Connaître et prévenir les risques liés au stockage géologique de déchets nucléaires de haute activité (HA) et de moyenne activité à vie longue (MAVL).
Acquise par l’IRSN en 1992, la station expérimentale de Tournemire constitue aujourd’hui, à côté des laboratoires de Mol (Belgique), du Mont-Terri (Suisse) et de Bure (Meuse, France), l’un des 4 laboratoires de recherche souterrain dans l’argile à l’échelle européenne.
La station expérimentale de Tournemire a vocation à n’être utilisée qu’à des fins de recherche scientifique et technique. Elle n’est en aucun cas destinée à accueillir un jour des déchets radioactifs. De plus, aucun composant radioactif n’est introduit sur ce site au titre des recherches qui y sont conduites.
Sommaire :
Contexte et objectif
L’agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra) est en charge de concevoir, construire et exploiter un centre de stockage géologique de déchets radioactifs. Sous réserve d’autorisation, la mise en exploitation de ce centre est prévue dans l’est de la France, en 2025. Dans cette perspective, l’Andra exploite depuis 1999 un laboratoire souterrain à Bure (Meuse) dans lequel elle mène des études et recherches.
Afin d’assurer une expertise indépendante du projet de l’Andra, l’IRSN mène de son coté, depuis 21 ans, des recherches dans la station expérimentale de Tournemire, dans le sud de l’Aveyron. Aménagé depuis un ancien tunnel ferroviaire vieux de plus de 120 ans, cette station donne accès à une formation argileuse présentant des caractéristiques géologiques analogues à celles du site retenu par l’Andra. Les recherches qui y sont menées permettent à l’IRSN d’étudier certains processus plus particulièrement importants pour assurer la sûreté à long terme d’un stockage géologique.
Les travaux de recherche
Les divers travaux expérimentaux conduits par l’IRSN visent à étudier :
- Les mécanismes responsables du transport de l’eau et des substances naturelles présentes dans la formation argileuse ;
- Les effets de creusement et de l’exploitation des ouvrages souterrains sur les propriétés de confinement de la roche ;
- Les effets liés aux interactions de la roche avec les matériaux rapportés tels que le béton ou des composés métalliques ;
- La performance des composants essentiels à la sûreté à long terme d’un stockage géologique tels que les scellements.
Caractéristiques géologiques et tectoniques
La formation dans laquelle est creusée le tunnel est composée de séries argileuses compactées appelées argilites et marnes ; c’est une roche du même type qu’étudie l’Andra en Meuse – Haute-Marne. La couche argileuse, épaisse de 250 mètres, est encadrée de roches calcaires. Elle est vieille de 180 millions d’années et s’est formée dans un domaine marin.
Généralement moins propice aux phénomènes de fracturation que d’autres types de roche (calcaires, granites…), la roche argileuse de Tournemire présente toutefois des failles et fractures de différentes tailles, formées il y a 40-50 millions d’années (formation de la chaîne des Pyrénées) ou plus anciennes. Ces failles et fractures sont importantes à connaitre et à caractériser car elles peuvent jouer un rôle dans le transfert de l’eau au travers de la couche argileuse.
Coupe géologique générale le long du tunnel de Tournemire ©IRSN
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Le tunnel et la station expérimentale de Tournemire
Creusé à la fin du 19ème siècle, l’ancien tunnel ferroviaire de Tournemire est long de 1885 mètres. Il offre ainsi la possibilité d’observer les perturbations engendrées par un ouvrage souterrain creusé, il y a plus de 120 ans, dans une formation argileuse.
La station expérimentale proprement dite est localisée dans la zone centrale du massif. Elle est composée de l’ancien tunnel, de six galeries totalisant plus de 285 mètres et de plus de 200 forages creusés, depuis 1990, en différentes directions à partir du tunnel ou de galeries..
Une batterie d’équipements de mesure et de techniques d’observation sont mises en œuvre dans la station pour étudier l’argilite et son comportement, la détection des failles par les méthodes géophysiques, l’eau qu’elle contient et sa vitesse de déplacement dans la formation, les perturbations qu’une roche de ce type est susceptible de subir dans un cadre de stockage et, plus récemment, pour évaluer les performances des composants de stockage.
Schéma 3D de la Station expérimentale ©IRSN
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Mouvement de l’eau dans la roche argileuse
La roche argileuse de Tournemire est composée d’environ 50% d’argile et de minéraux accessoires (quartz, carbonates, pyrite, etc…). Compacte et dure, elle contient une quantité d’eau très faible (8 à 10%), emprisonnée dans des pores d’une dizaine de nanomètres de diamètre.
En dehors des fractures, la roche étudiée à Tournemire est très imperméable à l’eau. L’analyse de tests hydrauliques et de profils de traceurs naturels obtenus sur toute la couche argileuse confirme une circulation très lente de l’eau, de l’ordre du centimètre par million d’années. Le mécanisme de transfert majoritaire des radionucléides est donc essentiellement limité au processus de diffusion moléculaire.
Au niveau des certaines fractures d’origine tectonique, l’eau circule plus rapidement et les écoulements interceptés dans la station résultent d’échanges avec les aquifères des formations calcaires situées de part et d’autre de la couche argileuse. L’analyse de la composition chimique et isotopique de l’eau circulant dans ces fractures révèle un temps de résidence d’environ 15 000 ans, soit une vitesse de déplacement d’eau dans la roche argileuse de quelques centimètres par milliers d’années.
A titre de comparaison, les eaux circulant dans les roches calcaires situées de part et d’autre de la couche d’argilite ont des temps de résidence de l’ordre de 50 ans.
Effets de creusement dans la roche argileuse
Les propriétés mécaniques de la roche argileuse de Tournemire, son caractère compact et dur, rendent celle-ci cassante. Les travaux d’excavation peuvent ainsi induire des perturbations mécaniques qui s’étendent de quelques dizaines de centimètres (pour les galeries) à environ deux mètres (dans le tunnel centenaire) provoquant des déformations plastiques irréversibles qui se manifestent par l’apparition de fractures. L’étendue et l’intensité de cette zone, appelée EDZ (Excavation Damaged Zone), évoluent dans le temps sous l’effet de l’ensemble des sollicitations thermiques, hydrauliques et chimiques.
Plus perméable que la couche d’argilite non perturbée, la zone fissurée constitutive de l’EDZ est susceptible de constituer un drain préférentiel concourant à la migration de l’eau.
A la perturbation mécanique induite par l’excavation d’ouvrages, s’ajoute une fissuration supplémentaire provoquée par la ventilation des galeries et la dessiccation de la roche qui l’accompagne (phénomènes dits de couplage hydro-mécanique).
La caractérisation de ces fissures et de leur évolution spatio-temporelle revêt ainsi une importance pour l’évaluation de la sûreté à long terme du stockage.
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Perturbations de la roche associées aux matériaux rapportés
Certaines expérimentations conduites par l’IRSN depuis la station expérimentale de Tournemire ont pour objectif d’identifier et de caractériser les perturbations de la roche induites par les matériaux exogènes introduits dans le milieu géologique.
Des expériences dédiées sont ainsi menées sur des matériaux cimentaires (chaux, béton, ciment) ou métalliques (fer) utilisés pour le soutènement d’une galerie ou introduits dans les forages.
Les interactions entre ces matériaux et les minéraux argileux de la roche peuvent altérer les propriétés géochimiques de cette dernière et diminuer sa capacité de confinement des radionucléides. La zone chimiquement perturbée mise en évidence sur les échantillons étudiés met en évidence des fronts d’altération pouvant atteindre quelques centimètres en présence d’eau, pour des temps de contact compris entre une et quelques dizaines d’années.
La station expérimentale de Tournemire est un outil exceptionnel pour ce type d’études : la chaux utilisée comme liant pour le revêtement maçonné du tunnel, assimilable à un béton, est en contact avec la roche depuis plus de 100 ans, c'est-à-dire sur une durée comparable à celle de l’exploitation d’un stockage.
Echantillon d’acier laissé pendant 10 ans en contact avec l’argilite
(Photographie, image microtomographique du fer à l’interface) ©IRSN
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Performances des ouvrages de scellement
La sûreté d’un stockage géologique à long terme dépendra en grande partie de l’efficacité des dispositifs de fermeture des ouvrages. Ces dispositifs consistent en particulier sur la mise en place de scellements. Ceux-ci sont constitués d’un matériau naturel à base d’argile gonflante afin d’assurer une continuité du confinement procuré par la roche.
L’IRSN met en œuvre, dans la station expérimentale de Tournemire, un programme de recherche SEALEX dédié à l’évaluation de l’efficacité et de la tenue dans le temps de tels scellements. Ce programme consiste à examiner les principaux facteurs qui contrôlent la performance hydraulique à long terme des scellements.
Les essais sont réalisés sur des durées de plusieurs années.