Brevet FR2912541A1 — publié le 20080815

La présente invention concerne le domaine du stockage souterrain des déchets radioactifs à vie longue. En 2005, l'Agence Nationale pour la gestion des Déchets RadioActifs (Andra) a soumis un dossier au gouvernement sur le sujet pour la poursuite des études. L'état de la technique antérieure est défini dans ce dccument et il y sera fait référence dans le texte ci-dessous sous le nom de "Dossier 2005" pour désigner l'état de la technique en matière de dispositif de stockage de déchets à vie longue que le présent brevet propose d'améliorer. La partie du stockage concernée par la présente invention concerne le stockage souterrain dans de l'argilite, vers 500 m de profondeur, de colis de déchets à vie longue (570 mm de diamètre et 1600 mm de long environ) espacés pour raisons thermiques par des intercalaires, à l'intérieur d'alvéoles horizontales de 600 mm de diamètre intérieure et quelque 40 m de long. Le dispositif comprenant l'alvéole, les colis et les intercalaires, doit permettre la mise en place, la protection et le retrait éventuel des colis de déchets sur de très longues périodes, tout en permettant une diffusion efficace des calories dans la couche de terrain hôte pendant toute la période de refroidissement. Le principe du stockage, quel que soit le dispositif retenu, comporte les trois principaux sous ensembles suivants: L'alvéole de stockage, constituée d'un chemisage cylindrique horizontal foncé dans le terrain sur 30 toute sa longueur. Les colis proprement dits constitué chacun d'un colis primaire de déchets enfermés dans une enveloppe étanche de protection aussi appelée surconteneur. -2- - Les intercalaires destinés à remplir les espaces longitudinaux entre les colis et dont l'espacement est défini par des contraintes thermiques à ne pas dépasser. Le chemisage de l'alvéole doit assurer les fonctions suivantes: - Guidage des colis de déchet lors de leur mise en place dans l'alvéole et leur retrait éventuel. - résistance mécanique aux efforts d'écrasement dus à la pression des terres sur le long terme. - diffusion dans le terrain des calories dégagées par les colis pendant la très longue phase de refroidissement des déchets (plusieurs siècles). Le surconteneur doit assurer les fonctions suivantes: - Support et guidage lors de la mise en place des colis dans l'alvéole de stockage. - Etanchéité totale à l'eau jusqu'à refroidissement suffisant des colis de déchets primaires. -Transmission des calories à évacuer au chemisage 20 puis au terrain. -Résistance à la corrosion. - Résistance aux efforts d'écrasement dus à la pression des terres en cas de collapse du chemisage. 25 Par ailleurs le dispositif doit permettre la réversibilité sur plusieurs siècles, principe permettant aux générations futures de retirer les colis à la suite, par exemple, de progrès techniques permettant leur retraitement. 30 Le système actuellement envisagé et défini dans le "Dossier 2005" est constitué: -pour l'alvéole d'un chemisage métallique, en acier peu allié, de 62 cm de diamètre intérieur et 2,5 cm 3 d'épaisseur environ, soit un diamètre extérieur 67 cm dans ce cas. - Pour les colis d'un colis primaire de déchets de quelque 43 cm de diamètre enfermé dans un surconteneur étanche, également en acier peu allié de 7 à 8 cm d'épaisseur. - Pour les intercalaires de faux colis de dimensions comparables aux colis de déchets et remplis d'un matériau neutre. Cette technique présente certains inconvénients qui pertent notamment sur les risques de corrosion anoxique de l'acier peu allié du chemisage et du surconteneur, sources de dégagements de gaz et notamment d'hydrogène. Le dispositif objet de l'invention permet de remédier 15 à ces inconvénients, notamment par le remplacement de l'acier peu allié du chemisage par un matériau résistant non métallique: le granite. Dans ce dispositif, qui privilégie la séparation des fonctions: 20 - le chemisage est constitué d'un tube en granite destiné à résister sur le très long terme aux efforts d'écrasement dus à la pression des terres. Les tronçons de chemisage obtenus par découpage au diamant de tubes dans des blocs de granite sain 25 extraits de carrières. L'une des méthodes de découpage consiste à carotter d'abord un cylindre plein de granite de la longueur du tronçon unitaire (2 à 3m) ayant le diamètre extérieur du chemisage puis d'extraire le noyau central par carottage 30 concentrique plus petit de la partie centrale (on notera que les chutes que représentent ces noyaux peuvent être utilisées pour réaliser les intercalaires entre colis). La résistance du granite à la compression pure de l'ordre de 150 MPa 4 permet la reprise des pressions des terres avec des épaisseurs admissibles de l'ordre de 10 à 15% du diamètre du chemisage. - Les colis sont constitués chacun d'un colis primaire entouré du surconteneur en acier peu allié (Dossier 2005) que l'on propose, dans le dispositif objet de l'invention, d'enfermer à l'intérieur d'une seconde enveloppe étanche en métal inoxydable concentrique, elle-même isolée du surconteneur par des blocs d'argile gonflante rendue plus conductrice par ajout d'additifs spécifiques et servant d'entretoises et de régulateur de corrosion pour le surconteneur. Cette dernière fonction s'appuie sur le fait que la vitesse de corrosion de l'acier est minimisée quant il est au contact de l'argile. - Les intercalaires sont réalisés en granite plein à partir des chutes obtenues lors du découpage des tronçons de chemisage. Le dispositif objet de l'invention est plus particulièrement décrit sur la figure 1. Il est constitué: - de l'alvéole composée de tronçons de chemisage en granite (1) connectés longitudinalement par des manchons de liaison à définir. - des colis de déchets (2). - Des intercalaires en granite (3). Les colis sont eux-même constitués de l'intérieur vers l'extérieur: - du colis primaire (5) et de son surconteneur (6) faisant l'objet de la description Andra du "Dossier 2005". de blocs d'argile gonflante (7). - d'une seconde enveloppe étanche en métal inoxydable (8). - de pieds isolants (9). Les colis sont constitués du colis primaire (5) et du 5 surconteneur (6) en acier peu allié pour la prédictibilité de la corrosion, conformément à la solution existante (Dossier 2005). Dans le dispositif objet de l'invention, une enveloppe supplémentaire en métal inoxydable (8) est hermétiquement soudée autour du surconteneur (6) avec intercalation d'une couche continue de blocs d'argile gcnflante (7). Cette configuration permet de limiter le pourcentage de vides entre le colis et le chemisage (4). Par ailleurs l'enveloppe (8) a deux fonctions principales: - créer un premier niveau d'étanchéité et ainsi retarder l'arrivée de l'eau sur le surconteneur (6). - Maintenir les blocs d'argile gonflante (7) autour du surconteneur (6). Les blocs d'argile gonflante (7) ont deux fonctions majeures: - Servir d'entretoises entre l'enveloppe (8) et le 25 surconteneur (6). - garantir une vitesse de corrosion minimale de l'acier du surconteneur (6) lorsque l'eau l'aura atteint. Les pieds isolants ont pour fonction d'éviter de 30 transmettre les calories en des points singuliers de l'alvéole qui pourraient représenter des points chauds limitants. Les intercalaires (3) ont pour fonction de maintenir un écartement entre les colis, calculé en fonction de leur 6 puissance thermique pour ne pas dépasser des températures maximum en peau de colis et au contact entre chemisage et terrain. La figure 2 représente le même dispositif équipé 5 d'une enveloppe inoxydable de chemisage (11). Cette enveloppe optionnelle sert principalement: De niveau d'étanchéité supplémentaire. De raidisseur de l'ensemble lors de la mise en place du chemisage dans le terrain, notamment en 10 cas d'utilisation d'un micro-tunnelier trop petit pour pouvoir être équipé d'un guidage optique. De système de liaison des tronçons de chemisage entre eux par soudure bout à bout de cette enveloppe métallique. 15 Le dispositif objet de l'invention présente plusieurs avantages listés ci-dessous: simplicité et robustesse du concept. pas ou peu de corrosion donc pas de dégagement sensible d'hydrogène (réduction de 80% au moins par 20 rapport à la solution tout acier peu allié du Dossier 2005). La réalisation du chemisage en tronçons de granite directement découpés au diamant dans des blocs de roche cristalline saine permet de disposer d'un 25 matériau naturel non remanié dont les capacités de résistance mécanique, physique et chimique sont sans équivalent. Le granite dispose par ailleurs de qualités exceptionnelles de conductivité thermique pour un 30 matériau non métallique, ce qui améliore encore le transfert des calories vers le terrain. Les grains conducteurs de la chaleur qu'il contient (quartz et feldspath notamment) assurent les fonctions de ponts thermiques pour la transmission répartie de 7 la chaleur vers l'extérieur tout autour de l'alvéole. - L'ensemble du concept conduit à élargir le diamètre extérieur de l'alvéole donc la surface d'échange thermique avec le terrain, conduisant ainsi à une meilleure évacuation des calories et par conséquent à une amélioration de la densité du stockage. - L'ajout d'une couche d'argile gonflante autour des surconteneurs permet de ne pas augmenter le pourcentage de vides entre colis et chemisage tout en agrandissant la surface d'échange avec le terrain, donc la densité de stockage. - La présence d'argile gonflante autour du surconteneur garantit une vitesse de corrosion 15 minimale de l'acier peu allié du surconteneur lorsque l'eau l'aura atteint. En effet, il est démontré que l'acier peu allié se corrode moins vite au contact de l'argile humide qu'au contact de l'air humide. 20 - L'élargissement des alvéoles est favorable à l'utilisation de tunneliers à guidage laser pour leur mise en place dans des alvéoles plus longues. Cet allongement des alvéoles permet de stocker plus de colis conduisant à un coût unitaire plus bas. 25 - Les intercalaires en granite sont issus du découpage au diamant: des noyaux des tronçons de chemisage, ce qui est également une source d'économies. Selon un mode de réalisation de l'invention, le chemisage 30 en granite (1) est constitué de tronçons de tubes de 750 mm de diamètre intérieur, 950 mm de diamètre extérieur et 2500 mm de long, découpés chacun par carottage au diamant dans un bloc de granite de dimensions suffisantes. On obtient d'abord un cylindre plein de 950 mm de diamètre et 2500 mm 10 -8- de long dont le noyau central est ensuite découpé par carottage concentrique de façon à former un tube en granite. Les tubes sont ensuite descendus dans la galerie de manutention à 500 m de profondeur et poussée dans le terrain à l'aide d'un micro--tunnelier équipé d'un système de guidage optique qui creuse simultanément le terrain au fur et à mesure de la mise en place des tronçons de chemisage. Les tronçons sont ajoutés les uns derrière les autres à l'aide de manchons de centrage jusqu'à atteindre la longueur d'alvéole souhaitée. Un bouchon de fermeture est mis en place à l'extrémité de l'alvéole opposée à la galerie de manutention puis les colis de déchets (5 et 6), enfermés dans les enveloppes inoxydables (8) dont ils sont isolés par de l'argile compactée (7), sont poussés dans l'alvéole avec intercalation de cylindres de granite formant intercalaires (3) entre les colis (2) pour limiter la montée en température liée à la puissance thermique des colis. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné au stockage des déchets radioactifs à vie longue mis en place dans des alvéoles longues. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour le stockage souterrain de longue durée de colis de déchets radioactifs, caractérisé en ce que le matériau constitutif du tube formant le chemisage (1) de protection mécanique des colis (2) est du granite. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le colis de déchets (2) comprend, outre le colis primaire de déchets (5) et le surconteneur (6), un enrobage de blocs d'argile gonflante (7), eux-mêmes enfermés dans une enveloppe (8) étanche. 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les colis de déchets (2) et les intercalaires (3) sont maintenus sensiblement centrés dans le chemisage (1) par des pieds isolants (9 et 10) situés dans la partie basse de l'espace annulaire (4) entre les colis (2) ou les intercalaires (3) et le chemisage (1). 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le chemisage en granite (1) est recouvert à l'extérieur par une couche de métal inoxydable étanche (11).