Source : AIE

Source : AIE

L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE DEPUIS 40 ANS

55 Mtoe= 640 TWh

Source : AIE

L’ÉVOLUTION PRÉVUE

AUTRES SOURCESDE PRODUCTIOND’ÉNERGIE

Transmission

Énergiesrenouvelables

Réacteurs

Fabricationdu combustible

Enrichissement

Chimie

Traitement du combustible usé

Recyclagefabrication du combustibleMOX

Services

Pôle Amont

Pôle Réacteurs et Services

Pôle Aval

Pôle Transmission & Distribution

Distribution

Introduction7 7

Offre et demande d’Uranium

En 2015, près de 60% de la production primaire devra être assurée par des capacités nouvelles

Équilibre offre – demande

0

10000200003000040000

50000

6000070000

8000090000

1980

1983

1986

1989

1992

1995

1998

2001

2004

2007

2010

2013

2016

2019

Déstockages HEU

Production primaire

Besoins Réacteurs

Source: AREVA

Introduction8 8

Les acteurs majeurs de la production d’uranium représentent 3/4ème de la production mondiale

Chiffres 2007

Introduction9 9

Des objectifs ambitieux

Doubler la productionDevenir premier fournisseur mondial

Introduction10 10

AREVA est présent sur les zones clés

Canada Kazakhstan

Gabon

Niger

Mongolia

USA

Germany Russia

Offices

Mines operating

Mining projects under developmentExploration Mines reclamation

Australia

France

Finland

NamibiaSouth Africa

CAR

Senegal

INFLUENCE DE LA CONGÉLATION DES TERRAINS SUR LA STABILITÉ

DES OUVRAGES

Mines d’uranium de McArthur River et Cigar Lake, Canada.

Jean-Félix HUBERT

Travail d’option encadré par A. REJEB (AREVA NC, DRD) et M. HADJ-HASSEN (ENSMP)

Le bassin d’Athabasca

Situation géographique

Cluff Lake

McClean Lake

Key Lake

Rabbit Lake

WollastonLake

Midwest

SASKATCHEWAN

ALBERTA

Athabasca Lake

N

AthabascaSandstone

Basin

600 km

McArthur RiverCigar Lake

Le bassin d’AthabascaGéologie des gisements

McArthur River : méthode d’exploitation

Amas

Profondeur :~530 m

Tonnage :~180 kt U308 (12/2006)

Teneur :21 %

Production (2004) :

8,4 kt U308(~20 % du

total)

McArthur River : méthode d’exploitation

Ore zone Pilot hole

Reaming head

Profondeur :

530 m

Profondeur :

640 m

Raiseboring :

Trou pilote

Alésage

Comblement

Radioactivité

AlésageSource : Zakariae EL MARZOUKI (Travail

d’option 2007)

McArthur River : méthode d’exploitation

Ore zone Pilot hole

Reaming head

Profondeur :

530 m

Profondeur :

640 m

Raiseboring :

Trou pilote

Alésage

Comblement

Cigar Lake : méthode d’exploitation

Tonnage : ~100 kt U308Teneur : 20,7 %

Production prévue : 8 kt U308 /an

Lentille

Contact avec

l’aquifère

Profondeur :

465 m

Cigar Lake : méthode d’exploitation

Tunnelier

Jetboring :

Forages

Abattage : eau sous pression

Comblement

Niveau de congélation

Cigar Lake : historique Début des années 1980 :

reconnaissances. 89-90 : 1er puits. 91-92 :1ers essais miniers. Creusement du 2e puits. 1999 : incident au niveau 465, perte du

tunnelier. Septembre 2006 : reprise du

creusement. Octobre 2006 : ennoyage.

La technique de congélationDouble rôle :

Constitution d’une barrière étanche.

Renforcement de la roche.

La technique de congélation

150 kPa 600 kPa , -30°C 5000

kPa -36°C

100500 m3/h

La technique de congélationÀ McArthur River : murs de congélation

La technique de congélation

La technique de congélationÀ Cigar Lake

Cadre et objectif du travailComment déterminer l’influence de la

congélation sur la stabilité des ouvrages ?Problème thermique,

problème mécanique. Quels modèles adopter ?

Acquisition et analyse de données in-situ.

Développement et validation d’une approche de

modélisation

Répondre aux exigences opérationnelles les plus urgentes d’AREVA

PLAN DE LA PRÉSENTATIONI. Synthèse des travaux antérieurs

• Phénomènes physiques• Données disponibles• Modèles existants

II. Approche développée• Principe général : étude d’un forage et d’une galerie en axisymétrie.• Cas réel de Mc Arthur River :

- Comparaison axisymétrique / plan

- Comparaison des résultats avec les données de site

Conclusions et perspectives

PLAN DE LA PRÉSENTATIONI. Synthèse des travaux antérieurs

• Phénomènes physiques• Données disponibles• Modèles existants

II. Approche développée• Principe général : étude d’un forage et d’une galerie en axisymétrie.• Cas réel de Mc Arthur River :

- Comparaison axisymétrique / plan

- Comparaison des résultats avec les données de site

Conclusions et perspectives

I. Synthèse des travaux antérieurs

Bibliographie :- études sur Cigar Lake et Mc Arthur River modèles et données.

- P. Berest, Ph. Weber (coordinateurs), 1988, La thermomécanique des roches, BRGM. École d’été de thermomécanique des roches H. Côté, 2003, Comportement thermo-hydro-mécanique des géomatériaux poreux: approches expérimentales et numériques. Thèse de l’Université catholique de Louvain.

Déplacement au Canada et contacts

PLAN DE LA PRÉSENTATIONI. Synthèse des travaux antérieurs

• Phénomènes physiques• Données disponibles• Modèles existants

II. Approche développée• Principe général : étude d’un forage et d’une galerie en axisymétrie.• Cas réel de Mc Arthur River :

- Comparaison axisymétrique / plan

- Comparaison des résultats avec les données de site

Conclusions et perspectives

Phénomènes physiquesLa congélation provoque :

Changement de phase

Variation des caractéristiques thermiques et mécaniques : dilatation / contraction, fracturation thermique.

Mouvements d’eau (succion cryogénique)

Phénomènes physiquesOn fait les hypothèses suivantes :

Le changement de phase est isotherme : on ne tient pas compte de l’eau non-gelée pour T < 0°C.

Il n’y a ni drainage ni succion cryogénique.

PLAN DE LA PRÉSENTATIONI. Synthèse des travaux antérieurs

• Phénomènes physiques• Données disponibles• Modèles existants

II. Approche développée• Principe général : étude d’un forage et d’une galerie en axisymétrie.• Cas réel de Mc Arthur River :

- Comparaison axisymétrique / plan

- Comparaison des résultats avec les données de site

Conclusions et perspectives

Les données disponibles Parmi plusieurs sources on en retient 2 : 1

par mine.

Cigar Lake : étude de Golder en 2000.

McArthur River : mémoire de Master de T. Smith en 2005

Données : Cigar Lake Terrains non congelés : Essais en

laboratoire C, Φ, E, n, UCS pour grès, argile, socle.

Terrains congelés :

Données : Cigar Lake- Cellules de mesure de la pression radiale.- Mesure de la convergence- Cellules de mesure de la déformation longitudinale.Contrainte radiale dans le soutènement (O.G. : 4 MPa)

Convergence (O.G. : 35 mm)

Moment fléchissant

Données : Cigar LakeMesures : Excavation dans le terrain non-congelé. Congélation

Difficultés : La convergence résulte à la fois de la

congélation et de l’excavation. Manque de fiabilité des mesures.

Asymétrie.

Données : McArthur RiverÉtude de cas n°1 du mémoire de Master

de T. Smith.

0 5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

120

140

160

Courbes intrinsèques Non congélé Congélé

Confinement en MPa

Rési

stan

ce tr

iaxi

ale

en M

Pa

Très peu de mesures : 2 essais en compression

simple.

Estimation des paramètres grâce à la

littérature.

Données : McArthur RiverRecoupe de congélation, pendant la congélation

Faisceau de tuyaux de

congélation

Données : McArthur River

Coupe BThermocoupleExtensomètres : M903-01, M903-02

Données : McArthur River

Les courbes sont dans

l’ordre.

Données : McArthur River

0 20 40 60 80 100 120 140 160-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Extensomètre M903-10

6m

Temp

Temps en jours

Dépl

acem

ent e

n m

m

Corrélation entre la diminution de température et l’augmentation de la déformation.

Données : McArthur River

Fissure dans le béton projeté.

PLAN DE LA PRÉSENTATIONI. Synthèse des travaux antérieurs

• Phénomènes physiques• Données disponibles• Modèles existants

II. Approche développée• Principe général : étude d’un forage et d’une galerie en axisymétrie.• Cas réel de Mc Arthur River :

- Comparaison axisymétrique / plan

- Comparaison des résultats avec les données de site

Conclusions et perspectives

Modèles existantsCigar Lake Modélisation thermique, Geoslope

(2004) Rapport de Parsons-Brinckerhoff (1999) Rapport de Golder (2000)

Mc Arthur River Mémoire de MSc, T. Smith (2006)

Calculs mécaniques Calcul thermique préalable.

Objectifs : obtenir les champs de déplacement et de contraintes revêtement.

Hypothèses sur la congélation : isotherme, sans drainage

Thermoélasticité. Géométrie : plane ou axisymétrique.

Calculs mécaniques

Prise en compte du gonflement lors de la transition eau glace :

On introduit la valeur du gonflement selon T calcul compliqué avec le logiciel utilisé (PB)

ou Séparer les phénomènes (Golder)

Golder (2000)

Calculs mécaniques

Résultats :

Diminution de la variation de la contrainte avec la distance.

Zone d’influence ~ 20 m. Fortes contraintes dans le revêtement en

béton (résistance > 110 MPa)

PLAN DE LA PRÉSENTATIONI. Synthèse des travaux antérieurs

• Phénomènes physiques• Données disponibles• Modèles existants

II. Approche développée• Principe général : étude d’un forage et d’une galerie en axisymétrie.• Cas réel de Mc Arthur River :

- Comparaison axisymétrique / plan

- Comparaison des résultats avec les données de site

Conclusions et perspectives

Principe général Calcul thermique avec CHEF (logiciel de

calcul par éléments finis)

Transformation des résulats pour obtenir le gonflement.

Gonflement utilisé par le logiciel VIPLEF.

Interprétation et comparaison avec les données expérimentales.

Principe général

Tuyau de congélati

on(30 m)

6 m 300 m

300 m

Conditions initiales :T homogène = Tmax = 15°C

Conditions aux limites : - Tmax à l’infini- T imposée sur le tuyau, qui décroît de Tmax à Tmin=-30°C

Durée :2 ans.

Tmax

Tmax

Tmin

Principe général : thermiqueConductivité thermique variable.Capacité thermique variable : Capacité pour la roche gelée / non gelée Chaleur latente absorbée entre 0°C et

1°C

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 50

2

4

6

8

10

12

Capacité thermique

Principe général : thermique

Principe général : mécanique Calcul du gonflement : expansion de la

glace et contraction de la roche. Isotrope. Fourni directement à VIPLEF.

Calcul mécanique en élasticité linéaire.

Conditions aux limites : déplacement nul à l’infini.

Principe général : mécanique

UV

Principe général : mécanique

Gonflement, puis

compression

ConvergenceInfluence à distance du front de gel

PLAN DE LA PRÉSENTATIONI. Synthèse des travaux antérieurs

• Phénomènes physiques• Données disponibles• Modèles existants

II. Approche développée• Principe général : étude d’un forage et d’une galerie en axisymétrie.• Cas réel de Mc Arthur River :

- Comparaison axisymétrique / plan

- Comparaison des résultats avec les données de site

Conclusions et perspectives

Cas réel : McArthur River

Coupe B

PLAN DE LA PRÉSENTATIONI. Synthèse des travaux antérieurs

• Phénomènes physiques• Données disponibles• Modèles existants

II. Approche développée• Principe général : étude d’un forage et d’une galerie en axisymétrie.• Cas réel de Mc Arthur River :

- Comparaison axisymétrique / plan - Comparaison des résultats avec les données de site

Conclusions et perspectives

Cas cylindrique et plan Cylindrique

Plan

Timp

Timp

Tmax

Tmax

Tmax

Timp = -12°C

Tmax = 9°C

Cas cylindrique et plan Régime transitoire Comparaison de la taille de la zone gelée

avec des propriétés similaires.

Zone gelée plus étendue pour le cas plan

Cas cylindrique et plan Introduction d’un coefficient

d’ajustement α tel que :

Les deux zones gelées ont la même taille après un temps donné

Cas cylindrique et planValeurs retenues

0 50 100 150 200 250 3000

102030405060

Coefficient d'ajustement

Alpha

Temps (j)

Coeffi

cien

t al

pha

PLAN DE LA PRÉSENTATIONI. Synthèse des travaux antérieurs

• Phénomènes physiques• Données disponibles• Modèles existants

II. Approche développée• Principe général : étude d’un forage et d’une galerie en axisymétrie.• Cas réel de Mc Arthur River :

- Comparaison axisymétrique / plan

- Comparaison des résultats avec les données de site

Conclusions et perspectives

Cas réel de McArthur River

TH-20

T : Influence et choix de α

3 m

α = 27

T : Influence et choix de α

18 m

Carte des températures

Durée : 120 jours

TH-20

α = 27

Calcul mécanique

Poussée du mur de congélation

α = 27

Calcul mécanique

α = 27

Gonflement

Déplacement à la paroi 10 cm.

Calcul mécanique

α = 27

Déplacement : M903-02

1 m

Aucune cohérenc

e

Déplacement : M903-02

2 m

Allure comparab

le

Déplacement : M903-02

5 ml’écart d’amplitude diminue encore.

L’allure présente des similitudes, mais sans certitude

Tendance générale ?

PLAN DE LA PRÉSENTATIONI. Synthèse des travaux antérieurs

• Phénomènes physiques• Données disponibles• Modèles existants

II. Approche développée• Principe général : étude d’un forage et d’une galerie en axisymétrie.• Cas réel de Mc Arthur River :

- Comparaison axisymétrique / plan

- Comparaison des résultats avec les données de site

Conclusions et perspectives

Conclusions Analyse critique des méthodes utilisées Données de site analysées Simulation thermique et mécanique

pour une géométrie plane.

Calcul thermique validé Déplacement : allure ~correcte,

amplitudes non concordantes.

Perspectives Travailler avec des données de site de

meilleure qualité : instrumentation fiable et géométrie simple.

Prendre en compte le soutènement.

Modèle mécanique plus complexe : caractéristiques variables avec T, anisotropie du gonflement, modèle rhéologique…

Questions ?

Demi-convergence dans le cas axisymétrique : galerie + forage

Déplacement vertical pour M903-04

Déplacement vertical pour M903-09

Données : McArthur River