Identifier et prévenir les risquesliés au stockage géologiquede déchets nucléaires

INSTITUTDE

RADIOPROTECTION

ET DE SÛRETÉ NUCLÉAIRE

Faire avancer la sûreté nucléaire

Tournemire,pourquoi ?
Un terrain idéal pourétudier le comportementd’une roche argileuse

Intérêt de la station expérimentale
de Tournemire pour l’IRSN ?
L’ancien tunnel ferroviaire de Tournemire, long de 1 885 mètres,
traverse une roche composée de minéraux argileux, de carbonates
et de quartz, appelée argilite. Formée il y a près de 180 millions
d’années, cette roche a une épaisseur de 250 mètres. Elle est
encadrée par des roches calcaires. Du fait de ses caractéristiques,l’argilite de Tournemire présente de nombreuses analogies avec
la formation argileuse étudiée par l’Andra sur le site de Meuse/
Haute-Marne. Elle permet ainsi à l’IRSN d’acquérir et de tester
les connaissances et les méthodes nécessaires à son expertise

Surveillance de l’instrumentation dans la galerie Est 2003

Quelles recherches pour l’IRSN ?
L’IRSN évalue la capacité de confinement de la roche argileuseen conduisant des travaux expérimentaux à Tournemire, quiportent sur :• la caractérisation des mécanismes responsables du transportde l’eau porale et des espèces dissoutes ;• les effets du creusement et de l’exploitation des ouvrages
souterrains sur les propriétés de confinement ;• les effets liés aux interactions de la roche avec les matériaux
exogènes tels que le béton ou des composés métalliques.
Par ailleurs, en lien avec les enjeux de fermeture et surveillanced’une installation de stockage géologique, la station expérimentale de Tournemire est également utilisée pour étudier :• la performance de composants essentiels à la sûreté à longterme de Cigéo tels que les dispositifs de scellements ;• les moyens d’observation et de surveillance de Cigéo pendantson exploitation.

Carte d’identité de la station expérimentale
de Tournemire

5

Vers Clermont-Ferrand09

D8D 992

A7

MillauA 75
St-Rome-de-Cernon

de la sûreté de l’installation de stockage de déchets radioactifs
en milieu géologique profond (Cigéo) développée par l’Andra. La
présence d’un ancien tunnel ferroviaire offre un accès à la rochedans des conditions de coûts et avec des contraintes d’exploitation
particulièrement avantageuses. L’ancienneté de ce tunnel, percé à
la fin du XIXe siècle, permet par ailleurs d’observer les évolutions
engendrées par un ouvrage souterrain creusé dans une formation
argileuse sur une durée de plus d’un siècle.
Acquise par l’IRSN en 1992, la station expérimentale deTournemire
constitue aujourd’hui, avec les laboratoires de Mol (Belgique), duMont-Terri (Suisse) et de Meuse/Haute-Marne (laboratoire Andradans l’est de la France, près du village de Bure), l’un des quatre
laboratoires de recherche souterrains dans l’argile en Europe.

D 999

Direction
St-Rome-de-Cernon/
Roquefort
La Cavalerie

Roquefort

Entrée du tunnel

Tournemire
St-Affrique
Vers Albi

Viala-du-Pas-Jaux

L’Hospitalet
de Carzac
Direction
Roquefort/
Tournemire
Vers Montpellier

La localisation : dans le sud de l’Aveyron, en bordure du Massif central.
La couche d’argilite : 250 m d’épaisseur, déposée au Jurassiqueil y a 180 millions d’années, surmontée d’une couche calcairede 250 m d’épaisseur.
Le tunnel : creusé entre 1882 et 1888, long de 1 885 m, acquis
par l’IRSN en 1992.
Les ouvrages : six galeries totalisant plus de 285 m de longueur,plus de 350 forages.

L’IRSN etle stockage
géologique
Un programme expérimental pouracquérir des connaissances, évaluer ettester des méthodes, former des experts.

Le rôle de l’IRSN

Le contexte national
En France, la responsabilité de concevoir et de réaliser un stockage
géologique de déchets nucléaires de haute activité (HA) et demoyenne activité à vie longue (MAVL) a été confiée à l’Andra. En
application de la loi du 26 juillet 2016, l’instruction de la demanded’autorisation de création de l’installation Cigéo en Meuse/HauteMarne est prévue à partir de 2019, avec un démarrage d’une phaseindustrielle pilote en 2025.
En France, le concept de sûreté d’un stockage géologique repose
notamment sur le confinement efficace des matières radioactives
assuré par le milieu géologique. En particulier, le confinement
offert par la roche argileuse devra permettre de limiter le transfertde la radioactivité vers les écosystèmes et ainsi prévenir les risquesà long terme pour l’homme et l’environnement.

Les collaborations scientifiques
UNIVERSITÉS ET ÉCOLES SUPÉRIEURES
Géosciences Montpellier, GIS (Nîmes), IC2MP (Poitiers),
IMFT (Toulouse), LPG (Nantes), Mines Paris Tech, Paris VI(Pierre et Marie Curie), Paris XI (Orsay), Ponts Paris Tech, UPPA (Pau),Bern (Suisse), Helsinki (Fi)ORGANISMES DE RECHERCHE
BRGM, CEA, CNRS, LCPC, Mines ParisTech, Ponts ParisTech.
PROJET FÉDÉRATEUR NEEDS MILIEUX POREUX
Une collaboration avec plusieurs équipes du CNRS (CEREGE, IMPMC,ENS, GeoRessources, IMFT, LFCR, ICB).
AGENCES ET CONSORTIUMS INTERNATIONAUXAIEA, CCSN (Canada), consortiums DECOVALEX et Mont Terri (Suisse).
ORGANISME EXPERT EN MATIÈRE DE RISQUES NUCLÉAIRES
Bel V (Belgique)
PROJETS EUROPEENSJOPRAD, SITEX-II, MIND, Modern2020, CEBAMA, BEACON

Au cours du processus encadré par la loi de 2006, l’IRSN a lacharge d’évaluer, pour le compte des autorités, la sûreté du projet
développé par l’Andra. Pour assurer sa mission et mener à bien
une expertise techniquement crédible et indépendante, l’IRSN
se doit d’acquérir des connaissances spécifiques et de développer et maintenir ses compétences. La station expérimentale deTournemire, à travers l’ensemble des dispositifs techniques et descollaborations scientifiques mis en œuvre, permet d’atteindre
ces objectifs.

Un tunnel,

six galeries
Une station expérimentale
intégralement dédiée à la recherche
scientifique et technique.

œuvre pour étudier l’argilite et son comportement, l’eau
qu’elle contient et sa vitesse de déplacement, les perturbations qu’elle est susceptible de subir dans un stockage, pourquantifier les performances des ouvrages de fermeture d’unstockage, et plus récemment pour tester les moyens de surveillance adaptés.
Une partie des données acquises dans le cadre des expérimentations est utilisée pour développer et valider les modèles numériques utilisés par l’IRSN et ainsi être en mesured’expertiser l’évaluation de sûreté présentée par l’Andra pourl’installation de stockage géologique qu’elle développe.
Réalisation d’un forage horizontal pour la mise enplace d’une instrumentation.

La station expérimentale
Au total, six galeries totalisant plus de 285 m de longueuret plus de 350 forages ont été creusés dans la station expérimentale depuis 1992. Des instruments de mesure sontmis en place et des techniques d’observation mises en

Un usage uniquement scientifique
La station expérimentale de Tournemire a vocation à n’êtreutilisée qu’à des fins de recherche scientifique et technique.
Elle n’est en aucun cas destinée à accueillir un jour des déchets radioactifs. Par ailleurs, aucune expérience nécessitantl’injection de traceur radioactif n’est réalisée au sein de lastation expérimentale.

Schéma 3D de la station expérimentale.

96

ies 19Galer08

ies 20Galer03s 20

iealerGEntrée Sud

Le cadre géologiquedu secteur deTournemire
Mesures géophysiques destinées à détecter les failles et les fractures.

Contexte géologiqueTournemire est situé en bordure du Massif central dans le Sud
Aveyron. La couche argileuse s’est déposée en milieu marin il y aenviron 180 millions d’années au Jurassique inférieur (Toarcienet Domérien). Elle est délimitée au nord par la faille du Cernon,d’échelle régionale, et recoupée par de nombreuses failles etfractures plus locales.

Un bloc formé de couches
sub-horizontales et délimitépar plusieurs failles et fractures.

fractures et leur caractérisation sont nécessaires à l’évaluation
des propriétés de confinement, car elles peuvent jouer un rôlede chemin préférentiel pour le transfert de l’eau au travers de lacouche argileuse.

Des fractures dans
une roche argileuse ?
Les roches argileuses sont de manière générale moins propices
aux phénomènes de fracturation que d’autres types de roche(calcaires, granites…).
Les observations effectuées dans la station de Tournemirepermettent toutefois de mettre en évidence des zones
homogènes et des zones fracturées de différentes tailles, avec
des failles et fractures formées il y a 40 - 50 millions d’années(formation de la chaîne des Pyrénées). La détection de ces

Coupe géologique générale du site de Tournemire.

Suivi de l’ouvertured’une fissure d’origine
techtonique.

Quelles sontles propriétésde la roche ?

Evaluer la capacité de confinement del’argilite : un enjeu majeur de la sûreté àlong terme d’un stockage géologique.
L’argilite, un milieu
vraiment imperméable ?
La très faible teneur en eau (environ 10% en volume) et la petite
taille des pores (inférieure à la centaine de nanomètres) des roches
argileuses indurées constituent un milieu très peu perméable où
les écoulements d’eau, en l’absence de fracturation, sont extrêmement faibles. Dans ces conditions, le transfert des solutés doit seproduire essentiellement par diffusion moléculaire.
Les temps de résidence des eaux contenues dans l’argilite deTournemire (eaux porales) ont pu être déterminés par l’analysede tests hydrauliques et de profils de traceurs naturels obtenus
sur l’épaisseur de la couche argileuse. Ces techniques confirment
que l’eau circule très lentement dans la roche (de l’ordre du cm
par million d’années), au point de pouvoir être considérée commeimmobile à l’échelle de temps humaine. Elles confirment que ladiffusion y est bien le mode de transport dominant. Localement,des circulations plus rapides sont observées dans des fractures oùl’eau collectée, plus mobile, provient d’échanges avec les aquifères
calcaires encadrants. Le prélèvement des eaux circulant dans ces
fractures et l’analyse de leur composition chimique et isotopiquerenseignent les chercheurs de l’IRSN sur leur origine, leur mode etleur vitesse de transfert. A titre de comparaison, les eaux circulant
dans les fractures de la roche argileuse se déplacent à des vitesses
de l’ordre du kilomètre par million d’années.

la station expérimentale de Tournemire, les observations etexpériences conduites ont montré l’existence d’une EDZ initiale liéeau creusement de l’ouvrage ainsi que d’une EDZ supplémentaire(fissuration sub-horizontale) résultant de la ventilation desgaleries et de la dessiccation associée de la roche argileuse. La
caractérisation des fissures et de leur évolution spatio-temporelle
est un aspect qui doit être pris en compte pour l’évaluation de lasûreté à long terme du stockage.
Machine à attaqueponctuelle utilisée
pour le creusement
des galeries.

Le comportement de la roche face
aux sollicitations liées au stockage
Le creusement d’un ouvrage souterrain entraîne, à sa périphérie,une perturbation du champ des contraintes mécaniques et de ladéformation dans la roche, avec pour conséquence la créationd’une zone de roche endommagée, appelée EDZ (Excavation
Damaged Zone). L’étendue et l’intensité de cette perturbationévoluent dans le temps sous l’effet de l’ensemble des sollicitations
thermiques, hydrauliques et chimiques liées au stockage. DansPrélèvement de l’eau présente dans quelques fractures d’origine tectonique.

Quelles interactions

avec les matériaux
du stockage ?
Les perturbations chimiques, une cause
potentielle d’altération des propriétésde confinement de l’argilite.

Béton au contact de l’argilite après 15 ans.

Les perturbations associées
aux matériaux rapportés

La performancedes ouvrages de scellement

Certaines expérimentations conduites par l’IRSN dans la station
expérimentale de Tournemire visent à identifier et caractériser
les perturbations de la roche induites par des matériaux exogènes introduits dans le milieu géologique.
Les interactions entre ces matériaux et les minéraux argileux
de la roche peuvent modifier leur propriétés géochimiques etimpacter leur capacité de confinement des solutés. Par ailleurs,le développement de différentes communautés bactériennes,
préexistantes ou introduites lors de l’exploitation du site, peut
impacter certains composants (par exemple, corrosion des composants métalliques).

La fermeture progressive d’un stockage tel Cigéo repose sur lamise en place de scellements dans certains ouvrages. Les scellements sont constitués d’un matériau naturel à base d’argile,dont le gonflement à l’hydratation assure la continuité du confinement procuré par la roche. L’IRSN met en œuvre dans la station expérimentale de Tournemire un programme de recherche
dédié à l’évaluation de l’efficacité et de la tenue dans le temps
de tels scellements. Il consiste à examiner les principaux facteursqui contrôlent la performance hydraulique à long terme des scellements, tels que les choix constructifs et leurs conditions d’évolution (normale ou altérée).

Échantillon d’acier laissé après 10 ans de contact avec
l’argilite (image microtomographique du fer à l’interface).

Comment observer
et surveiller
un futur stockage ?

Insertion d’un noyau
argileux instrumenté
dans un forage d’essai.

De nouveaux types de capteurs
Des capteurs sont en cours de développement, pour mesurer certains paramètres (p.ex. le pH) dansles conditions particulières d’un stockage. Les développements concernent également les enjeux defiabilité et de faible consommation énergétique.

Des conditions de fonctionnement exigeantes

Des enjeux inédits en termes demoyens de mesure, dont les limites
technologiques seront testées dansdes conditions représentativesd’un stockage au sein la station
expérimentale de Tournemire,dans le cadre du projet Européen
Modern2020*.

Les chercheurs de l’IRSN visent à reproduire l’environnement du fonctionnement des capteurs dans un
futur stockage, que ce soit en termes de pression hydraulique et mécanique, de température, de pH…

Une transmission sans fils indispensable
La remontée des données fournies par les capteurs surveillant un stockage nécessite l’utilisation desystèmes de transmission non filaires. Dans les conditions du stockage (portée de plusieurs centainesde mètres, traversée de milieux denses), de tels systèmes sont à l’état de développement, certains
pourront être testés dans le banc d’essai in situ mis en œuvre à Tournemire.
(*) Ce projet a pour objet de développer et de tester des outils et des méthodes pour la mise en œuvre d’un programme
opérationnel de surveillance des installations de stockage géologique profond de déchets radioactifs.

L’IRSN et la société
L’IRSN a engagé depuis quinze ans une politiquevolontariste d’ouverture à la société, car lavigilance et le questionnement qu’exerce lasociété est une composante essentielle de lamaîtrise des risques nucléaires et radiologiques.

dite de « dialogue technique » destinée à construire
un échange continu entre les experts et la société
civile sur les enjeux techniques et scientifiques de lagestion des déchets de haute activité et de moyenne
activité à vie longue.

Un des objectifs de l’ouverture à la société est l’accompagnement des acteurs de la société dans leurmontée en compétence sur les questions de sûreté
nucléaires et de radioprotection. C’est ainsi que dansle domaine de la gestion des déchets radioactifs,l’IRSN a lancé, depuis 2012, des réflexions et desactions sur la participation de la société notamment
dans le cadre de projets européens (COWAM, SITEX).

L’implication des acteurs de la société et la confrontation des points de vue contribuent à la robustessede l’expertise de l’IRSN et donc des décisions qui endécoulent. Aussi, est-il essentiel pour l’IRSN d’allerplus loin dans sa démarche envers les citoyens etd’innover. C’est ce qui a été fait en 2016 - 2017,en associant à un groupe d’échange, dès le début
du processus d’évaluation du dossier d’options desûreté (DOS) de Cigéo par l’Institut, des membres dela société civile issus de l’ANCCLI, du CLIS de Bureet de la Conférence de citoyens du débat public de2013, ainsi que des experts non institutionnels.

L’IRSN mène également avec l’Association nationaledes comités et commissions locales d’information(ANCCLI) et avec le Comité local d’information etde suivi (CLIS) du laboratoire de Bure, une démarche

L’IRSN est l’expert public national en matièrede risques nucléaires et radiologiques.
L’IRSN, établissement public à caractère industriel et commercial (EPIC) – dont les missions sont désormais
définies par la loi n° 2015-992 du 17 août 2015 relative à la transition énergétique pour la croissance verte(TECV) – est l’expert public national des risques nucléaires et radiologiques. L’IRSN concourt aux politiquespubliques en matière de sûreté nucléaire et de protection de la santé et de l’environnement au regard desrayonnements ionisants. Organisme de recherche et d’expertise, il agit en concertation avec tous les acteurs
concernés par ces politiques, tout en veillant à son indépendance de jugement.

Siège social
31, avenue de la Division Leclerc
92260 Fontenay-aux-Roses
RCS Nanterre B 440 546 018
Téléphone : +33 (0)1 58 35 88 88
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