L’installation Cigéo après fermeture
3.2 Les quartiers et les alvéoles de stockage de déchets HA
Les alvéoles et quartiers de stockage de déchets HA contribuent à l’ensemble des fonctions de sûreté de Cigéo. A l’instar des conteneurs de stockage, l’Andra a retenu des options de conception sur la base des meilleures techniques disponibles, dans l’optique de contribuer au mieux aux fonctions de sûreté en tenant compte des facteurs techniques, notamment ceux liés à la phase d’exploitation, et économiques. Il est à noter un lien étroit entre la conception des conteneurs de stockage et celle des alvéoles, particulièrement leur chemisage.
On distingue un quartier de stockage de déchets HA0 (déchets moyennement exothermiques) et des quartiers de stockage de déchets HA1 ou HA2 (déchets fortement exothermiques). La conception de
ces quartiers et de leurs alvéoles se différencie par le dégagement thermique modéré des déchets HA0 qui autorise une plus grande densité de stockage, et par le calendrier de mise en stockage : la mise en stockage de déchets HA0 devrait être initiée dès la phase industrielle pilote alors que celle des déchets HA1/HA1 n’interviendra pas avant l’horizon 2075. Cette différence de calendrier permet d’anticiper pour les déchets HA1/HA2 des progrès supplémentaires en matière de connaissances et de démonstrations technologiques, offrant davantage de perspectives d’optimisation dans le cadre du développement incrémental de Cigéo.
Les options et exigences de conception retenues pour les alvéoles et quartiers HA pour contribuer à l’accomplissement des fonctions de sûreté de Cigéo sont présentées ci-après et retranscrites dans le Tableau 3.2-1.
Figure 3.2-1 : Schéma de principe de l’alvéole HA (cas des déchets HA1/HA2)
3.2.1 Options de conception, contribution aux fonctions de sûreté après fermeture 3.2.1.1 Contribution à la fonction « S’opposer à la circulation de l’eau »
Comme cela a été indiqué plus haut, chaque quartier de stockage HA de Cigéo est borgne par rapport au reste de l’installation souterraine pour limiter les flux d’eau entre l’installation souterraine et les formations sus-jacentes via les liaisons surface-fond, après fermeture. Le flux d’eau circulant dans chaque quartier se limite ainsi à celui qu’il peut échanger avec les argilites. Les vitesses d’écoulement d’eau dans le quartier se trouvent ainsi limitées. Les flux ne se cumulent que loin des alvéoles, au niveau des galeries de liaison.
3.2.1.2 Contribution à la fonction « Limiter le relâchement des radionucléides et les immobiliser dans le stockage »
Pour mémoire, la limitation du relâchement des radionucléides contenus dans les déchets HA repose en premier lieu sur une faible vitesse d’altération du verre nucléaire. Cette dernière dépend des caractéristiques intrinsèques du verre et des conditions physico-chimiques d’environnement dans l’alvéole HA (en particulier le pH de l’eau et la température à cœur de la matrice vitreuse lors de l’arrivée de l’eau dans les déchets, elle-même fonction de la durabilité de l’étanchéité du conteneur de stockage). Aussi l’Andra conçoit l’alvéole HA de manière à favoriser dans un premier temps la durabilité du conteneur de stockage, puis, après la perte d’étanchéité du conteneur, une faible dissolution du verre ainsi que la précipitation de la majorité des radionucléides.
La protection du conteneur de stockage est obtenue en conférant au chemisage la plus grande durabilité mécanique possible, en tenant compte des incertitudes scientifiques, des limites technologiques et des facteurs économiques : cela permet de retarder autant que possible la mise en contact du chemisage avec le conteneur de stockage. La protection du conteneur consiste aussi à éviter un environnement chimiquement agressif, à la fois pour le conteneur lui-même et pour le chemisage.
A l’instar du conteneur de stockage, le chemisage est réalisé en acier non allié et à bas carbone : il s’agit d’un matériau résistant vis-à-vis des contraintes mécaniques appliquées par les argilites, présentant un mode de corrosion à long terme prédictible (voir supra, la section relative au conteneur de stockage) et évitant tout risque de corrosion galvanique entre chemisage et conteneur. La sélection de la nuance d’acier doit être adaptée aux conditions spécifiques de réalisation et de chargement mécanique du chemisage (voir infra).
Les observations au Laboratoire souterrain ont montré l’existence d’une perturbation acide transitoire avec l’arrivée d’eau dans les alvéoles en provenance des argilites. Cette perturbation résulte de l’oxydation des pyrites en paroi de l’argilite pendant le creusement des alvéoles. Elle s’atténue dans le temps. Afin de prévenir une accélération de la corrosion du chemisage ainsi que du conteneur, l’espace annulaire entre le chemisage et la roche est occupé par un matériau visant à neutraliser cette perturbation acide transitoire. La formulation du matériau est étudiée pour concilier cet objectif avec celui d’un pH de l’eau venant au contact du verre après la perte d’étanchéité du conteneur qui soit le moins éloigné possible de la neutralité (l’Andra retient en particulier un pH initial du matériau inférieur à 11). L’étude de ce matériau est présentée infra (§ 3.2.3).
Par ailleurs, d’autres perturbations chimiques peuvent être générées par la galerie d’accès aux alvéoles. La conception de la tête d’alvéole vise à éviter que ces perturbations n’affectent la durabilité du chemisage et du conteneur, puis l’altération du verre :
•
Pendant la période d’exploitation, la tête d’alvéole (sa longueur et un dispositif d’obturation à l’interface alvéole/galerie) réduit les échanges gazeux avec la galerie d’accès, en particulier l’oxygène de l’air de ventilation de la galerie ; cela limite intrinsèquement les phénomènes de corrosion du chemisage et des conteneurs45 mais aussi l’oxydation des pyrites des argilites. Un comblement de l’espace annulaire à l’extrados du chemisage à proximité de la tête d’alvéole peut contribuer à diminuer l’accessibilité de l’oxygène dans l’alvéole.•
Après fermeture, la longueur de la tête d’alvéole HA (distance entre la galerie et le premier colis stocké dans l’alvéole) et son remplissage forment un tampon vis-à-vis de l’environnement physico-chimique de la galerie d’accès, et permettent ainsi de se prémunir du risque de propagation/court-circuit du panache alcalin lié à la présence de béton dans le revêtement de la galerie d’accès (voir infra, § 3.4.3).3.2.1.3 Contribution à la fonction « Retarder et atténuer la migration des radionucléides »
Le choix d’alvéoles horizontaux et de petit diamètre (alvéoles HA), implantés en partie médiane du Callovo-Oxfordien, permet d’optimiser les épaisseurs de garde d’argilites au-dessus et en-dessous pour retarder et atténuer au mieux la migration des radionucléides.
De plus, l’orientation des alvéoles suivant la direction de la contrainte principale majeure horizontale (N155°E) tend à minimiser l’extension verticale de la zone endommagée d’argilites. Cette disposition favorise aussi la construction des alvéoles et la pose de leur chemisage.
Afin de tirer le meilleur parti de la capacité de confinement du Callovo-Oxfordien, les alvéoles sont aussi longs que possible, en tenant compte des facteurs techniques (construction et exploitation) et économiques. Cela réduit la part de radionucléides susceptibles de migrer longitudinalement jusqu’à la galerie d’accès. La longueur de la tête d’alvéole y contribue aussi. Ainsi l’Andra retient une tête d’alvéole de longueur pluri-métrique et une partie utile où sont disposés les colis de stockage de longueur pluri-décamétrique.
45 La phase de corrosion généralisée en conditions oxydantes des éléments métalliques est ainsi limitée ; l’occurrence de processus de corrosion localisée par piqûres ou crevasses favorisés par l’oxygène est réduite.
Ces phénomènes de corrosion peuvent être associés à des cinétiques de corrosion élevées
3.2.1.4 Préservation des propriétés favorables du Callovo-Oxfordien
Pour préserver les propriétés favorables des argilites, il convient d’éviter qu’elles ne subissent un échauffement trop important à cause de la chaleur produite par les déchets HA. La hausse de température peut en effet générer des processus couplés complexes pour des températures supérieures à 100 °C dans la roche. En outre, les difficultés expérimentales d’acquisition des connaissances phénoménologiques sont alors nombreuses. Dans la continuité des Dossiers 2005 et 2009, il a été décidé de retenir une température maximale admissible de 100 °C pour les argilites, avec une marge de 10 °C, ce qui conduit à une température maximale de dimensionnement de 90 °C dans les argilites, permettant ainsi de prendre en compte les incertitudes sur les propriétés thermiques et les modélisations thermiques du stockage.
Par ailleurs la température génère au sein des argilites une augmentation de la pression interstitielle46. L’Andra a également retenu de dimensionner les quartiers de stockage HA de manière à éviter un risque de fracturation. L’indicateur retenu est la contrainte effective maximale de Terzaghi47 (σeff), en lien avec un comportement en traction avec, comme critères48 :
•
σeff (Terzaghi) < 0 en référence ;•
σeff (Terzaghi) < résistance à la traction de la roche (1,5 MPa), en variante pour les déchets HA1 /HA2.Enfin l’Andra a retenu de vérifier que l’évolution des températures, à l’échelle du Callovo-Oxfordien et jusqu’au million d’années, ne conduit pas à des transformations minéralogiques irréversibles significatives des argilites. Une température des argilites inférieure à 70 °C au bout de mille ans constitue un premier indicateur49.
L’architecture planaire en micro-tunnel des alvéoles HA est particulièrement favorable à la dissipation de la chaleur des déchets HA dans le Callovo-Oxfordien, en tenant compte des facteurs économiques50. Le dimensionnement thermique et THM des quartiers HA1/HA2 conduit à espacer les colis de déchets stockés dans les alvéoles pour réduire la densité de charge thermique. Cette disposition n’est pas nécessaire pour les déchets HA0. L’espace entre deux colis de stockage HA1/HA2 est occupé par des intercalaires de géométrie externe similaire à celle du colis de stockage (cf. figure ci-après), permettant de réduire les vides résiduels dans les alvéoles. Les matériaux constitutifs des intercalaires sont définis pour ne pas amener de perturbation physico-chimique dans l’alvéole, en tenant compte de leur dégradation progressive (enveloppe en acier spécifiée essentiellement pour répondre aux besoins de la phase d’exploitation, matériau de remplissage inerte51).
L’espacement entre les alvéoles au sein d’un quartier est également déterminé pour respecter les critères thermiques et THM ci-dessus.
46 L’augmentation de la pression interstitielle dans le Callovo-Oxfordien résulte de sa faible perméabilité et de la différence de dilation thermique entre l’eau porale et les phases solides des argilites. Suivant les niveaux de pression interstitielle et de contraintes atteints, ainsi que le chemin de chargement suivi (extension, cisaillement
…), la combinaison de ces deux augmentations peut conduire à un endommagement des argilites diffus et/ou localisé (fracturation/rupture).
47 Convention de signe : Une contrainte de compression est négative, une contrainte de traction positive.
48 L’approche prudente adoptée par l’Andra à ce stade consiste en la vérification de l’atteinte ou non de critères de rupture en post-traitement des calculs élastiques. La redistribution des contraintes et la diminution de la pression interstitielle dues à l’initiation de la plasticité ou de l’endommagement avant la rupture ne sont pas représentées.
49 Une incursion dans un domaine de fonctionnement thermique plus élevé en termes de couple 26Arrêté du 29 septembre 2005 relatif l'évaluation et à la prise en compte de la probabilité d'occurrence, de la cinétique, de l'intensité des effets et de la gravité des conséquences des accidents potentiels dans les études de dangers des installations classées soumises à autorisation.Version consolidée au 28 octobre 2015. (2015). , 27Conception des bétons pour une durée de vie donnée des ouvrages. Maîtrise de la durabilité vis-à-vis de la corrosion des armatures et de l'alcali-réaction. Etat de l'art et guide pour la mise en oeuvre d'une approche performantielle et prédictive sur la base des indicateurs de durabilité. (2004). Association Française de Génie Civil, Documents scientifiques et techniques. 252 p. pourra faire l’objet d’évaluation au cas par cas.
50 En comparaison d’autres concepts comme des puits verticaux, cette architecture minimise les volumes de roche à excaver, à critères de dimensionnement thermique identiques.
51 Par exemple un sable sec.
Les essais thermiques menés au Laboratoire souterrain à échelle réduite et à échelle 1 ont démontré la maîtrise de la dissipation de la chaleur dans le Callovo-Oxfordien (transfert de chaleur dominant par diffusion) et la validité des modèles et des outils de simulation pour le dimensionnement thermique de Cigéo.
Sur ces bases, le quartier HA0 comprend au stade de l’avant-projet sommaire environ 75 alvéoles de longueur 80 m et les quartiers HA1/HA2 comprennent au total environ 1 465 alvéoles de longueur 100 m. Le dimensionnement thermique sera mis à jour en phase d’avant-projet définitif.
La Figure 3.2-3 ci-dessous montre l’évolution de la température dans les argilites au droit de l’alvéole de stockage de déchets HA2 le plus chaud, avec le dimensionnement actuel. On notera ici que le critère dimensionnant est le critère THM et non le critère de température maximal de 90 °C dans les argilites.
.
Figure 3.2-2 : illustration d’intercalaire HA pour mise en alvéole HA1/HA2
Figure 3.2-3 : Evolutions temporelles de la température en différents points dans et autour de l’alvéole HA2 le plus chaud (l’évolution de la température dans les argilites en paroi est donnée par la courbe jaune)
Tableau 3.2-1 : Fonctions de sûreté, exigences et options de conception associées à l’alvéole HA
Exigences / performance Dispositions de conception Composant Un environnement physico-chimique
favorable à la protection des colis de déchets
L'emploi de matériaux cimentaires à proximité des colis sera limité autant que possible.
Tête d’alvéole HA
L’espace intérieur des têtes d’alvéole HA, à proximité des colis, sera rempli de manière homogène par un matériau argileux avec un pH proche de la neutralité (cf. les ouvrages de fermeture).
Tête d’alvéole HA
La conception de la tête d’alvéole HA (notamment sa longueur) visera à favoriser le maintien de conditions anoxiques dans la partie utile de l’alvéole HA en phase d’exploitation.
Tête d’alvéole HA
L’espace annulaire initial entre l’extrados du chemisage et le milieu géologique sera comblé par un matériau de remplissage, Le matériau utilisé et le procédé de mise en œuvre viseront :
> à réaliser un effet de neutralisation vis-à-vis de la perturbation acide transitoire induite par l’oxydation des pyrites en paroi de l’argilite.
> à limiter autant que possible les
perturbations chimiques induites sur le verre nucléaire et sur la mobilité des radionucléides dissous (après perte d’étanchéité du
conteneur de stockage).
> à réduire, au niveau de la tête d’alvéole, l’accessibilité de l’alvéole HA à l’oxygène provenant de la ventilation de la galerie d’accès.
Matériau de remplissage
Exigences / performance Dispositions de conception Composant Le risque de corrosion caverneuse devra
être évité au contact entre le conteneur de stockage et le chemisage, ainsi qu’entre conteneurs de stockage juxtaposés, le cas échéant
Interposition d’un matériau inerte vis-à-vis de la corrosion (patins en céramique industrielle également destinés à faciliter le glissement des colis dans le chemisage).
Patins
Le risque de couplage galvanique entre le chemisage et la surface externe du conteneur de stockage devra être évité.
Sélection des matériaux métalliques de
conteneur et de chemisage. Conteneur de stockage HA Chemisage Les effets significatifs de corrosion
radiolytique doivent être évités. L'épaisseur du conteneur de stockage sera telle que le débit d’équivalent de dose (DeD) au pseudo contact (5 centimètres), à l’interface métal-produits de corrosion, reste faible et en tout état de cause inférieur ou égal à la contrainte de 10 Gy/h.
Conteneur de stockage HA
La présence d’impuretés, les risques de corrosion localisée, la taille des défauts internes et les risques de fragilisation par l’hydrogène doivent être minimisés.
Procédés de fabrication du chemisage et des
conteneurs de stockage HA. Conteneur de stockage HA Chemisage Le risque de corrosion sous contrainte des
aciers utilisés pour constituer le conteneur et le chemisage doit être réduit.
La conception d'ensemble de l’alvéole HA de stockage vise à maintenir aussi longtemps que possible un fonctionnement mécanique du conteneur de stockage et autant que possible du chemisage dans le domaine élastique :
> Par le dimensionnement du chemisage.
> Par les nuances et microstructures des aciers sélectionnées pour leur sensibilité aussi faible que possible à la corrosion sous contrainte et pour leur limite élastique élevée.
Conteneur de stockage HA Chemisage
Préservation des propriétés favorables du Callovo-Oxfordien Les déformations différées des argilites
après rupture du chemisage doivent être limitées.
Le volume des vides résiduels dans les alvéoles après obturation sera faible et régulièrement distribué le long de l'alvéole.
Dans le cas des alvéoles HA de colis de déchets fortement exothermiques HA1/2, les vides entre les colis de déchets sont occupés par des intercalaires.
Colis de stockage HA Intercalaires
La température dans le stockage doit rester dans un domaine où les phénomènes sont maîtrisés : la température maximale des argilites doit rester toujours inférieure à 100 °C (pour tenir compte des incertitudes, une marge de 10 °C est adoptée).
L’augmentation de la pression interstitielle dans les argilites ne doit pas entraîner un risque de fracturation.
Les transformations minéralogiques significatives et irréversibles des argilites doivent être évitées.
Dimensionnement thermique du quartier et
des alvéoles HA. Quartier et
alvéoles HA
3.2.2 Retour d’expérience
Les options de conception de l’alvéole HA s’appuient sur le retour d’expérience de l’Andra notamment au travers des nombreux essais de démonstration réalisés au Laboratoire souterrain (Figure 3.2-4) :
•
qui ont montré la faisabilité (i) de réalisation d’alvéoles HA dans le Callovo-Oxfordien de longueur pluri-décamétrique (jusqu’à 100 m) avec une rectitude suffisante de l’ouvrage vis-à-vis des opérations de tubage à l’avancement et de celles de mise en place et de retrait éventuel des colis et, (ii) de mise en place d’un chemisage métallique constitué de tronçons de 20 mm d’épaisseur et 2 m de longueur.•
qui ont permis d’évaluer la zone endommagée d’argilites autour d’un alvéole HA (structuration et extension) et le comportement mécanique d’un chemisage soumis au chargement par les argilites sur plusieurs années.Ces essais de démonstrations ont été complétés par des essais en forage permettant d’appréhender le chargement anisotrope d’un chemisage du fait de l’anisotropie de la zone endommagée et le comportement en flexion du chemisage (ovalisation). Enfin, un essai d’injection de l’annulaire chemisage-argilites a été conduit au Laboratoire souterrain sur une longueur plus faible.
Figure 3.2-4 : Alvéole HA - Démonstrateurs au Laboratoire souterrain
Des essais sont programmés notamment sur le comportement du chemisage, les interactions entre les différents matériaux (Plan de développement des composants de Cigéo). Les résultats seront intégrés dans le rapport de sûreté qui servira de support à la demande d’autorisation de création.
Des études et essais sont aussi programmés au-delà, avant puis après la mise en service de Cigéo, dans l’objectif d’une part de consolider les acquis et d’autre part d’optimiser les solutions techniques.
Des essais de mise au point et de qualification d’alvéole HA de longueur augmentée (150 m) seront ainsi réalisés dans l’optique de consolider cette voie d’opportunité en vue de la réception de déchets HA1/HA2. Ces résultats s’ajouteront au retour d’expérience de l’observation des alvéoles HA0 (mis en œuvre dans le cadre de la phase industrielle pilote) pour optimiser la conception et nourrir la démonstration de performance des futurs alvéoles de stockage de déchets HA.
L’option de conception retenue à ce stade est fondée sur le retour d’expérience du Laboratoire souterrain, et s’inscrit dans une démarche progressive pour le dimensionnement de l’alvéole HA, qui comportera notamment :
•
la validation du concept de stockage en phase industrielle pilote avec des alvéoles de 80 m de longueur pour les déchets moyennement exothermiques (HA0),•
l’allongement des alvéoles (100 m) pour le stockage des déchets fortement exothermiques HA1/HA2 qui sera mis en œuvre au-delà de 2075.•
une optimisation consistant à porter la longueur des alvéoles HA1/HA2 de 100 m à 150 m, sous réserve d’une démonstration de faisabilité.Des solutions évolutives répondant à des fonctionnalités identiques sont à l’étude. Elles pourront notamment s’appuyer sur une conception avec des composants non métalliques ou avec d’autres
Des solutions évolutives répondant à des fonctionnalités identiques sont à l’étude. Elles pourront notamment s’appuyer sur une conception avec des composants non métalliques ou avec d’autres