Brevet FR2582141A1 — publié le 19861121

Cette invention concerne un procédé pour le stockage de déchets radioactifs dans un dépôt de stockage souterrain, et elle vise également la réalisation d'un dépôt souterrain pour le stockage de tels déchets et matériaux radioactifs. L'un des inconvénients majeurs qui résulte de l'utilisation des réacteurs nucléaires est que ces derniers produisent des déchets qui sont fortement radioactifs, et qui présentent une période d'activité dangereuse, pouvant s'étendre sur des milliers d'années. On a déjà proposé de multiples solutions aux problèmes résultant du stockage de ces matériaux radio-actifs ; cependant, jusqu'à présent, aucun des procédés envisagés ne permet d'être certain d'assurer une efficacité et une sécurité absolues durant la longue période d'utilisation. Parmi les solutions envisagées, on a proposé de stocker les matériaux radio-actifs dans des tunnels ou des galeries, formés très en-dessous de la surface du sol dans du roc. Les partisans de cette solution considèrent qu'étant donné que les structures rocheuses ont présenté une stabilité durant des millions d'année, il est vraisemblable que ces structures ne seront pas modifiées pendant les milliers d'années exigées par le stockage de matériaux et déchets radio-actifs. La chaleur qui est émise par des déchets fortement radio-actifs et la pénétration inévitable des eaux souterraines au voisinage immédiat des récipients contenant ces déchets radio-actifs constituent des facteurs déterminants pour l'isolation définitive des déchets radio-actifs immobilisés dans des dépôts souterrains à grande profondeur. Ce problème, et certaines solutions pour la réalisation de dépôts souterrains, sont décrits par St. John, C.M. 1982, dans la publication "Underground Space", 6, pages 247-258, dans un article intitulé "Repository Design". Après l'obturation d'un dépôt et son remplissage par les eaux souterraines, il peut se produire un transport de fluide vers la surface du sol, en raison des forces de flottation dues au chauffage.L'entraînement des déchets radio-actifs dans l'eau souterraine par convection constitue le mécanisme le plus crédible, en ce qui concerne le transport des déchets vers une dispersion dans la biosphère. On se réfèrera en particulier à l'article de Pigford T.H., intitulé "The National Research Council Study of the Isolation System for Geologic Disposal of Radioactive Wastes", publié dans "Scientific Basis for Nuclear Waste Management" VII, (1984), Ed. G.L. McVay, Elsevier, New York. Les critères d'isolation des déchets et les propriétés d'un dépôt géologique destiné à recevoir de tels déchets sont décrits par P.A. Witherspoon, N.G.W. Cook, et J.E. Gale, dans "Geologic Storage of Nuclear Waste Field Studies in Sweden", publié dans la revue "Science", 1981, pages 894-900 (211).Un examen complet des recherches concernant les problèmes couplés mécaniques-thermiques-hydrologiques-géochimiques posés par une.isolation sous la surface à grande profondeur de déchets fortement radio-actifs a été effectué par G. de Marsily, dans une Conférence intitulée "Overview of coupled processes with emphasis in geohydrology", à l'occasion de la réunion internationale "International Symposium on Coupled Processes Affecting the Performance of a Nuclear Waste Repository", au Laboratoire "Lawrence Berkeley", les 18 à 20 septembre 1985, ainsi que par d'autres auteurs, lors de cette même conférence. Le dépôt, les barrières naturelles et artificielles de ce dépôt, doivent fonctionner de façon satisfaisante pendant un laps de temps de durée géologique. Par conséquent, lors d'un programme de recherche sur l'isolation des déchets radio-actifs, le principe scientifique de base devant être appliqué est que le système réalisé doit pouvoir subir tous les processus connus susceptibles de se produire dans des systèmes géologiques naturels. On doit apporter une attention particulière au rôle de l'eau, en tant qu'agent thermochimique et géochimique, en ce qui concerne les propriétés des composants naturels et artificiels du système de confinement du dépôt. Un corollaire logique de cette philosophie est que, seuls des matériaux naturels dont la stabilité a été démontrée durant un laps de temps qui correspond à une époque géologique peuvent être utilisés pour la réalisation de conteneurs de déchets, de barrières d'étanchéité artificielles et de systèmes d'obturation de dépôts souterrains. Lors de la réalisation selon des concepts classiques d'un dépôt souterrain le principe est que, dans le cas où des radionuclides seraient libérés dans l'eau souterraine, il faut que le temps de transport des déchets, depuis le dé pôt jusqu'à la surface, soit suffisant pour obtenir une dilution et une désintégration jusqu'à des niveaux acceptables de rayonnement dans la biosphère. Par conséquent, la détermination d'une conception d'isolation particulière acceptable est fonction de l'analyse des caractéristiques des divers éléments constituant un jeu de barrières redondantes. Celles-ci englobent la forme des déchets, la conception des conteneurs recevant les déchets, la nature du gisement voisin du dépôt des déchets, le remplissage et les systèmes d'obturation et d'étanchéité du dépôt, et la barrière géologique naturelle.La difficulté principale que l'on rencontre, lors de cette approche, réside en ce que, bien que de hautes tempéra être tures puissent/envisagées au voisinage d'un conteneur de déchets radio-actifs, les conditions hydrologiques qui se développent au voisinage des conteneurs reposent sur des conjectures. De façon plus spécifique, les caractéristiques et les propriétés d'un remblayage et d'un bouchon d'obturation à base de bentonite sont suspects, même pour des températures modérées. On se reportera, à cet égard, à l'article de R.A. Couture, intitulé "Steam rapidly reduces the swelling capacity of Bentonite", paru dans "Nature", 1985, 318, pages 50-52. La présente invention concerne un système d'isolation, développé à partir de principes scientifiques tout à fait différents de ceux actuellement acceptés, tout en maintenant le concept dominant de barrières multiples redondantes. Ainsi, la théorie à la base de cette invention consiste à - refroidir les conteneurs ou emballages recevant les déchets radio-actifs par la circulation de l'eau souterraine locale ; - obturer localement la roche environnante ou le remblayage par des dépôts de minéraux ; et, - déposer à proximité les radionuclides, en prévoyant un piège chimique spéci fique et géo-chimiquement actif. En conséquence, la présente invention a pour objet un procédé pour le stockage de déchets radio-actifs qui est caractérisé en ce que les déchets sont enfermés dans un dépôt de stockage qui est formé dans une structure rocheuse souterraine, ce dépôt comportant au moins une conduite ou galerie fermée, pouvant supporter une circulation de fluide par convection. Selon un autre aspect, cette invention vise également un dépôt de stockage pour déchets radio-actifs, caractérisé en ce qu'il est formé dans une structure rocheuse souterraine et en ce qu'il comprend au moins une galerie ou conduite fermée, pouvant supporter une circulation de fluide par convection. Les trois conditions de fonctionnement mentionnées ci-dessus sont satisfaites grâce à la réalisation d'un mode d'exécution préféré de cette invention, qui consiste en un dépôt qui est réalisé sous la forme d'une excavation réalisée profondément dans une roche cristalline ou une autre roche non sujette à évaporation, dont les composants forment au moins une galerie ou conduite fermée, dans laquelle peut s'établir une circulation d'eau souterraine, par convection dans un plan vertical. Des récipients ou conteneurs recevant les déchets radio-actifs peuvent être placés en un endroit approprié dans la conduite ou galerie, laquelle peut être remblayée, et, si on le désire, délibérément remplie d'eau, puis obturée de façon étanche. Le thermo-syphon résultant distribue la chaleur à l'intérieur de la roche environnante, en assurant un refroidissement par convection des conteneurs de déchets radio-actifs. De préférence, un dépôt peut consister en un réseau de thermo-syphons conçus et réalisés de maniere à satisfaire un état de charge thermique dans tout le domaine. du dépôt. On a trouvé un certain nombre d'applications de surface aux thermosyphons, parmi lesquelles on peut citer, notamment, le refroidissement des. transformateurs, des moteurs et des réacteurs nucléaires. On pourra se référer en particulier à l'article de D. Japiske, intitulé "Advances inThermosyphon Technology", publié en 1973 dans "Advances in Heat Transfer" (édité par T.F. Irvine et J.P. Hartnett), 9, 1-111, "Academic Press", New York. Les applications géo logiques des thermo-syphons sont rares, bien que la convection naturelle se produise dans un certain nombre de situations. K.E. Torrance a étudié des thermo-syphons en boucle ouverte dans le contexte des circulations hydrothermiques dans les couches océaniques et continentales (voir la publication "J.Heat Transfer", 1979, 101, pages 677-683). Les thermo-syphons présentent l'avantage de ne comporter aucune pièce métallique mobile. Lors de l'utilisation des thermo-syphons comme unités fonctionnelles d'un dépôt de déchets radio-actifs selon la présente invention, on suppose que le conteneur recevant les déchets est géo-chimiquement stable. Des déchets immobilisés dans du "SYNROC" et noyés dans du "SYNROC" inactif répondent à cette exigence (voir l'article de A.E. Ringwood et al, intitulé "Immobilization of High Level Nuclear Reactor Wastes in SYNROC", publié en 1979 dans la publication "Nature", 278, pages 219-223. En variante, des conteneurs constitués par des bidons de combustible vides, noyés dans du cuivre, selon la conception suédoise KBS (Swedish Nuclear Fuel Supply Company) peuvent constituer les conteneurs pour les déchets radio-actifs. Les conteneurs en cuivre ou en"SYNROC" répondent aux exigences de stabilité pendant une durée de temps correspondant à une époque géologique. De préférence, ladite conduite ou galerie est remplie ou comblée d'un aggrégat de particules constituées par exemple de granit ou de basalte, qui peuvent être broyées jusqu'a ce que les particules présentent une granulométrie voisine de celle du sable ou des fines. A titre d'exemple, 80 Z des particules broyées présenteront de préférence une granulométrie de l'ordre de 2 mm. Etant donné que le basalte constitue un adsorbant pour les actinides, et qu'il maintient un environnement réducteur, il est préférable de l'utiliser pour constituer tout ou partie du comblement des galeries. En termes de caractéristiques et propriétés thermo-hydrologiques et thermomécaniques, le thermo-syphon comblé est supérieur aux conceptions classiques de dépôts, étant donné que des températures plus faibles peuvent être maintenues à proximité des conteneurs de déchets radio-actifs. Par conséquent, un thermosyphon entratne un taux de filtration plus faible, en ce qui concerne les emballages, pour les réactions chimiques fonction de la température. Les contraintes thermiques sont également plus faibles dans la structure rocheuse environnante. Cette dernière condition permet de s'assurer qu'il n'existe pas, ou peu, de désintégration thermique de la roche, alors que les glissements et séparations, sur des discontinuités, sont réduits lorsque les contraintes thermiques et les gradients de température sont réduits. Par conséquent, le fait de prévoir une circulation souterraine environnante dans une unité de thermo-syphon d'un dépôt souterrain améliore les caractéristiques des barrières naturelles et artifi cielles à l'encontre d'une libération des déchets et d'une dispersion ultérieure de ceux-ci au-delà du voisinage du dépôt. Si l'on considère les mécanismes d'obturation, la circulation de l'eau souterraine saturée -des constituants chimiques qui constituent le matériau de comblement entraine une dissolution spatialement sélective et une précipitation de solides dans la masse de remplissage même, ainsi que dans le réseau de fissures de la masse rocheuse. Ces mécanismes fournissent des bases pour assurer une obturation étanche contrôlée de la masse de comblement, ainsi qu'une autoétanchéité des fissures dégagées par des charges thermo-hydro-mécaniques associées aux opérations d'excavation et de mise en place des déchets. Enfin, le fait de prévoir un piège géochimique à proximité du dépôt, qui est développé par les constituants chimiques associés au comblement du thermosyphon résulte de la spécificité de l'adsorption de certains radionuclides sur des minéraux à base de silicate en particules et de la précipitation des éléments actinides en ambiance réductrice. Selon une forme d'exécution préférée, la conduite ou galerie fermée s'détend verticalement, et sa forme est généralement rectangulaire ou carrée. De façon typique, la hauteur et la largeur des côtés du rectangle ou du carré de la conduite peuvent être comprises entre 25 et 200 mètres, et la section droite du tunnel que constitue la galerie peut présenter une surface de l'ordre de 1 à 25 mètres carrés. De façon typique, la partie supérieure de la galerie sera située à au moins 500 mètres, et de préférence 1000 mètres en-dessous de la surface du sol, le reste de cette conduite ou galerie s'étendant au-delà de ce point. On peut prévoir des moyens de drainage en association avec la conduite ou galerie, afin de capter tout rejet de fluide radio-actif susceptible de s'échapper de la galerie. On peut également associer un ou plusieurs systèmes d'étanchéité à des passages conduisant à la galerie, afin de réduire encore à un minimum les risques de fuites. Ces systèmes d'étanchéité peuvent être constitués à partir de tout matériau d'obturation connu, tel que, par exemple, la bentonite, ou une argile similaire. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence au dessin annexé, dont la Figure unique représente, en élévation et en coupe, un réseau souterrain permettant de stocker des déchets radio-actifs selon le procédé objet de cette invention. En se référant au dessin, on voit qu'une galerie ou puits vertical 1 descend à partir du niveau du sol 2, au travers d'une couche limite 3, dans une région stable constituée d'une roche 4, existant en-dessous de la couche 3. Le puits 1 présente de préférence une profondeur supérieure à 500 m, et de préfé rence supérieure à 1000 m, afin d'augmenter le point d'ébullition des fluides dans le dépôt, et ce puits est muni d'un organe d'obturation et d'étanchéité 8, en tant que mesure de précaution à l'encontre d'un fluide radio-actif susceptible de s'écouler à la suite d'une fuite au travers du puits et hors de la surface. Le fond du puits comporte une section horizontale 10 munie également d'un système d'obturation et d'étanchéité 11, répondant aux mêmes préoccupations. Une autre section verticale 12 s'étend vers le haut, à partir de l'extrémité de la galerie ou conduite 10, en formant effectivement un système de drainage en association avec les sections de galerie et de tunnel 10 et 1. A l'extrémité supérieure de la section de galerie 12, une section horizontale 15, interrompue par un autre systèmed'étanchéité et d'obturation 16, communique avec la conduite ou galerie de stockage fermée 20 recevant les matériaux radio-actifs. Dans l'exemple de réalisation représenté sur le dessin, la conduite de stockage fermée présente une forme rectangulaire. Cependant, il demeure bien entendu que d'autres formes peuvent également être envisagées, à condition que ces formes soient conçues de manière à permettre une circulation convective des fluides au travers de la conduite. Les déchets radio-actifs 22 peuvent être stockés à la partie inférieure de la conduite ou galerie 20, afin que les fluides contenus dans cette conduite soient chauffés par la radio-activité, ce qui entratne une circulation lente de ces fluides autour de la conduite, dans la direction des flèches indiquées sur le dessin, dans la conduite 20. Les dimensions de la conduite ou galerie 20 peuvent être calculées de manière à s'assurer d'une vitesse satisfaisante de circulation des fluides au travers de la conduite ou galerie, en tenant compte de la quantité de chaleur qui est dissipée par le chargement de matériaux radio-actifs 22. Le fluide contenu dans la conduite 22 peut être de l'eau souterraine saturée de sels, soit par addition délibérée des sels dans la conduite lors de la formation de cette dernière, soit, en variante, par filtration ou lixiviation de sels à partir de l'aggrégat qui constitue le matériau de comblement de la conduite et du lit rocheux entourant cette dernière. Généralement, il s'agit de sels présentant une faible solubilité, tels que la silice, les silicates, et le sulphate de-calcium. On pense que ces sels dissous dans le fluide qui circule dans la conduite peuvent présenter une solubilité plus élevée que tous les sels présents dans la roche environnante, en raison d'une température très élevée du fluide.Par conséquent, s'il se produit une fuite du fluide circulant dans la conduite au travers de fissures ou de criques de la roche, la température du fluide diminue, ce qui entraîne une cristaiisation du sel et une obturation de la source de la fuite. Il en résulte que le système objet de cette invention possède une aptitude d'auto-obturation permettant de réduire à un minimum les risques de toute fuite accidentelle au travers des structures rocheuses. On notera que cette invention n'est pas limitée à cette tentative d'explication du mécanisme de fonctionnement de l'invention par cristallisation. Selon l'invention, il est également préférable que les galeries ou conduites additionnelles 1, 10, 12 et 15 soient remplies d'un matériau de comblement, la dimension des particules de ce matériau devant être plus petite que celle des matériaux qui servent à combler la conduite fermée 20, ceci afin de réduire tout risque de fuite. On peut également prévoir des moyens de détection, afin de déterminer l'apparition d'une fuite. Par exemple, un tel dispositif de détection peut être placé à l'angle 30, de manière à fournir une indication sur le fonctionnement effectif du système d'étanchéité 16. Etant donné que ce système d'étanchéité 16 est particulièrement important, il peut être préférable de prévoir plus d'un système d'étanchéité, de manière à assurer la sécurité dans la galerie 15, et la longueur de cette dernière doit être augmentée de façon correspondante. Un dépôt de déchets radio-actifs, basé sur un thermo-syphon comble servant d'unité fonctionnelle selon la présente invention, permet de réduire les températures et les gradients de température au voisinage des conteneurs et emballages de déchets radio-actifs, et à la proximité du dépôt5 en réduisant les taux de dilution à partir des emballages, ainsi que les perturbations thermomécaniques de la masse rocheuse. I1 demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et/ou représentés, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATI0N5 I - Procédé de stockage de déchets radio-actifs, caractérisé en ce qu'il consiste à enfermer les déchets dans un dépôt de stockage formé dans une structure rocheuse souterraine, ledit dépôt comportant au moins une conduite ou galerie fermée pouvant supporter une circulation de fluide par convection. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite conduite ou galerie fermée est remplie ou comblée d'un aggrégat en particules. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit aggrégat est constitué de granit ou de basalte broyé. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la circulation du fluide dans ladite conduite fermée s' effectue dans un plan vertical. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les déchets radio-actifs sont stockés dans une région inférieure de ladite conduite fermée. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure rocheuse est une structure de roche cristalline. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite conduite fermée comporte une enceinte ou réceptacle de drainage associé, destiné à recevoir toute fuite de fluide provenant de ladite conduite. 8 - Dépôt de stockage pour déchets radio-actifs, caractérisé en ce qu'il est formé dans une structure rocheuse souterraine, et en ce qu'il comporte au moins une galerie ou conduite fermée (20) pouvant supporter une circulation de fluide par convection. 9 - Dépôt de stockage selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite conduite fermée est remplie ou comblée d'un aggrégat en particules. 10 - Dépôt de stockage selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit aggrégat est du basalte ou du granit broyé. 11 - Dépôt de stockage selon la revendication 8, caractérisé en ce que la circulation du fluide dans ladite conduite fermée s'effectue dans un plan vertical. 12 - Dépôt de stockage selon la revendication 11, caractérisé en ce que les déchets radio-actifs sont stockés dans une région inférieure de ladite conduite fermée. 13 - Dépôt de stockage selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite structure rocheuse est une structure de roche cristalline. 14 - Dépôt de stockage selon la revendication8, caractérisé en ce que ladite conduite fermée comporte une enceinte ou réceptacle associé (1, 10, 12), de manière à recevoir toute fuite de fluide provenant de ladite conduite (20).