30 ans de recherches
Depuis 1991, des recherches ont été menées, selon différentes voies, sur la gestion des déchets radioactifs les plus dangereux. Ces recherches ont abouti au choix du stockage géologique profond, en 2006, dont les études ont été confiées à l'Andra. Pour étudier et concevoir le stockage géologique profond, l'Andra a conduit des recherches dans différentes disciplines allant de la géologie à la simulation numérique en passant par les études sur les matériaux ou encore l’environnement. Pour conduire ces études, la centaine de scientifiques de l'Andra s’appuie sur des partenaires français et internationaux reconnus dans leurs domaines. Elle développe et utilise également des outils parmi lesquels son Laboratoire souterrain de recherche en Meuse / Haute-Marne, son observatoire pérenne de l’environnement et des moyens numériques.
L’histoire du projet
Les autres voies de gestion étudiées
Avant que le choix du stockage géologique pour la gestion des déchets les plus radioactifs et à durée de vie longue ne soit inscrit dans la loi de 2006, deux autres voies de gestion ont été étudiées : la séparation / transmutation et l’entreposage de longue durée.
En effet, en 1991, le parlement s’est saisi de la question de la gestion des déchets radioactifs en votant la loi du 30 décembre 1991 dite « loi Bataille ». Cette loi a fixé les grandes orientations de recherche à mener sur la gestion des déchets les plus radioactifs. Trois axes de recherche ont été retenus : la séparation / transmutation, l’entreposage de longue durée et le stockage géologique profond.
Avis de l'ASN sur les trois voies de recherche
« L’ASN considère que la faisabilité technologique de la séparation et de la transmutation n’est pas acquise à ce jour. Même en cas de mise en œuvre d’une telle solution, l’élimination des déchets radioactifs de haute activité et à vie longue ne sera pas totale. Une autre solution de référence est nécessaire ».
« L’ASN considère que l’entreposage de longue durée ne peut pas constituer une solution définitive pour la gestion des déchets radioactifs de haute activité à vie longue ».
« Le dossier 2005 argile, remis par l’ANDRA à ses ministres de tutelle, en juin 2005, a été instruit par l’IRSN et a fait l’objet d’un avis du groupe permanent d’experts en charge des déchets radioactifs dans la séance du 12 au 13 décembre 2005. Ces examens mettent en évidence que des résultats majeurs relatifs à la faisabilité et à la sûreté d’un stockage ont été acquis sur le site de Bure. L’ASN considère que le stockage en formation géologique profonde est une solution de gestion définitive qui apparaît incontournable ».
Avis de l’Autorité de sûreté nucléaire (ASN) du 1er février 2006 sur les recherches menées dans le cadre de la loi du 30 décembre 1991.
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 : les actinides mineurs (américium, voire curium et neptunium).
La séparation/transmutation des actinides consiste à les extraire grâce à des procédés chimiques puis à les transformer, par une série de réactions nucléaires, en produits de fission analogues à ceux issus de la fission de l’uranium (césium 134 et 137, iode 129, sélénium 79, strontium 90, technétium 99, etc.). Par ailleurs, cela nécessiterait de nouvelles installations nucléaires qui elles-mêmes produiraient des déchets, déchets qui devraient également être stockés en profondeur. La séparation/transmutation ne supprime donc pas la nécessité d’un stockage profond.
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.
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).
Fin 2012 l'Andra a remis au Gouvernement un bilan des études et recherches sur l’entreposage.
Les recherches sur le stockage géologique
Les recherches sur le stockage géologique confiées à l'Andra par la loi de 1991 mobilisent des disciplines variées et portent sur différents aspects, en commençant par la connaissance des déchets et de la roche, mais également la conception du stockage, la surveillance et la transmission de la mémoire.
La connaissance du milieu géologique et de la roche hôte
Le choix progressif de l’implantation de Cigéo s'appuie sur une connaissance détaillée (géométrie, stabilité, homogénéité, continuité…) des formations géologiques, en particulier la formation du Callovo-Oxfordien, la roche qui accueillera le stockage, dite "roche hôte". Cette caractérisation du milieu géologique repose sur des études à différentes échelles spatiales (de l'échelle régionale à l'échelle du site), des forages, des mesures géophysiques et des observations en Laboratoire souterrain.
Une fois le site de Meuse / Haute-Marne sélectionné, des recherches ont été menées afin d'affiner la connaissance des caractéristiques de la roche hôte, ses capacités à confiner les éléments radioactifs et la capacité de réalisation d'ouvrage souterrains au sein de cette roche.
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).
Essai de diffusion au Laboratoire souterrain
Afin d'évaluer la diffusion des éléments radioactifs dans la roche, un essai a été conduit au Laboratoire souterrain de l'Andra en Meuse / Haute-Marne. Pour cela une solution contenant des traceurs très faiblement radioactifs (contenant des éléments radioactifs naturels ou tels que ceux utilisés en médecine) a été utilisée.
L'endommagement de la roche suite au creusement
Des études ont été menées sur le comportement de la roche au creusement, notamment grâce à des essais réalisés au Laboratoire souterrain. Depuis le creusement des puits du Laboratoire jusqu'aux galeries souterraines et démonstrateurs d'alvéoles de stockage, différentes techniques de revêtement / soutènement et différents diamètres d'ouvrages ont été testés . Cela a permis de vérifier, mètre après mètre, que la roche était bien régulière et n’avait pas été altérée par des phénomènes naturels, comme des séismes ou des glaciations. Des capteurs ont également été placés dans des forages de plusieurs mètres de longueur, autour des ouvrages, afin de mesurer en continu, pendant et/ou après le creusement des ouvrages, les déformations et les fissures qui apparaissaient à leur proximité.
Ces informations ont permis d’obtenir une cartographie de l’endommagement de la roche au pourtour immédiat des ouvrages. Cet endommagement a pour conséquence d’augmenter localement la perméabilité de la roche. Pour interrompre les éventuelles circulations d’eau dans ces zones de roche endommagée, des tests ont démontré l’efficacité d’un bouchon réalisé avec de l’argile gonflante (bentonite). D’autres expérimentations ont aussi révélé une caractéristique particulière de la roche hôte : lorsqu'elle est fracturée elle s’autocolmate progressivement grâce au gonflement d’une partie des minéraux argileux qu’elle contient, ce qui conduit la roche fracturée à récupérer une faible perméabilité. Les zones endommagées par le creusement sont suivies régulièrement pour connaître leur évolution dans le temps et en fonction de l’orientation des galeries.
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.
La surveillance du stockage et de l'environnement
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.
Être ingénieur instrumentation à l'Andra
Johan Bertrand, ingénieur en instrumentation, à la Direction de la Recherche et développement (service 3C pour Coordination opérationnelle, caractérisation et chaîne de données) participe à la conception du schéma de stockage, en mettant en place des tests et des mesures dans les alvéoles du Laboratoire. »
La robotique au service de la conception et de la surveillance
La transmission de la mémoire
En compléments des travaux techniques, des recherches sont menées en sciences humaines et sociales sur la thématique de la transmission intergénérationnelle et de l’appréhension des longues échelles de temps et de la mémoire.
Les moyens et outils mis en œuvre
Pour mener ces recherches, l'Andra a déployé différents moyens et outils de recherche : les reconnaissances géologiques, un laboratoire souterrain, des modèles numériques et un observatoire pérenne de l'environnement.
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.
Les forages
Depuis 1994, L’Andra a réalisé de nombreux forages. Ils permettent d’obtenir une description en une dimension du sous-sol et de prélever des échantillons de roches (carottes, débris) et de fluides pour étudier les différentes couches qui s’empilent les unes sur les autres. En 2008 l’un d’entre eux est allé jusqu’au Trias pour étudier les formations profondes et le potentiel géothermique.
La sismique
- La sismique 2D : d’octobre 2007 à septembre 2008, une campagne de sismique 2D (acquisition, traitement et interprétation des données) a été réalisée sur plus de 170 km de terrain de façon à fournir une information homogène du milieu géologique sur la zone de transposition.
Des ondes sismiques sont générées à l’aide de camions vibrateurs le long de trajets prédéfinis. Ces ondes ce réfléchissent sur les différentes couches géologiques et sont enregistrées à leur retour en surface par des géophones, petits récepteurs très sensibles.
Les géologues obtiennent ainsi des profils sismiques, véritables écographies du sous-sol. Des correspondances sont établies entre ces profils et les interprétations des mesures faites en forage pour construire une représentation en 3 dimensions de la zone étudiée.
- La sismique 3D : ce qui distingue l’acquisition 3D de la 2D est l’enregistrement simultané de plusieurs lignes de récepteurs, généralement disposées parallèlement (alors qu’en 2D, on n’enregistre qu’une seule ligne à la fois).
Entre mai et fin juillet 2010 une campagne de sismique 3D a été réalisée sur une surface totale de 37km² afin d’étudier la ZIRA, la zone d'intérêt pour la reconnaissance approfondie (la ZIRA a une surface de 28,5km2, mais la zone étudiée a été étendue pour tenir compte des effets de bord).
Pour mener cette campagne, ont été utilisés :
- 377 km de ligne d’émission 3D dont environ 180 km en forêt
- 464 km de ligne de réception 3D dont environ 230 km en forêt
Les expérimentations et essais menés au Laboratoire souterrain
Le Laboratoire souterrain est un outil de recherche unique en France : implanté à 490 mètres de profondeur, il permet de mener des travaux scientifiques et technologiques directement au sein de la couche d’argilite sélectionnée pour l’implantation de Cigéo.
Les études menées par l’Andra au sein de ce Laboratoire reposent notamment sur la mise en place d’expérimentations scientifiques, en collaboration avec de nombreux partenaires, et sur la réalisation d’essais technologiques, directement au cœur de la roche.
Les modèles et la simulation numériques
Pour concevoir ses centres de stockage et les exploiter, l'Andra doit faire la preuve que les solutions qu'elle mettra en œuvre seront sûres à long et très long terme. Il s'agit de comprendre, décrire et prédire les phénomènes qui existent ou existeront dans les stockages et leurs environnements naturels.
Cet objectif repose sur deux moyens complémentaires :
- En premier lieu, les modèles mathématiques permettent d'agréger et capitaliser les connaissances acquises sur les objets et les phénomènes.
- En second lieu, la simulation numérique qui est un des moyens privilégiés pour accéder à la description des phénomènes auxquels l'expérience seule ne permet pas de répondre en raison des échelles de temps considérées (jusqu'au million d'années), de la multiplicité des phénomènes susceptibles de se produire et du grand nombre de composants mis en jeu dans un stockage.
La simulation numérique aide ainsi à répondre à des questions concrètes telles que :
- pour concevoir le stockage : Quel est l'espacement idéal entre les colis et entre chaque alvéole pour garantir un niveau de température acceptable ? Quels doivent être les dimensionnements des structures de stockage ? Sur le plan de la durabilité du stockage, quels matériaux de construction sont les plus adaptés à leurs fonctions et à ce qu'ils vont subir à court, moyen et long termes ? Quels sont les échanges physico-chimiques, ont-ils un impact ? Sur quoi ?
- pour préparer la phase d'exploitation et de réversibilité : Comment doit-on concevoir la ventilation des galeries pour que la température offre des conditions de travail acceptables ?
- Si, après X années, on doit revenir dans une alvéole qui est déjà remplie, on y trouve quoi ? Si nous devons récupérer les colis, dans quel état seront-ils ? Quels composants du stockage et quel processus faut-il observer plus particulièrement ? Pendant combien de temps ? Avec quelle précision ?
- pour prévoir l'évolution du stockage : Quelle est la durée de vie des colis ? Comment l'eau peut-elle se déplacer dans le stockage et son environnement naturel ? Quels radionucléides seront relâchés et pourront migrer dans le stockage et dans son environnement naturel ? À quelle concentration et selon quels modes de migrations ? Quand ?
L'Observatoire pérenne de l’environnement et son écothèque
L’Observatoire pérenne de l'environnement (Ope) est un observatoire environnemental mis en place par l'Andra en 2007, sur le territoire d’accueil du futur Cigéo, en Meuse/Haute-Marne. Son objectif est d'établir un suivi de l'environnement pendant toute la durée séculaire de l’exploitation de Cigéo.
L’Ope s’inscrit dans le cadre de l’insertion de Cigéo dans le territoire et du dialogue avec les acteurs du territoire, afin de disposer des connaissances scientifiques quant à l’environnement et son évolution dans le temps, au-delà des exigences réglementaires en matière de surveillance des impacts de Cigéo.
L’Ope, qui couvre une superficie de 900 km² autour du Centre de Meuse/Haute-Marne et des futures installations du projet, comporte un ensemble d’observats mis en place en collaboration étroite avec le monde académique afin de disposer d’une connaissance pertinente et rigoureuse sur le plan scientifique. Ces observats doivent nourrir la vision macroscopique de l’environnement de l’Ope, suivant une zonation géographique autour de Cigéo.
C’est aussi dans ce cadre que l’Ope est intégré dans les structures de recherche nationales et internationales (AllEnvi, programme Européen) et dans de nombreux réseaux de recherche pilotés par des organismes de recherche. Au regard des spécificités de Cigéo, l’Ope évolue désormais vers un observatoire homme-environnement, avec une vision macroscopique de l’environnement du territoire, en se nourrissant à petite échelle des résultats des observats et des travaux menés dans d’autres observatoires ou ateliers environnementaux en France en particulier.
Dans le cadre de l'Ope, Depuis 2014, l’Andra dispose d’une écothèque sur son centre de Meuse/Haute-Marne. Cet outil de haute technologie est conçu et équipé pour la préparation et la conservation, sur le long terme, des échantillons environnementaux. L’écothèque permettra ainsi de garder la mémoire de l’environnement autour de Cigéo durant toute sa durée d’exploitation d’environ un siècle.