Brevet FR3053518A1 — publié le 20180105

TRONCON CYLINDRIQUE TRI-COMPOSANT ET PREFABRIQUE DE CHEMISAGE D'UNE ALVEOLE DE STOCKAGE SOUTERRAIN DE DECHETS RADIOACTIFS DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine du stockage géologique des déchets radioactifs de haute activité dans des micro-tunnels horizontaux d'au moins 80 m de longueur, appelés alvéoles. Les déchets sont vitrifiés puis enfermés hermétiquement dans des colis de stockage insérés les uns à la suite des autres, dans ladite alvéole. L'invention concerne, en particulier, la fabrication de tronçons de chemisage haute performance pour cette alvéole. Art antérieur et problème posé L'alvéole de stockage géologique de déchets de haute activité doit être chemisée pour permettre la mise en place et le retrait éventuel des colis de stockage pendant la période séculaire d'exploitation réversible et pour préserver durablement ces colis du chargement mécanique du terrain du fait de la convergence. Il a déjà été envisagé de proposer un tubage monotube classique, avec injection d'un coulis de remplissage entre le tube en acier et la roche. La fonction de ce coulis de remplissage est de limiter la corrosion du tube en situation de stockage. Toutefois, la mise en place de ce coulis de remplissage peut s'avérer difficile à réaliser et à contrôler sur une longueur d'une centaine de mètres. En effet, le coulis de remplissage doit remplir tout l'espace annulaire, le matériau devant être alors poussé dans l'espace annulaire pour éviter que ne subsiste du vide. La mise en place de ce coulis de remplissage est envisagée, la plupart du temps, par injection in situ, ce qui ne garantit pas l'homogénéité géométrique, aussi bien circonférentiellement qu'axialement, de cette couche protectrice. De plus, la faisabilité technologique d'un dispositif de 3053518 2 contrôle non destructif in situ de la qualité du remplissage et de son homogénéité n'est pas démontrée industriellement et économiquement. De surcroît, la mise en place de dispositifs de contrôle de l'ouvrage autour du tubage pose de réelles difficultés technologiques, comme l'endommagement des capteurs, lors de leur mise en place dans 5 le terrain. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients, relatifs notamment à la mise en place de manière homogène du coulis de remplissage dans l'espace annulaire entre le tube et la paroi du micro-tunnel. 10 Objet de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un tronçon préfabriqué de chemisage d'alvéole de stockage souterrain de déchets radioactifs de haute activité, constitué de trois composants : 15 - un tube externe ; - un tube interne placé à l'intérieur du tube externe de façon concentrique sans contact avec ce dernier ; - un matériau de remplissage spécifique, de type coulis cimentaire ou mortier, remplissant de manière homogène l'espace annulaire entre le tube interne et le 20 tube externe. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, les tronçons sont emboîtés les uns dans les autres. Cet emboîtement est obtenu de préférence par le fait que les tronçons ont une surface radiale en escalier pour qu'ils s'emboîtent les uns dans les autres de 25 manière à garantir une zone de recouvrement axial du coulis de remplissage. Il peut être avantageux de doter les tronçons d'ailettes d'ancrage placées sur la surface externe du tube interne pour éviter un phénomène de glissement entre le matériau de remplissage et le tube interne à l'interface. 3053518 3 De préférence, le tube externe est perforé pour homogénéiser l'arrivée d'eau en provenance de la formation géologique au contact du matériau de remplissage puis du tube interne et également pour alléger chaque tronçon préfabriqué. De préférence, le matériau de remplissage est non organique et 5 comporte, de préférence, de la bentonite, des fumées de silice et de l'hydrotalcite. Le tronçon peut comprendre des éléments d'instrumentation. Un deuxième objet principal de l'invention est un chemisage d'alvéole de stockage souterrain de déchets radioactifs, caractérisé en ce qu'il est réalisé par l'assemblage de plusieurs tronçons préfabriqués tels que décrits ci-dessus et placés les 10 uns à la suite des autres dans l'alvéole. Un troisième objet principal de l'invention est un procédé de mise en place d'un tronçon préfabriqué de chemisage d'alvéole de stockage souterrain, tel que décrit ci-dessus. Selon l'invention, il consiste, dans une première étape, à fabriquer des tronçons en usine, comprenant chacun un tube interne, un tube externe, un matériau de 15 remplissage placé entre le tube interne et le tube externe et, dans une deuxième étape, à les assembler in-situ afin de constituer un chemisage complet d'alvéole de stockage souterrain. Liste des figures 20 L'invention et ses différentes caractéristiques techniques et avantages seront mieux compris à la lecture de la description suivante, accompagnée de trois figures représentant respectivement : - figure 1, en vue cavalière, une extrémité d'un tronçon préfabriqué de 25 chemisage selon l'invention ; - figure 2, en coupe partielle, la jonction de deux tronçons préfabriqués de chemisage selon l'invention ; et - figure 3, en vue cavalière, le tube interne d'un tronçon préfabriqué de chemisage selon l'invention. 3053518 4 Description détaillée d'une réalisation de l'invention Le chemisage cylindrique tri-composant préfabriqué selon l'invention est destiné à recevoir des colis contenant des déchets radioactifs de haute activité. Il est 5 constitué de plusieurs tronçons objets de l'invention, assemblés dans un micro-tunnel, constituant l'alvéole, creusé à une certaine profondeur et dont l'accès se fait par une galerie principale. Chaque tronçon préfabriqué est constitué principalement d'un tube externe 1, d'un tube interne 2 de diamètre moindre que le tube externe 1 concentrique à 10 celui-ci et d'un matériau de remplissage 3 injecté dans un espace annulaire se trouvant entre ce tube externe 1 et le tube interne 2. Il est prévu, de manière préférentielle, que le tube interne 2 soit en acier API5LX65. Il a pour fonction de garantir la tenue de l'installation, et notamment de l'alvéole de stockage pendant toute la période d'exploitation, ainsi que le maintien des jeux de manutention des colis de déchets. Son 15 épaisseur est, de préférence, de l'ordre de 25 mm. Son diamètre extérieur peut être compris entre 600 et 800 mm. Un tel tube présente une bonne tenue mécanique (résistance au flambement radial) sur 500 ans, en considérant une vitesse de corrosion généralisée de 10 microns par an. Le tube externe 1 a pour fonction de garantir l'intégrité et 20 l'homogénéité de la couche de matériau de remplissage 3 de l'espace annulaire, lors de la fabrication de tronçons de chemisage tri-composant préfabriqués dans l'alvéole. Le tube externe 1 peut être fabriqué à partir de tôles en acier roulées et soudées. D'autres types de matériau (acier inox par exemple) peuvent être envisagés. On prévoit une épaisseur maximale de 5 mm pour ce tube externe 1. De plus, il est perforé sur toute sa surface 25 pour homogénéiser l'arrivée d'eau, en provenance de la formation du sous-sol, au contact du matériau de remplissage 3, et concernant le tube interne 2 pour éviter de localiser de telles venues d'eau au niveau des jonctions entre les tronçons, source potentielle de corrosion localisée. De plus, ce tube externe 1 ainsi perforé est plus léger, ce qui permet de diminuer la masse de chacun des tronçons à manipuler. Enfin, il permet au coulis de 30 remplissage de pénétrer dans les ouvertures 7, pour assurer ainsi l'ancrage du matériau 3053518 5 de remplissage 3 par rapport au tube externe 1. On peut même envisager un grand nombre d'ouvertures 7, quitte à ce que ce tube externe 1 présente une structure grillagée. Le chemisage, à l'intérieur de l'alvéole, est constitué d'une pluralité de 5 tronçons préfabriqués de même constitution, placés les uns contre les autres. Le matériau de remplissage 3 est injecté dans un espace annulaire entre le tube externe 1 et le tube interne 2 et concentrique à ces derniers. Ce matériau de remplissage 3 est, de préférence, à base de ciment et comprend de la bentonite, des fumées de silice et d'hydrotalcite. Ce matériau de remplissage 3 bénéficie d'une réserve 10 alcaline suffisante pour pouvoir neutraliser les espèces oxydées et acides, générées dans la roche, lors du creusement du micro tunnel constituant l'alvéole et lors de l'exploitation de l'alvéole de stockage, de tels acides pouvant entraîner des vitesses de corrosion élevées à court et moyen termes. L'épaisseur du matériau de remplissage 3, et par conséquent celle de 15 l'espace annulaire initial avant injection, sont de l'ordre de 4 cm. La constitution du chemisage uniforme et homogène sur l'ensemble de l'alvéole est facilitée par l'assemblage de tronçons préfabriqués. Le fait d'avoir recours à des tronçons préfabriqués, plutôt que d'avoir à injecter un coulis de remplissage dans un espace annulaire entre un tube et de la roche, permet des exigences moindres 20 concernant la formulation du matériau de remplissage 3 et permet d'envisager une optimisation mécanique de celui-ci, notamment une augmentation du module de Young en vue d'améliorer la tenue mécanique de la structure vis-à-vis d'un risque de flambement radial. La figure 2 permet de voir un exemple de jonction de deux tronçons A et 25 B, selon l'invention, afin de constituer le chemisage complet d'une alvéole. Ces deux tronçons A et B comportent chacun une surface radiale 4 et 5 en escalier et de forme complémentaire. Le décalage des marches constituant cet escalier est prévu, de préférence au milieu de l'épaisseur du matériau de remplissage 3 de l'espace annulaire et au milieu de l'épaisseur du tube interne 2, de manière à éviter que ces marches soient au 3053518 6 niveau des interfaces des tubes externe 1, interne 2 et du matériau de remplissage 3 de l'espace annulaire, afin d'éviter une désolidarisation des différents composants. Sur cette figure 2, on a fait figurer des ouvertures 7 pratiquées dans le tube externe 1. Le matériau de remplissage 3 remplissant l'espace annulaire pénètre dans 5 ces ouvertures 7 lors de la fabrication des tronçons. L'adhérence du tube externe 1 avec le matériau de remplissage 3 est donc assurée par les ouvertures 7. En référence à la figure 3, il est possible de placer des ailettes 6 sur la surface externe du tube interne 2. De telles ailettes 6 ne sont pas indispensables, mais peuvent améliorer la tenue de l'ensemble, en particulier l'adhérence du matériau de 10 remplissage 3 sur le tube interne 2 et ce, afin d'éviter toute dissociation des différents éléments constituant les tronçons lors de l'introduction de ces derniers dans l'alvéole. En effet, cette opération d'introduction nécessite des efforts de poussée élevés et génère des frottements entre la roche excavée et chaque tronçon.. Les ailettes 6 fixées sur la paroi externe du tube interne 2 servent à maintenir en place le matériau de remplissage 3 15 de l'espace annulaire initial, qui maintient lui-même le tube extérieur 1 en place du fait des ouvertures 7 se trouvant à la surface de ce dernier. On peut prévoir que le premier tronçon du chemisage selon l'invention puisse avoir une forme optimisée pour faciliter l'insertion dans le forage. Il est possible d'envisager que certaines alvéoles ainsi constituées avec 20 les tronçons de chemisage selon l'invention puissent faire l'objet d'une instrumentation spécifique permettant de suivre notamment l'évolution thermomécanique de l'ensemble du chemisage constitué pendant une phase séculaire d'exploitation, par exemple avec des mesures de déformation et de température. D'autres types de mesures pourront également être envisagées (mesure de gaz, d'humidité relative, etc.). En effet, une des 25 difficultés du concept de l'art antérieur, est qu'il existe un risque d'endommagement des capteurs, lors de la mise en place du tubage ou chemisage dans le milieu géologique, aucun câble ne devant passer à l'intérieur du tubage et aucune intervention humaine n'étant autorisée à l'intérieur de l'alvéole. Le concept de tronçons préfabriqués selon l'invention permet, lors de la fabrication en surface de ces derniers, de passer des câbles 30 entre les deux tubes externe 1 et interne 2 en acier, au moyen de réservation à l'intérieur 3053518 7 du matériau de remplissage 3 placé dans l'espace annulaire initial, ce qui permet d'éviter tout risque d'endommagement de la connectique de contrôle, ainsi que des capteurs. Ainsi, on peut réaliser un chemisage complet d'une épaisseur de l'ordre de 60 à 70 mm. La mise en place dans le terrain du chemisage constitué de tronçons 5 préfabriqués peut se faire à l'avancement du creusement, de manière à limiter le diamètre de l'excavation. Avantages de l'invention 10 Le tronçon de chemisage selon l'invention garantit l'homogénéité géométrique, tant circonférentielle qu'axiale, du matériau de remplissage de l'espace annulaire. Le fait de préfabriquer des tronçons permet d'effectuer un contrôle de la qualité du remplissage de l'espace annulaire de chaque tronçon avant leur mise en 15 place dans l'alvéole. De plus, le fait de ne pas avoir à remplir in situ l'espace annulaire sur l'intégralité du chemisage permet de s'affranchir de certains composants nécessaires à l'injection, à l'ouvrabilité et à l'homogénéité du matériau de remplissage sur de longues distances, ce qui accroît grandement les performances mécaniques et chimiques de ce 20 dernier. La préfabrication du tronçon en usine permet également d'introduire, au sein du matériau de remplissage, des dispositifs d'instrumentation entre les deux tubes de manière à protéger ces dispositifs de tous risques d'endommagement durant l'insertion et de l'assemblage de chaque tronçon dans la roche excavée. 25 REVENDICATIONS1. Tronçon préfabriqué de chemisage d'alvéole de stockage souterrain de déchets radioactifs, le tronçon comprenant trois composants : - un tube externe (1) ; - un tube interne (2) placé à l'intérieur du tube externe (1) de façon concentrique sans contact avec ce dernier ; et - un matériau de remplissage (3) spécifique, de type coulis cimentaire ou mortier, remplissant de manière homogène l'espace annulaire entre le tube interne (2) et le tube externe (1), 2. Tronçon préfabriqué de chemisage d'alvéole de stockage souterrain de déchets radioactifs selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tronçons ont des surfaces radiales (4) et (5) en escalier, pour s'emboîter les uns dans les autres. 3. Tronçon préfabriqué de chemisage d'alvéole de stockage souterrain de déchets radioactifs selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des ailettes (6) placées sur la surface externe du tube interne (2). 4. Tronçon préfabriqué de chemisage d'alvéole de stockage souterrain de déchets radioactifs selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube externe (1) comprend des ouvertures (7). 5. Tronçon préfabriqué de chemisage d'alvéole de stockage souterrain de déchets radioactifs selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de remplissage (3) est non organique. 6. Tronçon préfabriqué de chemisage d'alvéole de stockage souterrain de déchets radioactifs selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de remplissage (3) comprend de la bentonite, des fumées de silice et de l'hydrotalcite. 7. Tronçon préfabriqué de chemisage d'alvéole de stockage souterrain de déchets radioactifs selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments d'instrumentation. 8. Chemisage d'alvéole de stockage souterrain de déchets radioactifs, caractérisé en ce qu'il est réalisé par l'assemblage de plusieurs tronçons préfabriqués 3053518 9 selon l'une quelconque des revendications précédentes placés les uns à la suite des autres dans l'alvéole. 9. Procédé de mise en place d'un chemisage selon la revendication 8, dans une alvéole souterraine de stockage de déchets, caractérisé en ce qu'il consiste, 5 dans une première étape, à fabriquer des tronçons en usine, comprenant chacun un tube interne (2), un tube externe (1), un matériau de remplissage (3) placé entre le tube interne (2) et le tube externe (1) et, dans une deuxième étape, à les assembler in-situ afin de constituer un chemisage complet d'alvéole de stockage souterrain.