparation des colis de déchets MA-VL

L’Andra a identifié trois catégories de colis de déchets MA-VL susceptibles de générer des perturbations physico-chimiques (cf annexe 9) :

•

MA-VL1 : colis de déchets non bitumés contenant une quantité significative de sels, générateurs d’une perturbation « saline » ;

•

MA-VL2 : colis de déchets bitumés, également générateurs d’une perturbation saline ;

•

MA-VL3 : colis contenant des matières organiques (polymères, cellulose), dont les produits de dégradation peuvent être complexants et affecter le comportement des radionucléides.

L’Andra retient de stocker les colis de ces trois catégories dans des alvéoles dédiés à chacune d’elles et suffisamment éloignés pour éviter que les perturbations engendrées n’affectent les autres catégories de colis de déchets.

Quatre autres catégories de familles sont identifiées :

même pour des ouvrages orientés parallèlement à la contrainte principale majeure comme les alvéoles MA-VL de stockage, soumis à un champ de contraintes isotropes.

•

MA-VL4 : colis de déchets non ou faiblement exothermiques cimentés ne contenant ni matière organique⁶⁶ ni sels ;

•

MA-VL5⁶⁷ : colis de déchets non ou faiblement exothermiques non cimentés⁶⁸ ne contenant ni matière organique⁶⁹ ni sels, notamment les déchets de structure issus du traitement des combustibles ;

•

MA-VL6 : colis de déchets vitrifiés, non ou faiblement exothermiques, éventuellement après une phase préalable d’entreposage de décroissance qui permet de les déclasser de la catégorie HA0 ;

•

MA-VL7 : colis de déchets sodés⁷⁰ 3.3.4.2 La perturbation saline

La dégradation des déchets MA-VL riches en sels conduit au relâchement de composés nitrates et sulfates susceptibles d’accroître la force ionique, en conséquences (i) de modifier la réactivité et la migration des radionucléides dans les argilites⁷¹, (ii) d’imposer des effets hygroscopiques et osmotiques dans les ouvrages.

Modification de la réactivité et de la migration des radionucléides

Des travaux sur les argilites ou sur des phases argileuses pures ont été menés pour évaluer les effets de la perturbation saline sur les propriétés de transfert des radionucléides. En champ proche, les effets attendus sont essentiellement :

•

une légère augmentation des propriétés de diffusion pour les espèces anioniques (diminution de

•

une légère augmentation des propriétés de diffusion pour les espèces anioniques (diminution de

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