Sciences

Des déchets nucléaires sous haute surveillance

Dossier - Centrale nucléaire, présent et avenir
DossierClassé sous :physique , nucléaire , réacteur

-

Vingt-cinq ans après l'accident de Tchernobyl, assurément, la question du nucléaire divise toujours autant… Mais dans les faits, la filière, souvent décriée, a de nouveau le vent en poupe.

  
DossiersCentrale nucléaire, présent et avenir
 

L'année 2011 est une année symbolique pour les déchets nucléaires : c'est la date anniversaire de la loi Bataille. Votée il y a vingt ans, le 30 décembre 1991, elle marquait le lancement d'importantes recherches sur la gestion de ces déchets.

Le laboratoire souterrain de Bure permet d'étudier des sols destinés au stockage de déchets nucléaires. De cette carotte d'argilite les chercheurs prélèvent des échantillons dont ils extraient le strontium. © E. Perrin/CNRS Photothèque

La loi du 28 juin 2006 sur les déchets radioactifs

En juin 2006, le gouvernement a soumis au Parlement un projet de loi (loi votée) qui fixe les orientations retenues, en s'appuyant, entre autres, sur ces évaluations scientifiques. Le CNRS y a largement pris part, notamment en mettant en place, avec l'aide de toute la communauté académique, le programme interdisciplinaire Pace (Programme sur l'aval du cycle électronucléaire). Son but : participer à l'évaluation et à l'amélioration, du point de vue de la sûreté et de l'efficacité, des techniques de gestion des déchets proposées par la loi.

Il s'agit de la séparation et de la transmutation, du stockage en milieu géologique profond (à - 500 mètres environ) et de l'entreposage de longue durée (stockage en surface ou subsurface). « Cinq groupements de recherche (GDR) ont été créés pour étudier le devenir des déchets de haute activité et à vie longue, rapporte Hubert Doubre, coordonnateur de Pace. Ce sont en effet ceux qui soulèvent le plus de problèmes puisqu'ils sont fortement radioactifs et, de plus, sur de très longues durées. Ils renferment des actinides mineurs et des produits de fission dont la durée de vie peut même atteindre le million d'années. Actuellement, à l'usine de retraitement de La Hague où ils sont extraits des combustibles usés des réacteurs, ces déchets sont vitrifiés avec les produits de fission à vie courte, déchets très abondants, mais dont la radioactivité s'éteint en quelques centaines d'années. Puisque le danger associé à chaque type de déchet est différent, il serait souhaitable de les traiter séparément. » Et c'est bien là l'enjeu des recherches... Pour les actinides mineurs, il s'agit d'étudier des méthodes de séparation de ces éléments entre eux et des modes de transmutation qui les transformeraient en éléments à durée de vie beaucoup plus courte. Mais aussi d'étudier les conditions de stockage d'autres déchets comme les produits de fission à vie courte. Étape par étape, retour sur ces recherches capitales.

Les bases d'un tri sélectif

Pour réaliser une séparation des déchets nucléaires, il est nécessaire d'en connaître les caractéristiques. Les chercheurs du GDR « Physico-chimie des actinides et des radioéléments en solution » (Paris) se sont donc consacrés à l'étude physico-chimique des actinides et des autres éléments radioactifs à vie longue. « Rares sont les études de ce type... Or elles permettent de déterminer la forme, la nature et les caractéristiques de ces éléments et donc de prévoir leur évolution au cours d'un processus chimique donné », commente Pierre Turq, chercheur au Laboratoire Liquides ioniques et interfaces chargées (LI2C) et codirecteur du GDR. Ils ont ainsi établi, par exemple, l'état chimique de l'uranium, du plutonium et du thorium lorsqu'ils sont en solution. Des données essentielles pour trier les déchets élément par élément. Dans une prochaine étape, ils envisagent de les séparer par famille d'éléments. Cette solution présenterait l'avantage d'être plus rapide, moins coûteuse et de réduire les risques de prolifération nucléaire. Parallèlement, les chercheurs ont étudié les processus mis en jeu dans les échanges d'espèces chimiques qui se produisent à l'interface entre l'eau et les surfaces minérales des couches géologiques profondes. Des informations très précieuses ont ainsi été obtenues pour l'étude du stockage des déchets, l'une des dernières étapes de leur parcours.

Les atouts de la céramique

Une fois les déchets triés sélectivement, plusieurs solutions sont envisagées : les entreposer en surface, les stocker en profondeur ou bien les transmuter dans des réacteurs - c'est l'option étudiée par le GDR « Gestion des déchets et production d'énergie par des options nouvelles » (Gédépéon) et par le projet Myrrha. Mais les déchets doivent être préalablement conditionnés : « Dans le GDR "Nouveaux matériaux pour déchets" (Nomade), nous avons travaillé à la mise au point de nouveaux matériaux, des matrices dans lesquelles conditionner les déchets, soit en vue de leur stockage profond, soit en vue de leur transmutation, explique Gilbert Blondiaux, chercheur au centre d'études et de recherches par irradiation (Ceri) du CNRS à Orléans et codirecteur de Nomade. Au bout de huit années de recherche, nous avons obtenu de très bons résultats pour l'élaboration, la caractérisation et le comportement des matrices destinées au stockage. »

Or le défi était double : mettre au point des matrices spécifiques des actinides mineurs, et qui possèdent des performances nettement supérieures aux matrices de verre utilisées actuellement industriellement. Après avoir identifié quatre matrices qui semblaient prometteuses, constituées non plus de verre mais de céramique, en collaboration avec le CEA, les chercheurs y ont incorporé du plutonium afin de reproduire les conditions de stockage et d'étudier le comportement de ces matrices soumises à l'irradiation et à la « lixiviation », autrement dit à leur altération au contact de l'eau. Et les matrices, en cours d'évaluation, semblent tenir leurs promesses : « Nous avons montré qu'elles peuvent stocker jusqu'à 10 % en masse d'actinides mineurs et qu'elles ont une durabilité chimique environ cent fois plus grande que celle des matrices actuelles », commente le chercheur. Les scientifiques vont poursuivre les études sur le conditionnement d'autres éléments difficiles, tels que l'iode ou le césium, des produits de fission difficilement transmutables qu'il faudra donc stocker.

Le stockage sous contrôle

Une fois confinés dans des matrices, les déchets sont coulés dans des conteneurs en acier, qui constituent une première barrière contre la dispersion. Dans un site de stockage en couches géologiques profondes, ils seraient disposés dans des galeries scellées par de la bentonite et du ciment, constituant la barrière dite « ouvragée ». La couche géologique dans laquelle seraient creusées ces galeries formerait une dernière barrière. « Le tout fonctionne comme un ensemble de poupées russes où chacune a la propriété de ralentir au maximum une éventuelle dispersion des déchets, rappelle Joël Lancelot, directeur du GDR "Formations géologiques profondes" (Forpro) et chercheur au Laboratoire GIS5 de Nîmes. Dans le cadre de Forpro, nous avons participé aux études de faisabilité d'un tel type de stockage et ce, dans les conditions prévues par la loi de 1991, soit à partir d'expérimentations in situ réalisées dans le laboratoire souterrain de Bure, construit dans ce but par l'Andra. »

Ainsi, géochimistes, géophysiciens, géomécaniciens, minéralogistes, microbiologistes et tectoniciens se sont associés pour caractériser le plus finement possible la roche de ce site de stockage expérimental. Ils se sont intéressés à la réponse mécanique de la roche sous l'effet d'un creusement. « Le site où a été implanté le laboratoire souterrain a été choisi parce qu'il ne présente pas de faille et que la couche d'argile y est parfaitement homogène, explique Joël Lancelot. Mais lorsqu'on creuse des galeries en profondeur, on endommage la paroi en y créant des fissures. »

Ils ont donc étudié comment cette zone d'endommagement apparaît, évolue et peut se cicatriser. Pour cela, des géophysiciens ont développé différentes techniques pour obtenir des images 3D de la fracturation et de son évolution dans le temps. Des géochimistes se sont penchés sur les réactions d'oxydation qui résultent de la pénétration d'air et de vapeur d'eau. Et des microbiologistes ont étudié les populations bactériennes présentes dans l'argilite et leur comportement lorsqu'elles se trouvent soudainement au contact de nouvelles bactéries amenées par l'air et l'Homme. Ainsi, rien ne semble laissé au hasard. Même le peu d'eau qui circule dans les formations calcaires situées au-dessus et au-dessous de la couche d'argilite a été analysée. Car une règle est primordiale dans un futur site de stockage : éviter tout contact entre la matière radioactive et l'eau souterraine, car celle-ci peut devenir un redoutable vecteur de dissémination de la radioactivité. Les chercheurs mettent donc au point des méthodes de datation de ces eaux. Leur âge et leur temps de résidence permettent de déterminer leur vitesse de déplacement et donc celle d'un éventuel panache de pollution !

La modélisation en renfort

À toutes les étapes de la gestion des déchets, la complexité des processus physiques, chimiques, mécaniques, hydrogéologiques mis en jeu fait de la modélisation et de la simulation numérique une source indispensable d'information. « Ces outils ont pris de plus en plus d'importance, en particulier dans les études de faisabilité et de sécurité d'un site de stockage de déchets, explique Alexandre Ern, chercheur au Centre d'enseignement et de recherche en mathématiques, informatique et calcul scientifique (Cermics) et directeur du GDR "Modélisation mathématique et simulation" (Momas). Il était donc nécessaire de conforter les fondements de ces méthodes numériques. C'est dans ce but que Momas a été créé en 2002 à l'initiative d'Alain Bourgeat. » Avec deux objectifs majeurs : établir et valider des modèles mathématiques cohérents avec l'ensemble des processus impliqués et augmenter l'efficacité et la robustesse des méthodes numériques utilisées par les différents acteurs pour estimer le comportement à long terme du stockage. Ainsi, les chercheurs travaillent, par exemple, sur l'amélioration des simulations numériques du transport réactif, ce processus par lequel les radionucléides, après la dégradation des barrières de confinement, peuvent, une fois en contact avec l'eau, se disperser dans l'environnement alentour. « Pour orienter les choix de nos partenaires vers les méthodes numériques les plus adéquates pour l'étude du transport de la radioactivité ou des phénomènes d'endommagement, par exemple, nous avons notamment mis au point des Benchmarks, à savoir des exercices de validation et de certification des codes de calcul », commente le chercheur. Des gages de pertinence et de fiabilité de la plus haute importance lorsqu'il s'agit d'évaluer la sécurité des populations et la protection de l'environnement à proximité de ces sites de stockage.

Grâce à ces travaux, les chercheurs du CNRS ont apporté ces vingt dernières années des données scientifiques qui pourront orienter les choix politiques et la conception des nouvelles filières nucléaires. Un dernier constat : la communauté mobilisée semble bien décidée à maintenir une recherche active dans ces domaines cruciaux de la production d'énergie et de la gestion de ses déchets.

Par Stéphanie Belaud