les solutions et les idées envisagées par les experts pour le futur

   Nous l'avons remarqué : la principale difficulté, toujours irrésolue actuellement, du démantèlement  d'une centrale nucléaire est la gestion des déchets nucléaires générés, et en particulier les déchets à vie longue. De nombreux experts travaillent sur des solutions pour remédier à ce problème de taille dans notre siècle. Nous citerons les principales, qui font le plus de promesses.

 

Les centres de stockage des déchets à VL de l'Andra

    Pour les déchets radioactifs à vie longue VL, il n’existe pas de solution définitive de stockage. En effet, ce stockage devrait s’effectuer sur des dizaines de milliers d’années. Mais à l’heure actuelle, l’Andra travaille à la conception de deux centres de stockage qui apparaissent comme les solutions de référence pour la gestion future de ce type de déchets depuis la loi de 2006 : un centre de stockage peu profond pour les déchets FA VL et un centre de stockage prStockage de déchet au WIPP américainofond pour les déchets HA et MA VL. L'enfouissement en profondeur n'est pas une idée révolutionnaire spécifique à la France : c'est une solutionqui a déjà été choisie  par certains pays comme les États-Unis en 1999.

 

Cependant, quant à des stockages si longs deux problèmes principaux se posent :

1. Au fur et a mesure des siècles, la radioactivité arrivera-t-elle à traverser les barrière de confinement ? Quel en seront les impacts sur l’environnement, et peut-être même sur l’homme ?

2. L’Homme saura-t-il se souvenir de l’implantation de sites de stockage en profondeur ? Qu’arrivera-t-il s’il le découvre alors ?

Dans notre TPE, nous avons concentré notre travail sur le  centre de stockage profond de déchets HA et MA VL.

 

Un centre de stockage profond pour les déchets HA et MA VL

    Le projet de ce centre s’appelle Cigéo : le Centre industriel de stockage géologique. Il consiste à isoler la radioactivité des déchets HA_MA VL de l’Homme et l’environnement pendant toute leur durée de vie en les enfouissant à 500 m de profondeur. Comme tous les principes d’entreposage ou de stockage, le confinement de la radioactivité sera assuré par différentes barrières de confinement. La profondeur permet ainsi de faire nettement entrer en jeu les barrières naturelles, mais également d’ éviter que le centre soit affectés par les différents phénomènes de surface.

 

Fonctionnement général du stockage

On imagine actuellement que les déchets, doublement confinés dans un colis primairePlan de l'Andra de Cigeo

et un colis de stockage, seront conduits dans une descenderie jusqu’à atteindre des

galeries creusées sur un plan horizontal de plusieurs centaines d’hectares.

Ils pourront alors accéder à différents alvéoles de dizaines de mètres de longueur

où ils serontentassés. Une foi remplie, une telle alvéole pourra

être scellée.

    70 000 m3 de déchets MA VL et 8000 m3 de déchets HA pourront ainsi être stockés.

Plan de Cigéo

 

 

 

 

 

  La vie du centre se découpera en deux phases :

a. une phase d’exploitation :  qui couvrira un siècle environ, durant laquelle le centre sera ouvert pour assurer son remplissage progressif.

b. une phase de fermeturedéfinitive ou non qui succèdera la phase d’exploitation. Le centre sera alors placé sous surveillance. Mais il doit bien entendu être conçu pour ne pas en nécessiter sur des milliers d’années.

 

De l'Anticipation

    La spécificité d’un tel centre de stockage est le confinement d’une radioactivité élevée sur des durées très importantes. La principale difficulté est ainsi de connaître au mieux l’évolution du centre et de son milieu géologiques de façon à pouvoir anticiper tous les phénomènes qui vont se présenter au cours du stockage : on parle d’extrapolation. Elle n’est pas aisée et se fait selon différentes méthodes :

-Par recherchesVestige du réacteur naturel d'Oklo

-Par observations notamment sur les réacteurs nucléaires naturels d’Oklo au Gabon où des réactions en chaînes de fission se sont déroulées sans l’action de l’Homme il y a 2 milliards d’années

 

-Par « analyse de sureté » : un important dossier est réalisé où toutes les connaissances contemporaines sur le sujet sont assemblées.

Ex : Dossier Argile 2005 par l’Andra, que vous pouvez aller telecharger et consulter au bas cette page si vous en avez la patience !

Dossier 2005 Argile version anglaise


 

Les phénomènes à anticiper

    D’une part, il faut prendre en compte le phénomène de décroissance radioactive : après 10 000 ans, la radioactivité des déchets aura déjà bien diminuée. C’est un phénomène essentiel à la conception du centre.

 

 


 

La méthode d'Euler

     Comme les mathématiques font partie du couplage disciplinaire de ce TPE ; nous avons cherché à réaliser la courbe de décroissance radioactive du technétium 99 dont la demi-vie est de 211 00 ans soit environ la durée de vie du centre de stockage. Ainsi nous voulions montrer la diminution de la radioactivité dans le centre au fur et à mesure des années.

La courbe de la décroissance radioactive représente l'activité du radionucléide en fonction du temps.  Cette décroissance suit une loi de décroissance exponentielle, fonction que nous n'avons pas encore étudiée 1ère S. Cependant, nous pouvons réaliser une approximation de cette courbe à partir de la méthode d'Euler.

La fonction représentant la décroissance exponentielle est telle que f'=af (avec a un nombre négatif pour avoir la décroissance) et f(0) = b un réel.

Dans notre  cas, b est l'activité de départ du radionucléide. Elle est de 629 MBq. soit f(0)=629.

Pour la décroissance des élément radioactifs a est avec λ constante radioactive du radioélément. La constante radioactive se trouve par le quotient In2/T avec In2 constante = 0,693 et T la période du radioélément. Elle est de 211 000 ans ce qui équivaut à1,8.10^9 heures.

λ = 0,693/1,8.10^9

λ=3,85.10^-10  heures^-1

 

Comme, f'=-λx f  

f'=-3,85.10^-10 x f

 

A partir de ces informations nous pouvons utilisé la méthode d'Euler pour représenter approximativement la courbe :

Exemple du début de la méthode :

Soit Mo(0, 629) avec to=0 et fo=629

h=0,5

 

t1 = to + h= 0,5+ 0 = 0,5

f1 ≈ f(to + h) = f(to) + hf'(to)

f1 ≈ 629 + 0,5 x -3,85.10^-10 x 629

F1 ≈ 628,99

On place M1(0,5 ; 628,99)

 

t2 = t1 + h = 0,5 + 0,5 +1 etc...

 

Nous avons cherché à réalisé la courbe représentant cette décroissance à l'aides de tableur. Malheureusement, nous n'avons pas réussi à les réaliser sur une période de 1,8.10^9 heures à causes de problèmes techniques. Nous l'avons donc réalisé sur 50 heures.

 

(la courbe est est bleue au dessus du 600 des ordonnées)

Bien entendu, sur 50 heure, la diminution du l'activité du radionucléide n'est pas notable.

 


 

    D’autre part il faut prévenir les différents problèmes auxquels les barrières seront confrontées :

a. l’auto irradiation des déchets : les matrices et autres barrières de confinement doivent êtres capables de supporter les émissions de rayonnements et de chaleur, qui pourraient provoquer des dégâts, pendant des millénaires.

b. l’ action de l’eau : elle dégrade/corrode les colis et dissout les radionucléides ce qui facilite et permet leur migration.

c. l’érosion : ce terme regroupe tous les phénomènes de dégradation des roches par tout agent externe : vent, matière organique..

d. la migration des radionucléides vers la surface :  Lorsque les premières barrières seront trop endommagées pour assurer leurs rôles, les radionucléides vont pouvoir les traverser et commencer leur migration. Il est nécessaire de prévoir des systèmes permettant de la retarder ou de l'atténuer

 

Les barrières de confinement et leurs actions

    Ce sont les multiples barrières de confinement qui principalement vont contrer ces problèmes. Elles seront nombreuses et diverses ce qui est un plus pour la sûreté. Toutes sont indépendantes et assurent une fonction similaire mais précise et évolutive avec le temps. Le principe de redondance est lui aussi fondamental : en cas de défaillance d’une barrière, une autre est capable d’assumer son rôle. On distingue :

  • Deux barrières issues de l’industrie humaine : la matrice et le conteneur de stockage. Leur rôle est le confinement de la radioactivité des déchets, mais cette aptitude très long terme ne peut pas être démontrée.
  • Des barrières naturelles : - une couche hôte géologiquement stable, avec rares et lentes circulations d’eau, et qui a résisté pendant des millénaires à toutes sortes de sollicitations : thermiques, mécaniques.. La couche étudiée à l’heure actuelle est l’argilite de Callovo-Oxfordien dans l’est de la France.

 

    Mais enfin pourquoi toujours ce choix de l’argile ? Il est vrai que plusieurs fois déjà en étudiant notre sujet nous avons pu remarquer que le stockage s’effectue dans une couche de cette roche. En effet , en France c’est cette couche hôte qui a été choisie par l’Andra pour ces centre de stockage pour ses propriétés remarquables vis à vis de l’eau

Informations de géologie :

   A travers les roches l’eau peut circuler dans de petits interstices appelés les pores. Il faut distinguer deux propriétés de la roche vis à vis de l’eau. D’une part, la porosité : la volume de «pores » de la roche. Celle de l’argile est plutôt élevée : elle peut donc contenir beaucoup d'eau. D’autre part la perméabilité : c’est l’aptitude de la roche à laisser circuler l’eau dans ces pores. L’argile est très peu perméable : l’eau met 10 000 ans pour parcourir quelques centimètres dans l’argile !

L'argile présente encore d'autres qualités :

-Les parois de ses pores sont chargées négativement. Or les éléments dissous présents dans l’eau sont sous forme ioniques. L’argile est ainsi capable de fixer les cations et repoussent les anions en limitant leurs déplacements. Cette aptitude permettra de limiter la migration des radionucléides dissous.

-les fissures se colmatent très vite dans l'argile

-C'est une roche peu sensible à l'érosion

-Enfin c’est une roche abondante : on trouve des couches argileuses sur la quasi-totalité de la surface terrestre.

Propriétés de la couche argileuse


                                                   -Une autre barrière naturelle est aussi utilisée : l’argile gonflante qui comble les vides résiduels des alvéoles. Son rôle principal est de capter l’eau à son arrivée dans le centre et de ne pas la laisser circuler.

 

     Pour l’érosion c’est essentiellement la profondeur du Cigéo qui l’en met à l’abri : en surface il y a beaucoup plus de facteur d’érosion : la végétation, la pluie, le vent…

 

En résumé, selon les études de l'Andra, les différentes barrières agiront ainsi :

    Après la fermeture pendant des millénaires l’apport en eau est très faible : les barrières issues de l’industrie assurent le confinement de la radioactivité. Puis à l’arrivée de l’eau, les argiles gonflent. Mais elle rentre peu à peu en contact avec les matériaux de confinement : elle provoque la corrosion des métaux et la dissolution des matrices.  Peu à peu les radionucléides peuvent migrer. Mais grâce à la faible perméabilité de l’argile beaucoup de radionucléides seront retenus. De plus leur migration dépend de leur solubilité et de leur rétention dans l’argile (aptitude a être « retenus »). Or les actinides sont très peu mobiles : ils ont une solubilité faible et une rétention forte, ils ne se déplaceraient que de quelques mètres en 100 000 ans ! Cette affirmation est confirmée par les observations sur les réacteurs naturels d’Oklo où l’on a constaté leur migration très réduite sur 2 milliards d’années !

Beaucoup de radionucléides sont comme le césium :  ils sont moyennement mobiles, ils ont une solubilité élevée mais une rétention forte.

Finalement seuls les quelques radionucléides mobiles atteindraient en quantité appréciables des nappes phréatiques après une période d'environ 100 000 ans : ce sont les radionucléides comme l’iode129 et le chlore 36 qui sont solubles et à rétention faible.

 

 

Les impacts sur l’Homme et l’environnement d’un tel centre de stockage 

a. La phase d'exploitation

    Durant la phase d’exploitation, le personnel est protégé par des hottes pour le transport des colis et une manipulation assurée par des robots par exemple. 

 

Manipulation des colis en phase d'exploitation

 

     Mais l’environnement subit des perturbations : par l’introduction de matériaux exogènes (matrices..), de bactéries nouvelles, par l'endommagement des roches généré par le creusement, par les déséquilibres de la physique et la chimie et l’augmentation de la température, due aux dégagements de chaleur des déchets, qui accélère la cinétique des réactions.

L’état hydraulique est également perturbé : les fissures peuvent faciliter la circulation d’eau, la roche est désaturée par des conditions oxydantes : le centre de stockage sera ventilé pendant cette phase ce qui déshydrate la roche.

 

b. La phase de fermeture

    Heureusement la phase de fermeture marque un lent retour à l’équilibre. Mais le milieu connaît des impacts : 

  •  thermiques : induits par les dégagement de chaleur des déchets. La température passe par un pic avant de revenir peu à peu sur des milliers d’années à une valeur naturelle. Cette influence est négligeable au-delà de 100 à 250 m.

   Cependant ce phénomène ne peut pas être négligé : si la roche est trop chauffée cela peut avoir sur de grandes durées de temps des conséquences          irréversibles. De plus l'augmentation de la températion affecte les autres processus chimiques, hydriques et mécaniques.

   Des Limitations sont instaurées : par exemple la température au contact des déchets ne doit pas excédée 100°C, la température de la roche 90°C... De plus  pour limiter les interactions thermiques, les alvéoles sont suffisamment séparées.

    Ainsi, selon les études de l'Andra, il n’y aura pas d’atteinte ou tres peu des propriété de la couche hôte et des matériaux.

 

  •  hydriques : la resaturation lente des argilites débute à la fermeture. Elle s’achèvera à l’échelle de 100 000 à 200 000 ans.

 

  •  chimiques : Par exemple, la formation de gaz de corrosion lors de la rencontre de l’eau et des composants métalliques . Un relachement d’hydrogène s'effectue alors pendant 500 ans à 5000 ans selon les alvéoles. Il se dissout dans l’eau en champ proche et le reste fait pression dans l’argile avant de s’évacuer par microfissurations. La pression n’excèdera pas 9MPa ce qui est inferieure a la pression de fracturationde la roche qui s'élève à 12 Mpa. Après quelques milieu d’année le flux d’hydrogène diminue. Des interactions chimiques entres différents matériaux seront à l'origine d'autre perturbations.

           Ces perturbations chimiques se limitent a une épaisseur d’un mètre ou a quelques mètres dans la couche hôte.

 

  • mécaniques : la présence du centre crée une déformation legère des argilites. 

 

    Les études de l'Andra nous apprennent donc que ce centre en études semble être apte à protéger l'Homme et l'environnement de la radioactivité sur des millénaires.  Des impacts sur l'environnement en plus précisemment sur la couche hôte seront générés par sa présence. Cependant, face à la dangerosité de la radioactivité confinée et aux impacts potentiels qu'elle pourrait avoir, ces impacts restent peu importants.

    Cigéo est la solution choisie par la France et devrait être mis en exploitation en 2025. Néanmoins, a été imposé qu'il soit élaboré un principe de réversibilité pour une période d’au moins 100 ans après la fermeture de façon à permettre aux générations futures d’orienter le processus de stockage ou de se tourner vers un nouveau mode de gestion des déchets radioactifs en fonction des avancées techniques et scientifiques.

 

 

 

Un centre de stockage peu profond pour les déchets FA-VL

Ce centre vise notamment à accueillir les déchets graphite encore en attente dans les anciens réacteurs UNGG ou entreposés.

L'Andra prévoit de les stocker dans une couche d'argile à faible profondeur, entre 15 et 200 mètres, sur une surface d'environ 100 ha.

Ce centre de stockage devrait être mis en exploitation en 2019.

 

Centre de stockage peu profond par l'Andra

 

 

 

 

La transmutation

    On appelle transmutation la transformation d’un noyau atomique en un autre lors d’une réaction nucléaire  provoquée par un bombardement de particules. La transmutation peut se faire selon deux interactions : soit par capture de la particule, on obtient alors un noyau lourd, soit d’une fission du nucléide, on obtient alors un noyau plus léger : produit de fission. C’est exactement ce qu’il se passe lors du bombardement des substances combustibles dans le cœur du réacteur.

   Les scientifiques envisagent de recourir à la transmutation pour arriver à transformer des isotopes radioactifs à vie longue en isotopes radioactifs à vie courte voir en noyaux stables. Par exemple, pour les composantes du combustibles usés, les actinides mineurs pourraient transmuter soit par capture soit par fission alors que les produits de fissions ne se transformeraient que par captures donnant ainsi naissance à des radionucléides à vie courte ou stable.

 

Transmutation du technétium 99

 

    Les études ont été lancées dans les années 1970 aux Etats-Unis. En France, les études sur les processus de transmutation ont été lancées en 1991 dans le cadre du projet Mini Inca. La photo ci contre est une vue de la piscine où se font les expérimentations .  Vue de la piscine du réacteur à hauts flux de Grenoble

 

Il n’y a pas eut encore d’application industrielle (ou très peu) mais un réel enthousiasme nait des possibilités que la transmutation pourrait offrir : bien que les techniques ne permettraient pas encore d’aboutir à des radionucléides à vie assez courte pour éviter le stockage profond, la tâche en serait rendu beaucoup moins complexe. En effet les périodes radioactives seraient ramenées à échelles de plusieurs générations : une durée crédible de surveillance industrielle.

 

 

  La particule la plus adaptée à la transmutation serait toujours le neutron libre. Or on le trouve en grande quantité dans les réacteurs nucléaires. Ainsi on envisagerait de réinjecter les déchets radioactifs dans les installations nucléaires qui les ont créés !


 

 

 

ITER : Un Réacteur à fusion  ?

Le projet Réacteur ITER 

    En 1985 est lancé le projet international ITER : International Thermonuclear Experimental Reactor. Il s’agit de mener des études et des expérimentations de  façon à mettre au point un nouveau type de réacteur nucléaire, envisagé déjà depuis les années quarante : le réacteur à fusion. La fusion est une réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux légers fusionnent pour former un noyau plus lourd. Cette réaction apparaît comme libérant cinq fois plus d’énergie que la réaction de fission ! L’énergie solaire par exemple est créée par la fusion de deux noyaux d’hydrogène qui forme un noyau d’hélium.

    Dans un réacteur à fusion, le combustible sera constitué à base de deux isotopes de l’hydrogène : le deutérium et le tritium qui en fusionnant donneront naissance à un noyau d’hélium et un neutron.

    Mais ce type de réaction est très difficile à réaliser sur le milieu terrestre. Il faut en effet atteindre des températures extrêmement élevées de l’ordre de 150 millions de degrés : les gaz chauffés passent à l’état de plasma : 4e état de la matière : les électrons sont arrachés des atomes et sont indépendants.

 

 

Principe de fonctionnement de base du réacteur à fusion

 

    Ainsi plus de 15 années d'études et de validations ont suivi avant que le réacteur n'arrive à sa forme définitive. Aujourd'hui, le site est choisi et le chantier a commencé en 2007 à Cadarache dans le sud de la France. On pense qu’il sera achevé en 2019.

Pour plus d'informations sur ce projet très intéressant que nous ne détaillerons pas ici, vous pouvez consulter le site d'ITER très bien réalisé ici et regarder interactivement l'interieur du réacteur .

 

Les déchets nucléaires

    Une centrale à fusion en démantèlement génèrerait bien moins de soucis dus à la gestion de déchets radioactifs qu’une centrale à fission, ce qui est un avantage majeur pour ces réacteurs potentiels du futur !

    En effet, bien que la quantité de déchets nucléaires produits sera de l’ordre de 30 000 tonnes, ces déchets nucléaires seront principalement des produits d‘activation ni volatils ni corrosifs et à vie courte. Après une période de 100 ans suivant l'arrêt définitif du réacteur la quasi-totalité des matériaux pourra être considérée comme « déchets de très faible activité » et traitée comme tels.

Si quelques déchets MA seront produits, aucun déchet HA ne sera généré.

   Ainsi, si les centrales nucléaires du futur s’avèrent bien devenir les centrales à fusion alors la question de la gestion des déchets nucléaires de démantèlement des centrales sera bien simplifiée !

Tokamak : chambre destinée à accueillir des réactions de fusion

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