Plus de 30 ans de recherches

L’histoire du projet

Les autres voies de gestion étudiées

La séparation / transmutation

Les recherches sur la séparation / transmutation ont été confiées au CEA. Les résultats de ces études ont conclu que ces techniques ne seront applicables qu’à certains radionucléides contenus dans les déchets de Haute Activité : les actinides mineurs (américium, curium, neptunium, ...).

Cette opération consiste à extraire les actinides (la séparation) grâce à des procédés chimiques, puis par une série de réactions nucléaires (la transmutation) à les transformer d’autres radionucléides à durée de vie plus courte ou en des éléments possédant une dangerosité plus faible. 

La loi du 28 juin 2006 a fixé que les études et les recherches sur la séparation/transmutation sont poursuivies en relation avec celles menées sur les nouvelles générations de réacteurs nucléaires ainsi que sur les réacteurs pilotés par accélérateur, dédiés à la transmutation des déchets, afin de disposer, en 2012, d’une évaluation des perspectives industrielles de ces filières et de mettre en exploitation un prototype d’installation avant fin 2020. Le CEA a donc poursuivi les études consacrées aux moyens de retirer des déchets les actinides mineurs (notamment l’américium, qui est le principal contributeur à la chaleur dégagée par les déchets à long terme) et a remis au Gouvernement, fin 2012, un dossier sur les perspectives industrielles de cette technique.

La séparation/transmutation vise à réduire le volume ou la dangerosité des déchets de haute activité. Si elle était mise en œuvre,  cette technologie s'appliquerait à de futurs déchets et non aux déchets déjà produits et entreposés. Elle ne remet pas en question la nécessité de disposer d'une solution de gestion à long terme comme Cigéo.

Au stade actuel, la transmutation totale des radionucléides à vie longue n’est pas maîtrisée du point de vue scientifique et technologique. Elle correspond encore plutôt à une piste de recherches. Elle n’a été réalisée que sur de petites quantités de matières et n’a pas été industrialisée. Une mise en œuvre opérationnelle nécessiterait de lever divers verrous technologiques en matière de séparation et de fonctionnement des réacteurs et des autres dispositifs nécessaires à la transmutation.

L’entreposage de longue durée

Les recherche sur l'entreposage ont également été confiées au CEA qui a étudié les concepts d’entreposage de longue durée en surface ou en subsurface. Après 15 années de recherche, le CEA a conclu que « Même si les concepts d’installations présentent une robustesse particulière aux aléas externes, techniques ou sociétaux, la surveillance et le contrôle de telles installations doivent être maintenus pendant toute la durée de leur vie pour garantir la reprise des colis. En effet, quelles que soient les dispositions constructives prises, il sera indispensable, lorsque les entrepôts auront atteint leur fin de vie, de reprendre les colis, éventuellement de les reconditionner et de construire de nouveaux entrepôts pour y transférer ces colis »

L’Autorité de sûreté nucléaire (ASN) estime que : "l’entreposage de longue durée ne constitue pas une solution définitive car il suppose le maintien d’un contrôle de la part de la société et leur reprise par les générations futures, ce qui semble difficile à garantir sur des périodes de plusieurs centaines d’années" (Avis de l’ASN du 1er février 2006 sur les recherches menées dans le cadre de la loi du 30 décembre 1991).

La loi du 28 juin 2006 oriente les études sur l'entreposage complémentaire au stockage. L'Andra est chargée de piloter ces nouvelles études et d'en assurer la coordination avec le stockage profond. La loi prévoit que les études soient menées en vue de crée de nouvelles installations ou de modifier des installations existantes, pour répondre aux besoins, notamment en termes de capacité et de durée.

De nouvelles installations sont en construction ou en projet sur les sites des producteurs pour entreposer les déchets dans l’attente de leur stockage et, pour les déchets de haute activité, d’assurer une phase de refroidissement préalable. Les recherches sont orientées vers l’augmentation de la durée de vie de ces futurs entrepôts et le développement de moyens de surveillance associés.

Par ailleurs, dans le cadre de la réversibilité du stockage, les études s’attachent à examiner les modalités de prise en charge de colis qui seraient retirés du stockage. Le bilan des études et recherches sur l’entreposage recense les nouveaux besoins en entreposage et présente les installations en construction ou en projet qui permettent d’y répondre. Il décrit les solutions techniques innovantes qui ont été étudiées depuis 2006 selon trois principes :

• le renforcement à une centaine d’années de la durée de vie des futurs entrepôts,
• la conception d’entrepôts plus polyvalents, permettant de prendre en charge une plus grande diversité des colis de déchets, et également l’accueil de colis de déchets et de colis de stockage,
• une modularité des futurs entrepôts, pour s’adapter au plus près des besoins.

Conformément au souhait des acteurs de Meuse et de Haute-Marne, Cigéo ne comportera pas d’installation d’entreposage qui pourrait se substituer à celles des producteurs, notamment pour le refroidissement des déchets HA. Seule une capacité tampon limitée et destinée à gérer les flux est prévue sur le site de Cigéo. Les études et recherches sur l’entreposage de l’Andra s’adressent donc à des installations d’entreposage implantées sur les sites de production de déchets (La Hague, Marcoule, Cadarache, Valduc).

Les recherches sur le stockage géologique

L'apport du Laboratoire souterrain

Grâce notamment au Laboratoire souterrain, les scientifiques de l’Andra mènent, en collaboration avec de nombreux partenaires français et internationaux, des expérimentations directement au cœur de la roche, afin de mieux connaître ses propriétés.
Deux objectifs :
• Confirmer les capacités de confinement de la roche argileuse dans laquelle serait implanté le stockage ;
• Vérifier en vraie grandeur les données acquises à partir d’échantillons sur ses caractéristiques mécaniques, thermiques, géochimiques et hydrauliques.

Les propriétés de confinement de la roche hôte

Afin d'évaluer le déplacement des éléments radioactifs dans la roche, l'Andra a mené des études portant sur :

• la composition chimique de l'eau contenue dans la roche,
• la perméabilité de la roche,
• la diffusion des solutés dans la roche (le mécanisme dominant de déplacement des éléments radioactifs dans la roche). 

Les conclusions de l'ensemble de ces travaux sont que :

• La couche du Callovo-Oxfordien a une perméabilité très faible. Les circulations d'eau sont très limitées, une molécule d'eau parcourt quelques centimètres en 100 000 ans.
• De par cette très faible perméabilité, les éléments radioactifs se déplacent préférentiellement par diffusion dans la roche et cette diffusion est très lente.
• La roche possède de fortes capacités de rétention pour la majorité des éléments radioactifs : la roche contient une part importante de minéraux argileux dont de la smectite qui fixe les éléments (et donc piège les éléments radioactifs).
• La majeure partie des éléments radioactifs est très peu soluble dans l'eau de la roche (du fait de la composition chimique de cette eau).

Le comportement et la composition chimiques des eaux souterraines

Les analyses de l’eau contenue dans la roche sont nécessaires car avec le temps, celle-ci va peu à peu dégrader chimiquement les colis de déchets (corrosion des conteneurs métalliques, dissolution des verres...), permettant le relâchement des substances radioactives.

Les études portent sur :

• la composition chimique de l’eau souterraine et sa capacité à dissoudre les éléments chimiques,
• les mouvements de l’eau et la façon dont les éléments qui y sont dissous se déplacent au sein de la roche.

Les roches argileuses choisies pour le stockage souterrain contiennent une très faible quantité d’eau. Celle-ci est présente dans les pores, espaces formés entre les minéraux. Environ la moitié de cette eau est fortement liée à la paroi des pores et donc immobile. Le mouvement de l’eau dans ce type de roche est donc très faible.

 

Les mouvements naturels du souterrain

Après le creusement d’une galerie, la roche se déforme dans le temps sous l’effet du poids et du mouvement naturel des terrains. Connaître les forces géologiques mises en jeu, leur orientation et le comportement mécanique de la roche est essentiel pour assurer la stabilité des ouvrages souterrains. Pour cela, des mesures, faites par exemple grâce à des filins, cordages très fins, tendus dans la largeur des galeries, estiment le mouvement des parois au 10e de millimètre près.

 

Le comportement de la roche suite à un échauffement

L'Andra a mené des recherches afin de comprendre le comportement hydromécanique de la roche lorsqu'elle est soumise à une élévation de température et notamment vérifier l’absence d’effet sur les propriétés de confinement. En effet les déchets radioactifs de haute activité dégagent de la chaleur (qui diminue au fil du temps avec la décroissance radioactive) et donc leur mise en place dans le stockage entrainera une élévation transitoire de température dans la roche.

Pour mener ces recherches, des expérimentations ont notamment été menées au Laboratoire souterrain. Le principe était de simuler l'échauffement grâce à des sondes chauffantes et de mesurer le comportement hydromécanique de la roche via des capteurs placés à leur pourtour. Ces expérimentations ont permis d'observer qu'il n'y avait aucun endommagement de la roche du fait de la température.

La conception du stockage

Afin de concevoir un stockage qui soit sûr dès sa construction et sur le très long terme, l'Andra mène des recherches et conduit des essais technologiques sur les modalités de stockage, les ouvrages et le comportement du stockage dans le temps. L'objectif étant de maitriser au mieux l’évolution des déchets, d’assurer la sûreté pendant toute l'exploitation et de préserver le milieu géologique afin de limiter sur le long terme le relâchement des éléments radioactifs.

Des recherches sont menées sur le choix des meilleures formulations de matériaux (acier, bétons, argiles), la définition des modalités de leur mise en place ainsi que les caractéristiques des ouvrages réalisés (épaisseur, densité…). .

De nombreux essais technologiques sont également conduits, au Laboratoire souterrain et en surface, afin de tester les solutions industrielles qui pourraient être utilisées pour construire, exploiter et fermer le stockage (essais de réalisation de conteneurs et d’alvéoles de stockage, tests de manutention des colis, de moyens de surveillance...).

Enfin, après le stockage de l’ensemble des colis de déchets, Cigéo doit être fermé afin d’assurer la protection de l’homme et de l’environnement à long terme, sans actions humaine. L’Andra a mis en place un programme d’essais important pour vérifier la faisabilité des scellements Un essai industriel en vraie grandeur a été réalisé afin de tester, à l’échelle de Cigéo, la construction d’un noyau à base d’argile gonflante avec ses massifs de confinement en béton. Cet essai a été réalisé dans le cadre d’une coopération européenne. Plusieurs essais, à différentes échelles, sont également en cours au Laboratoire souterrain.

Le comportement du stockage au cours de son exploitation et sur le long terme

Pour concevoir Cigéo et garantir la sûreté, il est indispensable de connaître le comportement des composants du stockage ainsi que les processus thermiques (échauffement de la roche par les colis de déchets), mécaniques (endommagement et convergence du massif rocheux), hydrauliques (mouvements des fluides) et chimiques (altération des matériaux et interactions avec les déchets) qui se dérouleront depuis l’ouverture du stockage jusqu’au million d’années.

Ces processus ont été reproduits au travers d’expériences, notamment en laboratoire souterrain et simulés pour évaluer leur évolution sur le long terme.

Les interaction entre roche et matériaux 

De nombreux matériaux seront utilisés dans un stockage souterrain :

• verres pour le conditionnement des déchets les plus radioactifs,
• inox pour certains conteneurs de déchets,
• béton pour certains conteneurs de déchets et le soutènement des ouvrages,
• acier pour les cintres qui consolident les galeries,
• argile gonflante pour la fermeture des ouvrages de stockage par exemple…

Au sein du stockage, l’eau contenue dans les pores de la roche entrera peu à peu en contact avec ces différents matériaux, engendrant des réactions chimiques : corrosion des métaux, dégradation des bétons ou encore dissolution des verres. Du fait notamment des faibles circulations d'eau dans la roche, ces réactions chimiques seront lentes, et petit à petit, sur des dizaines de milliers d'années, les colis relâcheront les substances radioactives qu'ils contiennent.

Ces processus de dégradation chimique des matériaux, mais aussi d'interaction chimique sur la roche argileuse font l'objet de nombreuses études, en particulier dans le Laboratoire souterrain. Les études portent sur :

• l'altération du verre : des tests, qui vont durer plusieurs années, sont menés pour mesurer la vitesse à laquelle le verre se dissout
• la corrosion des aciers : des essais sont mis en place pour mesurer la vitesse de corrosion des aciers au contact avec l'argile mais également pour étudier les produits chimiques issus de cette corrosion et leur impact sur les propriétés de l'argile
• la dégradation des bétons : l'objectif est de tester différentes compositions de bétons et d'étudier, pendant plusieurs années, leur évolution au contact de l'argile ainsi que les éventuelles conséquences sur les propriétés de l'argile
• l'impact des bactéries sur le stockage : qu'il s'agisse de bactéries déjà présentes dans la roche ou apportées par l'homme, des études sont menées sur l'évolution de ces micro-organismes et leurs éventuels effets sur les matériaux et sur la roche

La surveillance du stockage 

Le suivi du comportement et de l’évolution du stockage, pendant son exploitation, est indispensable à la sûreté. Des études et essais sont menés, notamment au Laboratoire souterrain, afin d’identifier les paramètres à surveiller, d’assurer la redondance, la complémentarité et la robustesse du système de mesures, de mettre à disposition des capteurs discrets, robustes dans le temps et autonomes.

Des tests grandeur nature

Quelques exemples de démonstrateurs

Les autres moyens et outils mis en œuvre

Les reconnaissances géologiques depuis la surface

Dans le cadre de la démarche de conception de Cigéo, l'Andra a mené un programme de reconnaissances géologiques depuis la surface. Ce programme a eu pour objectif de fournir une connaissance détaillée de la géologie de la zone souterraine susceptible d'accueillir Cigéo.

L’Andra a utilisé trois grands moyens d’études :

Les relevés cartographiques

Des relevés cartographiques de surface ont été réalisés depuis 1994 sur le site de Meuse/Haute-Marne. Ils contribuent à la définition du modèle géologique en trois dimensions du site, aux différentes échelles spatiales.