Avancement des travaux français sur l’aval du cycle nucléaire.

Stockage souterrain des déchets

Ghislain de MarsilyProfesseur à l’Université Paris VI

ECOLE DES MINES DE PARIS14 JUIN 2005

Fonctionnement pendant un an d’un réacteur 900 MWé à 70% de charge,Production 5,52 TWhé, avec retraitement à La Hague, pertes U-Pu 0,12%

Du minerai au combustible

Cycle en réacteur et retraitement

Inventaireen radionucléidesavant et aprèspassage en réacteur

235

236

238

U, Pu, Actinides

Produits de fission

Période kg/TWhé kg/an

Volume des déchets• Déchets A (Faible activité, teneur limite en

émetteurs alpha), origine majeure EDF : ~ 1 million de m3

• Déchets B (Moyenne activité, vie longue, émetteurs alpha), origine majeure Cogéma :

~100 000 m3

• Déchets C (Haute activité – Vie longue) verres et combustibles usés EDF :

~ 10 000 m3

• Déchets TFA, site de Morvilliers, démantèlement : ~plusieurs millions de m3

Historique de la recherche

• Années 50 : Ac des Sc. US dit « stockage géologique », des mines de sel du Kansas sont étudiées.

• Autres propositions :– Envoi dans l’espace (fusées, canon…)– Glaciers de l’Antarctique– Zones de subduction (plaque tectonique

plongeante)– Entreposage dans des déserts– Transmutation…

Historique de la recherche, suite

• Années 60 : un forage de reconnaissance fait par le CEA sous l’usine de La Hague, prises de contact avec les MDPA

• 1973 : Groupe Bertrand Giraud, rapport Gruson pour le Min. Environnement : entreposage, stockage

• Annés 70 : lancement d’un programme de recherche Européen. Carte des formations potentielles en Europe faite par le BRGM.

Historique de la recherche, suite• Années 70, suite :

-France, Angleterre : Granite

-Belgique, Italie : Argile

-Allemagne, Hollande : Sel

-Début du programmes international «Seabed» (stockage dans les fonds sous-marins, la France y participe; ce programme conduira à interdire l’immersion des déchets A en mer, que la France et surtout l’Angleterre ont pratiqué; arrêt des recherches vers 1985 par décision de la Convention de Londres (Droit de la Mer)

Formation hôte

Aquifère

Aquifère

Rôle de la formation hôte• Protéger des « accidents » de la surface• Assurer un environnement stable et

favorable à l’intégrité des barrières ouvragées sur des durées très longues

• Après dégradation des barrières ouvragées, ralentir la migration des radionucléides dans l’environnement :– Faible vitesse d’écoulement,– Grande porosité d’eau immobile– Capacité d’adsorption et d’insolubilisation

• Dilution et retard des radionucléides avant retour à la biosphère

Historique de la recherche, suite

• Fin années 70 : recherches de sites granitique en France, massifs A et B «secrets» en Bretagne, forage profond d’Auriat dans le Massif Central, expériences en laboratoire dans la mine de Fanay-Augères, près de Limoges

• Tentative d’ouverture d’un site de stockage de déchets A sur le site de la Mines des Bois Noirs (ex mine d’uranium),fortes protestations…

Historique de la recherche, suite

• Années 1980 : Commissions « Castaing »– Non remise en cause du retraitement– Stockages de déchets A, RFS, choix du site

de Soulaines (sables sur argiles)– Elargissement du choix de types de roche– Rapport « Goguel » sur les critères de choix

de sites, RFS stockages profonds

• Lancement d’un programme du CEA sur 4 types de roches :– Sel de Bresse

– Argiles du Toarcien près de Laon

– Ardoises près d’Angers, en Vendée

– Granite en Bretagne

Historique de la recherche, suite• Forte opposition en Vendée, en Bresse• Moratoire du Gouv. Roccard 1988• Mission confiée à M. Christian Battaille, Député

du Nord• Loi de 1991 sur les déchets nucléaires :

– Axe 1 : séparation poussée et transmutation– Axe 2 : stockage géologique, réversible ou non, construction de

Laboratoires souterrains pour ausculter les roches…– Axe 3 : entreposage de longues durée (300 ans…)

(Entrevue avec Straus-Kahn)

• Fixe 15 ans de recherche (1992-2006)• Création de l’ANDRA, EPIC sous la tutelle de l’Industrie, la

Recherche et l’Environnement

• Création de la CNE : Commission Nationale d’Evaluation relative aux recherches sur la gestion des déchets radioactifs

La CNE• 12 membres, 6 nommés à parité par

l’Assemblée et le Sénat, dont au moins 2 étrangers, sur proposition de l’OPECST;

• 6 membres nommés par le Gouvernement– 4 sur proposition de l’Académie des Sciences– 2 sur proposition du Conseil Supérieur de la Sûreté et

de l’Information Nucléaire

• Rédige chaque année un rapport sur l’avancement des recherches, remis au Gouvernement et au Parlement

• Rédige pour 2006 un rapport global sur les recherches et leurs conclusions, pour contribuer à préparer un projet de Loi à examiner en 2006

Environ 100 pages

La CNE, suite• Bernard Tissot, Président• Pierre Berest• Robert Dautray• Jean-Claude Duplessy• Robert Guillaumont• Juan-Manuel Kindelan (Espagne)• Jacques Lafuma• Jean Lefèvre• Ghislain de Marsily• Olivier Pironneau• Jean-Paul Schapira• Claes Thegerström (Suède)

La CNE, suite• Mode de fonctionnement : auditions des

«acteurs de la Loi» (ANDRA, CEA, COGEMA, EDF,…), environ 120 auditions et 100 réunions de travail en 11 ans

• Visite des installations de recherche Françaises dans les trois axes de la Loi

• Visites similaires en Allemagne, Suède, Finlande, USA, Canada, Hollande, Espagne

• Rendez-vous annuel avec les CLIS des sites Andra

Historique de la recherche, suite• Mission de recherche de sites potentiels

confiée au Député Bataille par le Gouvernement

• Concertation avec les Assemblées Territoriales

• Choix de quatre départements : Gard, Vienne, Meuse, Haute Marne

• Réduction à trois zones en 1994 :– Argile du Callovo-Oxfordien, site de Bure, confins Meuse / Haute

Marne– Granite sous recouvrement sédimentaire, seuil du Poitou, Vienne– Silts argileux, Marcoule, Gard

Parenthèse : étranger ?• US : déchets B militaires, stockage dans le

sel, WIPP au nouveau Mexique, ouverture du site au stockage fin des années 1990

• US : initialement, trois roches (Basalte, Etat de Washington, près de Hanford; sel, Texas; Tuffs volcaniques, Yucca Mountain, Nevada, dans l’enceinte du terrain militaire de tests aériens et souterrains des armes nucléaires, près de Las Vegas. Combustibles irradiés et verres

• Choix réduit à YM en 1980, trop cher….

Parenthèse : étranger, suite

• Suède et Finlande : granite, combustibles non retraités insérés dans un conteneur de cuivre épais. Labo expérimentaux de Strippa et d’Äspö.

• Allemagne : Dôme de sel de Gorleben, en panne (très forte opposition locale), verres et CU

• Allemagne : Formation calcaire sous couche d’Argile, mine de Conrad, déchets B, approuvée par les autorités de sûreté, mais en panne…

Parenthèse : étranger, suite

• Belgique : Creusement d’un Laboratoire dans l’argile a Mol (Centre Nucléaire)

• Angleterre : projet de stockage dans des formation volcaniques près de Sellafield (usine de retraitement), Verdict d’une Commission de planning local défavorable, échec. Vagues projets de reprendre la réflexion (Commission sénatoriale Flower)

• Canada : granite, Commission Seaborn, échec. Arrêt. Réflexion en cours

Parenthèse : étranger, suite

• Suisse : recherches initiales sur le granite, tunnel expérimental de Grimsel, arrêté. Verres et CU.

• Tentative de création d’un stockage de déchets B dans les Marnes de Wallenberg, deux référendums, échec

• Recherches dans l’argile, jugée préférable au granite, Site près de Zürich, argiles à Opalines, étudiées aussi dans un tunnel routier dans le Jura à Mont Terri

Parenthèse : étranger, fin

• Espagne, Italie, reste de l’Europe : pas grand-chose

• Japon : granite, formations volcaniques, argiles.

• Le Japon a opté pour le retaitement

• Corée : granite

• Russie : pas clair, le nettoyage des sites contaminés et la première priorité

Déroulement en France

• Axe 1: séparation des actinides mineurs faisable au niveau du laboratoire avec des molécules extractantes en phase liquide

• Transmutation, faisabilité scientifique très préliminaire, SuperPhénix, Phénix, retards

• Deux voies possibles, – En réacteurs à neutrons rapides… 2040..– En réacteurs rapides sous-critiques dédiés,

couplés à un accélérateur… projet Européen

Déroulement en France, suite

• Axe 3 : Entreposage de longue durée :– Durée en 100 à 300 ans– Choix de conteneurs, compatibles avec un transfert

ultérieur en site de stockage– Concepts en surface (casemates)– Concepts en sub-surface (flanc de colline)– Faisabilité industrielle acquise sur 100 ans– Faisabilité bien dégrossie sur 300 ans

• Concept de reconstruction périodique de l’entrepôt tous les 300 ans : jusqu’à + ∞, mais problèmes sociétaux….

Axe 2, stockage

• Bonne progression des travaux sur les 3 sites retenus, jusqu’en 1998. Géophysique, forages depuis la surface. Dépôt des demandes d’Installation des Laboratoires sur les 3 sites

• Avis négatif de la CNE sur le granite de la Vienne

• Décision du Gouvernement de retenir Bure (MHM), d’abandonner la Vienne sur les recommandations de la CNE, et retrait du dossier Gard sous la pression des vignerons.

• Demande à l’Andra de proposer un nouveau site granitique

Axe 2, stockage

• Granite : sélection de 172 massifs granitiques potentiels, réduction par critères successifs à 15 sites (Massif Central, Bretagne), tenus secrets

• Mission « granite » confiée à trois Hauts-fonctionnaires (CM, CGR, Préfet)

• Echec de la Mission Granite• Décision du Gouvernement de charger l’Andra

d’étudier les granites en collaboration avec des Pays étrangers, et de regarder la transposabilité des résultats aux granites Français

Recherches à Bure• interprétations des données des 68 forages pétroliers

existants, et de 1300km de profils sismiques 2D existants ;• réalisation et interprétation de trois profils sismiques 2D de

haute résolution supplémentaires (d’une longueur de 15km) ;• réalisation et interprétation d’une campagne sismique 3D sur

une surface de 4 km²; l’interprétation de ces données permet de bâtir une image tridimensionnelle du sous-sol, à la manière d’une tomographie médicale par scanner ;

• réalisation de 27 forages dans le secteur, sur une longueur totale forée de 5 km, et où 4,2 km de carottes de roche ont été récupérées, dont 2,3 km dans le Callovo-Oxfordien. 23 de ces forages sont verticaux et 5 sont déviés, ce qui a permis une meilleure reconnaissance de la formation selon la direction horizontale et de rechercher la présence éventuelle de fractures d’orientation verticale, dont la présence était parfois soupçonnée, et que des forages verticaux ne pouvaient pas recouper ; en revanche, les forages horizontaux et déviés, bien orientés, ne pouvaient les manquer ;

Recherches à Bure, suite• prélèvement de 22.700 échantillons de roches, dont 5.300

échantillons ont été analysés en laboratoire ;• prélèvement et analyse de 7.300 échantillons d’eaux de la

plupart des forages réalisés, à différents niveaux sur la verticale, pour reconnaître les fluides présents dans les différentes formations géologiques présentes au-dessus de la couche cible, au sein de celle-ci, et en dessous ; des mesures locales de la perméabilité des niveaux rencontrés ont également été effectuées in situ, par injection ou pompage d’eau, sur environ 50 chambres de mesure ;

• fonçage de deux puits d’accès à la couche, pour pouvoir y construire le laboratoire Souterrain ; le puits dit Auxiliaire, est arrivé à sa profondeur nominale, 490 m, en octobre 2004 ; dans le puits dit Principal, une galerie expérimentale est opérationnelle depuis novembre 2004 à la profondeur de 445 m. Le puits est actuellement (début juin 2005) à la profondeur de 470 m environ, et devrait arriver à sa base, à 490 m, en octobre 2005 après la réalisation des expérimentations qui y sont prévues ;

Recherches à Bure, suite• levés géologiques détaillés tout au long du fonçage de ces puits,

par une équipe de géologue, après chaque volée, pour reconnaître dans le détail les formations traversées, les photographier, échantillonner les roches et les fluides, observer les éventuelles fractures ou anomalies qui pourraient se présenter ; mesure en continu des débits d’eau parvenant aux puits pendant leur fonçage issus des formations géologiques traversées ;

• creusement d’un galerie horizontale expérimentale en T, appelée « la niche », à partir du puits principal, à la profondeur de 445 m, (partie supérieure du Callovo-Oxfordien ; cette galerie, d’une longueur cumulée de 35 m, a permis de voir sur une grande surface la roche, d’observer son comportement mécanique, et d’y mettre en place des expériences ; elle a en effet été équipée de 40 forages horizontaux, verticaux ou déviés, d’une longueur de 10 à 15 m chacun, pour y installer des instruments de mesure et d’expérimentation ;

Recherches à Bure, suite• les expériences mises en œuvre dans cette niche ont débuté

fin janvier 2005, et visent à : (i) reconnaître le comportement mécanique de la roche dans le temps, en particulier lors de la prolongation du fonçage du puits principal ; (ii) recueillir des fluides au sein de la roche cible (en cours) ; (iii) lancer une expérience de migration de solutés par diffusion au sein de la roche cible (en cours), qui permettra d’estimer in situ les coefficients de diffusion de divers solutés ainsi que certains coefficients de rétention par la roche ;

• lancement en mars 2005 d’une seconde expérience de migration de solutés par diffusion dans la roche in situ, à partir d’un forage fait depuis la surface ; cette opération techniquement très difficile, est une « première mondiale » qui doit être saluée et dont les résultats seront très importants pour conforter ceux obtenus à partir de la « niche » ou de la galerie du fond ;

Recherches à Bure, suite• creusement d’autres galeries expérimentales à la profondeur

de 490 m à partir du puits auxiliaire, c'est-à-dire à peu près au milieu de la couche cible, ce creusement, actuellement en cours, devrait être achevé au plus tard en décembre 2005, il permettra de poursuivre l’observation directe de la roche, sur une longueur de galerie cumulée de 200 m; de plus, les expériences supplémentaires suivantes y seront mises en place : (i) caractérisation et tentative d’interruption de la zone endommagée de la roche entourant la galerie, du fait de l’excavation ; cette zone, appelée communément l’EDZ (Excavation Disturbed Zone, en Anglais), joue un rôle fondamental dans le comportement d’un éventuel stockage en formation géologique ; (ii) poursuite de la caractérisation mécanique à long terme de la roche cible ; (iii) mesures in situ de la conductivité thermique de la roche ; (iv) échantillonnage des eaux interstitielles de la roche, mesures de la perméabilité ; (v) nouvelles expériences de diffusion in situ.

Géologie

Coupe Est-Ouest du Bassin de Paris

Concepts de Stockage

Installations d’un stockage

Installations de surface (installations nucléaires, bâtiments techniques et administratifs, verse)

examen des principes sur la base du retour d’expérience industriel existant

Ouvrages de liaison jour / fond

étude de la conception (dimensionnement, équipement, réalisation)

Installations souterraines (zone d’accueil fonds, galeries de liaison, zones de stockage) étude de la conception (dimensionnement, équipement, construction) et de l’exploitation

Surface : les installations nucléaires

• Installation d’accueil des colis primaires = réception des emballages de transport et déchargement des colis primaires

• Bâtiments d’entreposage = capacité tampon afin de réguler en entrée les fluxà stocker

• Ateliers de conditionnement = conditionnement des colis primaires en colis de stockage (B, C et CU)

préfabrication est privilégiée et les opérations en cellule sont limitées au maximum (mise en place des colis primaires dans les colis de stockage, fermeture des colis de stockage)

Fond : organisation des architectures souterraines

• Architecture horizontale et positionnement au milieu de la formation

• Un fractionnement du stockage

- séparation des zones de stockage des différents déchets (B, C, CU) afin de limiter les interactions (environ 250 mètres entre chaque zone).- organisation en modules indépendants (distance de garde de l’ordre de 50 mètres) afin de permettre une progressivité de la construction, une flexibilité de la gestion du stockage

• Architecture borgne auxdifférentes échelles(zones,modules, alvéoles) etregroupement des accès

Les ouvrages de liaison jour / fond

• Quatre puits pour quatre fonctions distinctes:- puits de descente des colis (cage de capacité 110 tonnes)

;- puits de descente du personnel, pouvant aussi assurer

le transport de petit matériel - puits d’entrée d’air ;- puits de service - cage capacité de 40 t (déblais, gros

équipements, matériaux). Fonction de puits de secourspour le personnel et l’entrée de l’air ;

- puits de ventilation pour le retour d’air, avec fluxséparés (zones à activités minières et désenfumageen cas de situation accidentelle, zones nucléariséesavec filtration.

• Les diamètres utiles des puits sont d’environ 6 à 12 mètres, correspondant à des diamètres classiques d’installations minières.

• L’équipement des puits est de type cage, contrepoidset poulie à friction «Koepe » largement éprouvédans le monde minier et ayant démontré sa fiabilité.

Une descenderie étudiée en variante

- Une descenderie présente l’avantage d’une plus grande souplesse d’utilisation car ne nécessite par de rupture de charge et est moins techniquement contraignante.

- Toutefois les flux qu’il est possible de transporter sont généralement plus faibles (durée de descente/remontée supérieure et capacité plus faible).

- Possible au regard des caractéristiques du site : terrains de recouvrement peu aquifères et de bonnes propriétés mécaniques, profondeur de 500 mètres plutôt élévée mais pas sans précédent.

Descenderie peut être intéressante pour la fonction de « service » et la fonction de « transport des colis »

A ce stade, la descenderie n’est pas retenue en référence mais est considérée comme une variante possible.

Fond : réseau de galeries

- séparation des activités de construction et des activités d’exploitation nucléaire : galeries dédiées au flux pour la construction, d’autres pour le transport des colis de déchets.

- ventilation des ouvrages souterrains : alimentation en « air frais » par les galeries en pleine section et retour d’air soit par des gaines prévues à cet effet dans les galeries soit par des galeries dédiées.

A ce stade des études le réseau comprend 4 à 5 galeries pour le stockage des déchets B et C (1 pour le retour d’air si besoin, 1 à 2 pour le transfert des colis, 2 à 3 pour les activités minières). Deux galeries complémentaires pourraient être nécessaires pour le stockage des CU

La diamètre excavé des galeries est de l’ordre de 7 mètres

Fond : alvéoles de stockage

• Alvéoles de déchets B = tunnels horizontaux de 250 mètres de long et de diamètre 10 à 11 mètres. Les colis de stockage sont empiléssur plusieurs niveaux.

• Alvéoles de déchets C = tunnels horizontaux sans barrière ouvragée (diamètre excavé de0,70 mètre) de longueur environ 40 mètres ; variante avec barrière ouvragée.

• Alvéole de combustibles usés = tunnels horizontaux avec barrière ouvragée(diamètre excavé d’environ 3 mètres)de longueur environ 40 mètres.

Emprises souterraines

- Emprises résultent de la prise en compte des critères de dimensionnement géotechniques, thermiques et des distances de garde retenues entre modules

- Durées d’entreposage préalables considérées- 60 ans pour les C1 et C2, 70 ans pour les C3 et C4,- 60 ans pour les CU1(UOX) et 90 ans pour les CU2 (MOX)

Zone B100 ha

Zone C0

8 ha

Zone C500 ha

Zone B80 ha

Zone C0

8 ha

Zone C140 ha

Zone CU1

820 ha

Zone CU2350 ha

Scénario S1a

Scénario S2

Influence de la durée d’entreposage sur les emprises

Influence de la durée de refroidissement sur l'emprise du stockage du colis C1

020406080

100120

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150Age du colis (ans)

Em

pri

se

(m2/

coli

s)

Durée Zone

60 ans C1/C2

70 ans C3/C4

90 ans CU2

150 ans C1 à C4 CU1/2

200 ans C1 à C4 CU1/2

C 500 ha - 300 ha 250 ha CU1 820 ha - - 450 ha 400 ha CU2 - - 350 ha 270 ha 200 ha

- Pour des durées d’entreposage inférieures à celles considérées, les emprises nécessaires augmentent très fortement.

Par exemple l’emprise nécessaire pour stocker les colis C1/C2 augmente de plus de 50% pour une durée d’entreposage préalable de 50 ans.

- Au-delà de 150 ans d’entreposage l’effet sur l’emprise s’atténue fortement.

Coûts du stockage

• Données rares… Il existe un rapport de la Cour des Comptes, selon trois scénarios :– S1a : retraitement de tous les combustibles

usés– S1b : retraitement des UOX et stockage des

MOX– S2 : arrêt du retraitement en 2010 et stockage

de tous les combustibles usés après cette date

Coûts du stockage, suite

(en milliards d’Euros, valeur 2003)

• Chiffrage de 1996 : 14,704

• Chiffrage de 1998 : 21,284

• Chiffrage de 2003 :– Scénario S1a 15,946 à 24,332– Scénario S1b 25,237 à 41,435– Scénario S2 34,670 à 58,035

• Travail en cours à la DGEMP sur ce point

Autres Avis…• CLIS de Bure : Relations cordiales avec la CNE jusqu’à il y

a peu• Incident d’octobre 2004• Etude IEER (Bureau d’études US) commanditée par le CLIS• Pétition pour organiser un référendum local• Etude OCDE commanditée par le Gouvernement• Rapport de l’Office Parlementaire de Mars 2005• Rapport de la CNE fin juin 2005• Rapports finaux de l’Andra fin Juin 2005• Quid du second Laboratoire ?• Mission de la Commission du Débat Public…d’ici décembre• Rapport de la DGEMP, de la DGSNR… à venir• Rapport complémentaire de la CNE début 2006• Projet de loi début 2006• Calendrier électoral 2006-2007….

Avis de l’OPECTS

• Privilégier la séparation-transmutation et poursuivre les recherches sur ce sujet

• Choisir l’option du stockage géologique (enfouissement) réversible

• Construire un entreposage de longue durée pour assurer une gestion sûre et centralisée des déchets permettant de disposer du temps nécessaire à la mise en place d’une solution définitive

Ben Cramer et Camille Saïsset

« Le nucléaire ne se soucie pas du principe de l’inertie, pourtant à la base de la science moderne. De l’inertie qui va mettre les déchets en mouvement et un jour, faire remonter les radioéléments à la surface. Où là, ils se faufilleront dans les mécanismes vivants, irradiant au passage ceux qu’ils croiseront avec ce qui leur restera d’activité. »

Enquêtes Sociologiques

• Le public ne croit pas que la science soit capable de prévoir un comportement sur 1 million d’années… c’est présomptueux.

• La crainte d’un séisme, de création d’une faille nouvelle qui vienne libérer la radioactivité est forte.

• L’enfouissement est vu comme un abandon de nos responsabilités.

Suite des opérations…• Si le Parlement décide de poursuivre la voie du

stockage géologique, et si le site de Bure est retenu, il reste encore à faire :– Poursuite des essais dans le Laboratoire souterrain

existant : essais de diffusion, essais thermo-mécaniques, devenir des gaz de corrosion, EDZ, perturbation géochmiques, ingénierie de la construction et de la manutention.

– Reconnaissance et caractérisation de la zone potentielle de stockage, sur 20 km² à choisir parmi 200 km²; géophysique, sondages, nouveaux puits, galeries de reconnaissance ceinturant la zone choisie.

– Dépôt et instruction par la DGSNR d’une demande de construction et d’exploitation d’un stockage.