Brevet FR2715433A1 — publié le 19950728

"Dispositif pour la mise en place de matériaux dans un puits de forage" DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concemrne un dispositif pour la mise en place de matériaux dans un puits de forage. Elle trouve une application dans le domaine du stockage profond en puits de déchets, par exemple radioactifs. Elle trouve également une application au rebouchage de puits à usage géotechnique. Etat de la technique antérieure Dans la suite de la description on considérera le stockage de résidus radioactifs à titre d'exemple non limitatif. Au cours de l'exploitation de l'énergie nucléaire, on obtient des matériaux combustibles irradiés qu'il est nécessaire de stocker dans un confinement adapté, après qu'ils aient ou non été retraités. Le retraitement consiste à séparer les produits qui peuvent être réutilisés, des produits qui doivent être considérés comme des déchets. Ces déchets de très haute activité sont généralement mis sous forme de verres borosilicatés par une vitrification adaptée. Ce procédé permet de réduire, de façon très importante, les volumes à stocker. Ces déchets ainsi traités sont alors placés dans des conteneurs, généralement métalliques, qui sont ensuite stockés en couches géologiques profondes. En effet, ces déchets, même après le retraitement, contiennent toujours des émetteurs alpha, béta et gamma, ce qui explique qu'ils doivent être stockés en profondeur dans le sol, dans des formations géologiques adaptées, par exemple: massif granitique, dôme de sel ou formation argileuse. La rétention des radionucléides est alors assurée d'une part par le conteneur et d'autre part, par le site géologique dans lequel est réalisée l'implantation de ces déchets. Dans le cadre des projets de stockage de déchets radioactifs de haute et très haute activité en formation géologique profonde, les ouvrages d'accès (galeries) comme les emplacements de stockage (puits ou galeries) sont partiellement ou totalement rebouchés, dans le but de minimiser les circulations d'eaux souterraines. Les organismes de différents pays européens, chargés de la mise en oeuvre et de la gestion de ces stockages, ont étudié plusieurs possibilités mises en évidence dans le tableau I situé en fin de description. Le stockage définitif consiste à placer les conteneurs de déchets radioactifs dans des puits ou des galeries, puis à remplir les vides résiduels existant entre les parois de ces puits ou galeries et les conteneurs, par un matériau de colmatage. Par ailleurs, il est également nécessaire de reboucher les galeries d'accès avec des matériaux de colmatage. On connait comme matériau de colmatage des ciments ou des mortiers qui sont introduits, sous forme pulvérulente, dans l'espace entre les conteneurs et les parois des puits ou des galeries et qui durcissent au contact de l'eau de façon à former un solide continu. Toutefois, bien que le ciment présente une bonne imperméabilité à l'eau et soit mécaniquement très résistant, il est possible à l'issue d'un séisme par exemple, qu'une fissure apparaisse dans le ciment. L'eau peut alors passer en direction des conteneurs. Ceux-ci, s'ils ont été partiellement désagrégés ou détruits au cours du temps, peuvent laisser échapper des radionucléides qui risquent alors d'être entraînés par l'écoulement des déchets très hautement radioactifs. Ces derniers dégagent une énergie calorifique telle que la température à leur voisinage dépasse 100 C. Il n'est alors pas possible d'utiliser des ciments qui se dégraderaient beaucoup plus vite que la durée de stockage nécessaire. Afin de remédier à cet inconvénient, on utilise généralement comme matériau de colmatage des argiles gonflantes de la famille des smectites. La quasi totalité des scénarios pris en compte par les organismes chargés de la gestion des déchets font appel à de telles argiles gonflantes de la famille des smectites qui, en fonction de leur densité et leur degré de saturation, peuvent développer des pressions de gonflement de plusieurs dizaines de mégapascals. Ces argiles ont pour fonction d'une part de ralentir les transferts d'eau de la roche d'accueil vers le conteneur et, d'autre part, de minimiser les transferts de radioéléments en sens inverse. On connaît deux types de matériau de colmatage, d'après un article de R. Pusch, A. Jacobson et A. Bergstrôm, intitulé "Bentonite-based buffer substances for isolating radioactive waste product at the great depths in rock", (substances tampon à base de bentonite pour l'isolation des déchets radioactifs à de grandes profondeurs dans la roche) présenté à Otaniemi en Finlande au cours d'un congrès organisé par l'IAEA (l'Agence Intemrnationale pour l'Energie Atomique) (1979, pages 487-503). Cet article propose tout d'abord d'utiliser une argile pure hautement compactée. Toutefois, pour compacter les argiles pures à une densité sèche de 2,00, il faut les soumettre à une contrainte uniaxiale de plusieurs dizaines de MPa. Or, cet article ne propose aucun procédé industriel de densification et aucun procédé de mise en place de l'argile in situ. Cet article propose également d'utiliser un mélange contenant à 20 % d'argile et 80 à 90 % de sable. Or, des essais industriels de compactage uniaxial à 60 MPa, réalisés sur de tels mélanges, ont montré qu'à partir de 80 % de sable, il n'y a plus de cohésion des pièces, même si la densité du mélange atteint presque 2,3. En conséquence, les propriétés hydromécaniques du matériau de colmatage sont médiocres. De plus, cet article prévoit de tasser in situ ce mélange sans toutefois donner de méthode pour le faire. Enfin, on peut supposer qu'une densification effectuée in situ exerce des contraintes beaucoup plus faibles et que les densités obtenues sont a fortiori plus faibles. On connaît également un matériau de colmatage, décrit dans une demande de brevet français 92 05167 du 27 avril 1992, qui comprend des granulés de colmatage à base d'argile compactée, de la famille des smectites. Ces granulés présentent une densité sèche comprise entre 1,6 et 2,2 environ et un diamètre compris entre 3 et 30 mm environ. Ce matériau de colmatage est extrêmement dense. Il présente des propriétés de gonflement très intéressantes car il absorbe facilement l'eau et peut, par ailleurs, développer des pressions de gonflement de plusieurs dizaines de MPa. Ainsi, ce matériau de colmatage assure une immobilisation certaine des conteneurs qui sont placés dans des sites de stockage, les protège et minimise la circulation d'eau en direction des conteneurs métalliques, ce qui a pour effet de limiter la corrosion de ceux-ci. En outre, ce matériau de colmatage a une certaine capacité à échanger des cations. Ceci est particulièrement intéressant lorsque les conteneurs contiennent des déchets radioactifs, car alors le matériau de stockage peut ralentir le transfert vers la géosphère, des radionucléides, si ceux-ci venaient à s'échapper desdits conteneurs. Ce matériau de colmatage peut également être utilisé dans un forage. De façon avantageuse, le matériau de colmatage comprend un mélange de colmatage constitué de 40 à 70 % environ des granulés précités et de 30 à 60 % environ de poudre d'argile smectique, constituée de grains d'un diamètre compris entre 5.10-2 et 5 mm environ. Ce matériau fabriqué à l'état pulvérulent est un mélange homogène constitué d'une part de granulés de très haute densité, "les grosses, et du matériau à l'état initial les "fines". En plus du respect des proportions entre les différentes composantes du mélange, il est nécessaire que la répartition des "fines" par rapport aux "grosses" soit la plus régulière possible dans le mélange, c'est-à- dire que le plus petit élément de volume pris au hasard possède la même proportion de "fines" et de "grosses" que le mélange global. Le produit final n'est donc pas homogène, même s'il n'est composé que d'un seul matériau, puisqu'il se trouve sous forme de grains de différentes densités et éventuellement de différentes teneurs en eau. En revanche on peut le qualifier de régulier. Une condition essentielle pour que ces argiles remplissent leur rôle passe par la maîtrise des procédures de leur mise en place, et ceci quels que soient les scénarios envisagés. Une procédure est souvent citée: elle consiste à fabriquer par compactage à très haute pression des pièces de densités supérieures à 2.00 et de les mettre en place in situ, soit par empilement direct, soit par des dispositifs appropriés de manutentions. Une autre approche consiste à mettre en place directement le matériau encore à l'état pulvérulent, mais sous la forme requise pour qu'il puisse remplir son rôle, ce qui nécessite entre autre chose de le densifier suffisamment. La combinaison des différentes étapes industrielles d'une telle procédure adaptée à différentes configurations de stockage a fait l'objet de la demande de brevet français citée ci-dessus. Toutefois, la mise en place d'un matériau pulvérulent en puits n'a pas été traitée. Elle nécessite la mise au point de moyens adaptés qui constituent l'invention. La présente invention a pour objet de permettre et garantir l'acheminement d'un mélange régulier de matériaux entre son lieu de fabrication et son lieu de mise en place dans un puits. Exposé de l'invention L'invention propose, à cet effet, un dispositif pour le dépôt d'une quantité donnée de matériaux dans le fond d'un puits, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une navette formée d'un récipient, apte à recevoir cette quantité, comportant un fond et des parois latérales, indépendants les uns des autres, manoeuvrables séparément depuis la surface à l'aide d'au moins un câble de levage. Avantageusement le fond et les parois comportent chacun leur propre système d'accrochage. Le récipient a une forme cylindrique. Le fond a une forme conique, dont la pointe est dirigée vers le haut, et dont l'angle à la base est compris entre 30 et 45 . Le fond est solidaire d'une tige perpendiculaire à la surface inférieure du fond terminée par un anneau d'accrochage, un câble de levage étant relié à cet anneau d'accrochage. Les parois latérales sont constituées d'un tube comportant au moins deux oreilles fixées sur leur bord supérieur, un câble de levage étant formé d'une élingue à au moins deux brins, chacun étant relié à une oreille. Avantageusement le diamètre d'une navette est égal à approximativement au demi-diamètre du puits. Avantageusement les différents éléments formant une navette sont métalliques. Dans une variante de réalisation, un vérin à double effet est fixé sur la surface interne des parois latérales du récipient, apte à manoeuvrer une tige centrale reliée au fond dudit récipient, ledit vérin étant commandable à distance. Dans une variante de réalisation la navette a une forme cylindrique constituée d'un fond de forme annulaire et de deux parois verticales concentriques solidaires l'une de l'autre. Dans une autre variante de réalisation le dispositif de l'invention comprend un ensemble de forme annulaire formé de plusieurs navettes élémentaires respectivement équipées d'un vérin double effet Le dispositif de l'invention peut être avantageusement utilisé dans de nombreuses applications et notamment: - le stockage de déchets radioactifs, - le rebouchage de puits à usage géotechnique. Brève description des dessins - Les figures 1A et 1B illustrent le dispositif de l'invention en phase de descente, et en phase de dépôt de matériaux; - les figures 2, 3A, 3B et 4 illustrent quatre variantes de réalisation du dispositif de l'invention. Expose détaillé de modes de réalisation Comme représenté sur les figures 1A et 1 B, le dispositif pour le dépôt d'une quantité donnée de matériaux 21 dans le fond d'un puits 9, selon l'invention, comprend une navette 10 formée d'un récipient, apte à recevoir cette quantité, comportant un fond 11 et des parois latérales 12, indépendants les uns des autres, manoeuvrables séparément depuis la surface à l'aide d'un premier et d'un second câbles de levage 13 et 14. Le fond 11 et les parois 12 comportent chacun leur propre système d'accrochage. Le récipient a une forme cylindrique et le fond a une forme conique, dont la pointe est dirigée vers le haut. Il a, de plus un angle à la base compris entre 30 et 45 . Le fond 11 est solidaire d'une tige centrale 15, perpendiculaire à la surface inférieure du fond, terminée par un anneau d'accrochage 16, le premier câble de levage 13 étant relié à cet anneau d'accrochage. Les parois latérales sont constituées d'un tube comportant au moins deux oreilles 17, 18 fixées sur leur bord supérieur, le second câble de levage 14 étant formé d'une élingue à au moins deux brins 19, 20, chacun étant relié à l'une de ces oreilles 17, 18. La mise en place de matériaux 21 dans le puits soit pour constituer, à une profondeur donnée, un bouchon cylindrique intermédiaire, soit pour le remplissage continu de l'espace annulaire laissé entre l'empilement de colis et la paroi du puits, se fait par l'intermédiaire de telles "navettes". Le principe de fonctionnement d'une navette est illustré sur les figures 1A et 1B. La navette remplie de matériaux 21 est descendue dans le puits 9, par l'intermédiaire uniquement du câble 13. Une fois à la profondeur désirée, les parois latérales sont relevées sur une certaine hauteur par lI'intermédiaire de leur système d'accrochage, en agissant sur le câble 14 à partir de la surface. Pour faciliter la bonne dispersion des matériaux autour de la navette, le fond 11 a une forme conique métallique d'angle à la base compris entre 30 et 45 pour obtenir une éjection optimale de ces matériaux. Si l'angle était supérieur à 45 , il pourrait y avoir blocage de ces matériaux. 1o Les navettes de transfert sont manutentonnables au treuil. Elles ont pour fonction de délivrer le mélange régulier dans la zone voulue. Dans un exemple de réalisation, on utilise une navette fabriquée pour remplir partiellement, sur une hauteur de 3 m, un puits de 50 cm de diamètre et 14 m de profondeur. Ses caractéristiques sont les suivantes: le fond métallique 11 ayant un diamètre de 160 mm est solidaire d'une tige métallique de 25 mm de diamètre et de 1100 mm de long, terminée par un anneau d'accrochage. La paroi 12 est constituée d'un tube métallique de diamètre 148/152 mm et de 1000 mm de haut. Sur son bord supérieur, deux oreilles ont été fixées pour pouvoir l'accrocher à une élingue à deux brins manipulable de la surface. Chaque transfert de navette permet la mise en place d'environ 20 kg de matériau. Pour des raisons propre à cet essai, les dimensions de ce prototype n'ont pas été optimisées aux dimensions du puits. En fait il faudrait optimalement que le diamètre de la navette soit égal à environ la moitié de la largeur à combler (diamètre de la navette de 150 mm pour une largeur à combler de 300 mm). Dans une variante de réalisation, représentée à la figure 2, un vérin à double effet 25 est fixé sur la surface interne des parois latérales du récipient, apte à manoeuvrer une tige centrale reliée au fond dudit récipient pour permettre la libération du matériau, ledit vérin étant commandable à distance. Les câbles d'alimentation 26 de ce vérin 25 sont disposés le long du câble 14. Cette variante de réalisation permet d'une part d'éviter l'accrochage du fond de la navette et, d'autre part, d'éviter la libération intempestive du produit par manoeuvre accidentelle du câble 14. Le produit pulvérulent est libéré par l'action du vérin double effet solidaire de la paroi cylindrique et qui peut être actionné de la surface. Enfin, on a représenté sur les figures 3A, 3B et 4 trois variantes de réalisation du dispositif de l'invention qui s'adaptent mieux au remplissage d'un puits de forme annulaire, la première constituée d'un fond 30 en forme d'annulaire et de deux parois verticales concentriques 31, 32 solidaires l'une de l'autre, les deux autres constituées de dispositifs de manipulation à vérin double effet, l'une en configuration annulaire, I'autre constituée de plusieurs cylindres élémentaires 10. On peut en effet réaliser un dispositif (figure 3B) avec trois vérins double effet disposés à 120 permettant de libérer le matériau en agissant sur le fond. Tableau I Configuration Type de déchet Ouvrage Organisme Pays THA Galerie d'accès Bouchon de fermeture ANDRA FRANCE (Serrement) NAGRA SUISSE Tunnel de stockage Non retraité Barrière ouvragée de ENRESA ESPAGNE Retraité voisinage ONDRAF BELGIQUE (Annulaire) SKB SUEDE Puits de stockage de Retraité Bouchon intermédiaire ANDRA FRANCE petit diamètre (environ 0.50 m) Retraité ANDRA FRANCE Puits de stockage de Retraité et non retraité Barrière ouvragée de SKB SUEDE grand diamètre Non retraité voisinage ENRISA ESPAGNE (de 1.0 à 1.50 m) Non retraité (Annulaire) AECL CANADA REVENDICATIONS 1. Dispositif pour le dépôt d'une quantité donnée de matériaux dans le fond d'un puits, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une navette (10) formée d'un récipient, apte à recevoir cette quantité, comportant un fond (11) et des parois latérales (12) indépendants les uns des autres, manoeuvrables séparément depuis la surface à l'aide d'au moins un câble de levage (13, 14). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fond (11) et les parois (12) comportent chacun leur propre système d'accrochage. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récipient a une forme cylindrique. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fond (11) a une forme conique, dont la pointe est dirigée vers le haut. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fond (11) a un angle à la base compris entre 30 et 45 . 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fond est solidaire d'une tige centrale (15) perpendiculaire à la surface inférieure du fond terminée par un anneau d'accrochage (16), un câble de levage (13) étant relié à cet anneau d'accrochage. 7. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les parois latérales sont constituées d'un tube comportant au moins deux oreilles (17, 18) fixées sur leur bord supérieur, un câble de levage (14) éetant formé d'une élingue à au moins deux brins (17, 20), chacun étant relié à une oreille. 8. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le diamètre d'une navette est égal à approximativement au demi-diamètre du puits. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les différents éléments formant une navette sont métalliques. 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un vérin à double effet (25) est fixé sur la surface interne des parois latérales du récipient, apte à manoeuvrer une tige centrale reliée au fond dudit récipient, ledit vérin étant commandable à distance. 11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la navette a une forme cylindrique constituée d'un fond 30 de forme annulaire et de deux parois verticales concentriques (31, 32) solidaires l'une de l'autre. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte trois vérins double effet disposés à 120 . 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de forme annulaire formé de plusieurs navettes élémentaires (10) respectivement équipées d'un vérin double effet. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour le stockage de déchets radioactifs. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 13, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour le rebouchage de puits à usage géotechnique.