Brevet FR3017237A1 — publié le 20150807

CONTENEUR POUR LE STOCKAGE DE COLIS DE DECHETS RADIOACTIFS EN FORMATION GEOLOGIQUE PROFONDE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention se rapporte au domaine du confinement, avec une protection radiologique, des déchets radioactifs destinés à être stockés dans une formation géologique profonde. Elle concerne, plus particulièrement, des déchets issus du retraitement des combustibles nucléaires, du démantèlement d'installations nucléaires, ou des déchets issus de l'exploitation de ces installations. Le stockage envisagé est réalisé dans des galeries souterraines creusées dans une formation géologique. Définitions Pour lever toute ambigüité sur les termes employés dans cette demande de brevet, plusieurs termes sont définis dans les lignes suivantes : Colis de déchets ou colis primaire : Déchets radioactifs conditionnés dans une enveloppe métallique (par exemple des déchets vitrifiés ou des combustibles usés de haute de haute activité). Conteneur : Complément de colisage étanche destiné à recevoir un ou plusieurs colis de déchets radioactifs, ou colis primaires. Colis de stockage : Colis de déchets tel qu'il serait mis dans une installation de stockage profond et contenant un ou plusieurs colis primaires placés dans un conteneur. Acier pour pipeline : Acier non allié utilisé pour constituer des tubes pour le transport des produits des industries pétrolières ou gazières (pipelines, casings, tubes de forage) utilisé pour sa résistance à la corrosion sous contrainte en milieu H2S humide. Ces aciers font l'objet d'une normalisation par l'API (American Petroleum I nstitute). Art antérieur et problème posé Le stockage de colis de déchets hautement radioactifs dans des galeries souterraines, placées à plusieurs centaines de mètres de profondeur dans des formations géologiques profondes, est envisagé par de nombreux pays. Un ou plusieurs colis sont placés dans un conteneur, qui est alors appelé « colis de stockage ». Un tel colis de stockage est donc stocké dans une alvéole se trouvant dans la galerie souterraine dans la formation géologique profonde. Le conteneur est destiné à empêcher l'arrivée d'eau sur les colis de déchets, appelés également « colis primaires », pendant une période au terme de laquelle la température au contact des colis sera suffisamment faible pour que d'éventuels relâchements s'opèrent dans des conditions maîtrisées et maitrisables. Cette période est évaluée entre 150 et 1 000 ans, suivant le type de déchets vitrifiés. Par ailleurs, par le document de brevet US 4 569 818, on connaît un conteneur de ce type, pour stocker des déchets radioactifs. Il est constitué principalement de trois enceintes successives, principalement en fonte et formées chacune de plusieurs parties. Le document de brevet US 4 527 065 décrit également un conteneur pour le stockage à long terme des matériaux radioactifs. On évoque au moins une enveloppe faite en fonte ou en acier. Or, la fonte est un matériau difficilement soudable, fragile et qui ne résiste pas à certains processus de corrosion à long terme, dans les conditions dans lesquelles les conteneurs sont soumis, notamment la corrosion sous contrainte (forme de corrosion se produisant par conjonction de processus chimiques et mécaniques, pouvant conduire à une fissuration du matériau). De plus, dans le cas du document US 4 569 818, le fort taux de nickel contenu dans la couche intermédiaire, la rend coûteuse. De plus, l'utilisation de plusieurs enveloppes successives rend compliqué le montage et augmente le coût de l'ensemble. Le but de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients et de proposer un conteneur pour le stockage à très long terme de colis de déchets hautement radioactifs, le stockage s'effectuant en formations géologiques profondes avec des aciers ne contenant pas d'alliage noble en quantité notable. Objet de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un conteneur pour le stockage de colis de déchets radioactifs en formation géologique profonde. Selon l'invention, le conteneur comprend : - une enveloppe externe étanche en acier avec une teneur en éléments d'alliage comprise entre 0 % et 5 % ayant pour principale fonction de résister à de nombreux risques de corrosion sur de longues périodes, notamment le risque de corrosion sous contrainte ; - une enveloppe interne en fonte, placée à l'intérieur de l'enveloppe externe en acier, qui complète la résistance mécanique de l'enveloppe externe et contribue fortement à la protection contre les rayonnements à l'extérieur du colis de stockage ; Il est très avantageux que l'enceinte externe soit constituée de trois parties assemblées par deux soudures circulaires, continues et pleine pénétration. Ainsi, toute l'épaisseur de métal, dont celui de la soudure, contribue à la résistance à la corrosion et au confinement du colis primaire. Il est également avantageux que l'acier utilisé, pour constituer l'enveloppe externe, soit en acier pour pipeline, à très basse teneur en carbone ( Cela facilite, entre autres, sa soudabilité. De plus, on prévoit que cet acier ait une teneur en soufre très basse, de l'ordre de 0,002 %, et une désoxydation poussée pour être résistant à la corrosion sous contrainte et à la fragilisation par hydrogène en milieu H2S, éventuellement humide. Il est prévu que l'enveloppe externe en acier soit d'une épaisseur comprise entre 20 et 50 mm, de préférence avec des tuyaux ou tubes standards. En conséquence, il est prévu que l'enveloppe interne en fonte soit d'une épaisseur comprise entre 25 et 175 mm. Cette épaisseur est ajustable en fonction du besoin de protection contre les rayonnements à l'extérieur du colis de stockage. Il est prévu que le diamètre du conteneur soit compris entre 0,4 et 1,50 m. On prévoit une hauteur du conteneur comprise entre 2 et 6 m. Enfin, on prévoit de placer soit un soit deux colis de déchets dans un conteneur, selon l'invention. Description détaillée d'une réalisation de l'invention En référence à l'unique figure, qui est une vue en coupe du conteneur selon l'invention, celui-ci comprend deux colis de déchets 30 superposés. Le conteneur comprend donc une enveloppe externe composée d'un premier tube 10 en acier, non ou faiblement allié, c'est-à-dire moins de 5 % d'éléments d'alliage, par exemple de type « pétrolier », de préférence thermolaminé, par exemple de type « API 5L X65 MS SAWL « sour service » résistant au phénomène de corrosion sous contrainte normalisées en milieu H2S humide ». Son épaisseur peut être comprise entre 20 et 50 mm, mais est de préférence entre 30 et 50 mm. Ce premier tube 10 est placé sur un fond 12, une soudure 16 circonférentielle, joignant de manière étanche ces deux éléments. La soudure est continue et (à) pleine pénétration, c'est-à-dire que la soudure est effective sur toute l'épaisseur de la jonction. L'ensemble est surmonté d'un couvercle 14 de premier tube également, fixé de manière étanche, par une soudure 16 de continue et pleine pénétration, sur le premier tube 10. Le fond 12 et le couvercle sont réalisés à partir de tôle en API 5L X65 MS. L'enveloppe externe reste étanche pendant plusieurs centaines d'années jusqu'à ce que la température au contact des colis soit suffisamment faible pour que d'éventuels relâchements s'opèrent dans des conditions connues et maitrisables assurant un complément de protection permettant de limiter le débit de dose au contact externe du colis de stockage en dessous de 10 Gy/h et ajustable en fonction du niveau de protection souhaité contre les rayonnements. L'intérieur du conteneur est constitué par la couche interne, qui est elle-même composée principalement d'un second tube 20, en fonte, et qui est fermé, dans sa partie supérieure, par un couvercle 22 de second fût et un fond 23. Une base bombée 24 est placée dans la partie inférieure du second tube 20 et est adaptée à la forme concave des colis de déchets 30, dans cette réalisation. En effet, comme il est préférentiellement prévu d'empiler au moins deux colis de déchets 30, l'un sur l'autre, compte tenu de la présence d'un bouchon de remplissage 32 dans la partie supérieure du colis de déchets 30, il est indispensable de prévoir un évidement dans la partie inférieure de chaque colis de déchets 30. L'épaisseur de ce second tube 20 peut être comprise entre 25 et 175 mm, mais l'épaisseur, ici représentée, est de l'ordre de 40 mm. Un conteneur, ainsi constitué, serait d'une hauteur de l'ordre de 2 m, mais peut être beaucoup plus importante, par exemple de l'ordre de 6 m dans le cas du stockage direct de combustibles usés issus des réacteurs nucléaires civils ou militaires. Une application particulière du conteneur selon l'invention est celle du stockage de deux colis de déchets, ou colis primaires, vitrifiés, exothermiques, dite de « Haute Activité à Vie Longue (HAVL) ». L'ensemble forme alors un colis de stockage, destiné à être stocké dans une alvéole en formation géologique profonde. Le conteneur permet d'interdire l'arrivée de l'eau sur les colis primaires, pendant la période au terme de laquelle la température au contact des colis sera suffisamment faible pour que d'éventuels relâchements s'opèrent dans des conditions connues et maitrisables. La durée de cette période est évaluée entre 150 et 1 000 ans, suivant les types de déchets HAVL. La forme cylindrique du conteneur permet les meilleures reprises des efforts de compression liés au poids du terrain et est adaptée à la géométrie du colis primaire. Les soudures 16, dites « pleine pénétration », du couvercle 14 et de la base 12 sur le tube 10, contribuent à l'étanchéité du colis de stockage. L'utilisation de tuyaux ou tubes standards fabriqués en grande série à épaisseurs déterminées, entre 20 et 50 mm, pour l'enveloppe externe permet d'obtenir une réduction des coûts de fabrication du conteneur. En effet, les surconteneurs actuels sont fabriqués à l'unité par forgeage. L'acier utilisé est un acier pétrolier, de préférence thermo-laminé, par exemple de type « API 5L X65 MS SAWL cour service ». Il est choisi pour les raisons suivantes : - ses caractéristiques obtenues grâce à un laminage-thermomécanique, une excellente propreté inclusionnaire avec notamment une teneur en soufre très basse (0,002 %), une désoxydation poussée qui lui conférant un comportement excellent en milieu H2S humide ; - sa microstructure dite de ferrite aciculaire est résistante au phénomène de corrosion induit par l'hydrogène (HIC) ; - sa résistance aux phénomènes particuliers de corrosion sous contraintes dans le milieu géologique permet de minimiser le risque de fissuration induit par l'environnement et répond à un certain nombre d'essais normalisés, auxquels des fontes ou des aciers, habituellement utilisées, ne résisteraient pas ; - sa bonne soudabilité du à son très faible taux de carbone 0,1 %). La soudure, dite « en pleine pénétration », est très robuste, par rapport à soudures utilisées avec les fontes, dont les propriétés de soudage sont faibles ; et - sa forte limite d'élasticité (450 MPa) pour résister aux contraintes exercées par le milieu géologique, appliquées au court du temps sur le colis de stockage dans l'alvéole. Cette pression est d'environ 13 MPa, à la profondeur du stockage (500 m), si elle est répartie uniformément sur le conteneur. L'enveloppe interne 20 en fonte permet d'accroître la protection contre les rayonnements à l'extérieur du conteneur et ainsi de limiter les effets de ces rayonnements, par exemple la radiolyse de l'eau, sur la corrosion de l'enveloppe externe en acier. Le débit « dose », c'est-à-dire l'accroissement de l'énergie communiquée à un milieu par un rayonnement ionisant, peut être limité à des valeurs inférieures à un seuil de l'ordre de 10 à 20 Gy/h. L'utilisation de la fonte pour constituer l'enveloppe interne 20 permet de diminuer l'épaisseur d'acier utilisée pour constituer l'enveloppe externe, notamment le tube 10, qui est en acier de nuance métallurgique très contrôlée et difficile à élaborer en forte épaisseur. Le conteneur peut disposer d'organes de manutention, dont la pérennité sur les périodes de réversibilité, à savoir 100 ans, doit être garantie. Ceci concerne les patins de céramique incorporés sur la surface externe du conteneur et des gorges de préhension, au niveau du couvercle 12 du colis de stockage, ainsi formé. Quatre patins en céramique inerte, non représentés, évitent un contact direct acier/acier, entre la surface externe du conteneur, c'est-à-dire du tube 10, et le chemisage des alvéoles de stockage, afin de limiter le risque de corrosion caverneuse, ou le collage et de favoriser le glissement du colis de stockage dans l'alvéole de stockage. La mise en place de deux colis de déchets 30 (ou colis primaires) dans le conteneur permet de diviser par deux les opérations de fermeture et de transfert des colis de stockage vers les alvéoles de stockage, tout en restant compatibles avec le gabarit des hottes de transfert. Ceci limite les risques d'accidents et favorise donc la sûreté de l'exploitation. L'épaisseur de l'enveloppe interne 20 en fonte est ajustable, en fonction du débit de doses, que l'on ne souhaite pas dépasser, à l'extérieur du conteneur. Le procédé selon l'invention permet notamment, d'associer un acier non allié d'une nuance métallurgique permettant de résister à la corrosion sous contrainte et une fonte pour compléter la protection contre les rayonnements et la résistance mécanique de l'enveloppe externe en acier. L'épaisseur de l'enveloppe interne en fonte est ajustable afin d'obtenir le niveau de protection contre les rayonnements souhaité. REVENDICATIONS1) Conteneur de stockage pour colis de stockage de déchets radioactifs en formation géologique profonde, caractérisé en ce qu'il comprend : - une enveloppe externe en acier avec une teneur en alliage comprise entre 0% et 5 %; et - une enveloppe interne en fonte. 2) Conteneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe externe en acier comprend un tube (10), placé sur un fond (12) et surmonté d'un couvercle (14), ces éléments étant soudés par des soudures continues et pleine pénétration. 3) Conteneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe externe est réalisé en acier non allié, obtenu par laminage thermomécanique, à teneur en carbone 4) Conteneur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'acier constituant l'enveloppe externe est résistant à la corrosion sous contrainte et à la fragilisation par l'hydrogène en milieu H25 éventuellement humide, grâce à une teneur en soufre très basse (0,002 %) et une désoxydation poussée. 5) Conteneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe externe (10) est obtenue avec des tuyaux ou tubes standards ayant une épaisseur comprise entre 20 et 50 mm. 6) Conteneur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enveloppe interne (20) a une épaisseur comprise entre 25 et 175 mm pouvant ainsi être ajustée en fonction du besoin de protection contre les rayonnements à l'extérieur du conteneur. 7) Conteneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe externe étant cylindrique, son diamètre est compris entre 0,4 et 1,5 m. 8) Conteneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa hauteur est comprise entre 2,1 m et 6 m. 9) Conteneur selon la revendication 1, appliqué au stockage à très long terme de deux colis primaires de déchets radioactifs.