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Des modèles numériques

L’apport de la simulation


L’analyse de la sûreté d’un stockage profond de déchets radioactifs comme l’envisage l’Andra dans la roche argileuse de Meuse/Haute-Marne et l’évaluation de son impact sur l’homme et l’environnement nécessitent notamment d’utiliser des modèles mathématiques qui traduisent les modèles dits « conceptuels » des divers processus intervenant dans un stockage de déchets radioactifs. Ce sont en effet des éléments clés pour évaluer les phénomènes qui interviendront dans un stockage de déchets radioactifs sur de longues périodes, pouvant aller de quelques centaines d’années jusqu’à des millions d’années, et sur des distances kilométriques. Les principales questions concernent l’évolution des composants du stockage et la migration des substances radioactives et des substances chimiques relâchées par les colis de déchets.

Cette modélisation doit s’appuyer sur une connaissance approfondie des processus hydriques, mécaniques, physico-chimiques, radiologiques et des événements qui peuvent affecter l’évolution du stockage et de son environnement. Compte tenu de la complexité des phénomènes et des modèles mathématiques qui les décrivent, une première approche consiste à privilégier des simulations sur des périodes limitées correspondant globalement aux périodes durant lesquelles l’intensité et l’extension de ces phénomènes seraient les plus importantes. Ces simulations sont effectuées sur chaque composant du stockage (les colis, les tunnels ou la roche) en tenant compte des interactions entre les composants.

L’IRSN développe ou utilise différents modèles dont :
   Castem pour étudier le comportement mécanique et thermo-hydromécanique de la roche et des tunnels;
   Hytec pour suivre la dégradation des matériaux et leurs interactions chimiques 
   DiphPom pour évaluer la génération et la migration de l’hydrogène produit lors de la corrosion des colis dans le stockage.

Dans un second temps, pour simuler le système de stockage dans son ensemble et sur de longues périodes, les résultats issus des modèles précédents alimentent des modèles dits « intégrés ». Ceux-ci permettent d’estimer le transfert de la radioactivité depuis les ouvrages (colis, tunnels) vers les aquifères de surface, au travers de la roche qui accueille le stockage. Des flux et des concentrations de radionucléides relâchés dans les différentes parties du stockage sont calculés, sur la base d’une variété de situations dites « normales » (c’est-à-dire la plus probable compte tenu des dispositions de conception prises par le constructeur et des propriétés des composants) ou accidentelle (dans le cas où malgré les précautions prises par le constructeur, des défauts ou des évènements moins probables viendraient modifier les propriétés des composants).

Ces calculs permettent de mettre en lumière l’importance des différents composants les uns par rapports aux autres et d’estimer la capacité globale du stockage à confiner la radioactivité. L’IRSN utilise deux modèles intégrés :
   Melodie pour modéliser la migration des radionucléides, un modèle développé en interne de manière indépendante ;
   Newsam pour simuler les écoulements souterrains, un modèle développé en collaboration avec l’Ecole des Mines de Paris.

Une fois les flux ou les concentrations de radionucléides calculés dans les aquifères de surface (dits exutoires), d’autres modèles prennent le relais pour estimer l’impact dosimétrique sur l’homme. Pour cela, il est nécessaire de définir des jeux de données permettant de décrire les évolutions possibles de la biosphère (selon les évolutions climatiques futures envisageables) ainsi que les habitudes humaines qui résulteraient de ces évolutions. Pour estimer ces impacts, l’IRSN développe la plateforme de calcul Symbiose, dont les données sont en particulier issues d’un consensus au niveau international dans le cadre des exercices pilotés par l’Agence internationale de l’énergie (AIEA).


La confiance dans les résultats

Quels que soient les modèles, la confiance dans les résultats passe nécessairement par la qualité et la confiance dans des données utilisées. La qualité des données repose sur des investigations de terrain et des programmes de recherche adaptés aux phénomènes que l’on cherche à caractériser. Par ailleurs, la validation des modèles conceptuels et des codes de calcul qui permettent de les simuler impose de participer à des exercices dits d’intercomparaisons des codes et à confronter autant que possible les résultats obtenus à des résultats d’expérimentations. Ce que l’IRSN fait pour ses différents codes de calcul, notamment dans le cadre de projets européens.

La confiance dans les résultats des codes de calcul et dans leur interprétation nécessite également de tenir compte des diverses incertitudes qui résultent soit de la complexité des phénomènes étudiés et de la difficulté d’acquérir des paramètres, soit des différentes hypothèses envisageables d’évolutions futures du stockage. Pour cela, l’influence des variations possibles des paramètres des codes ou des évolutions du stockage sur les flux ou les impacts dosimétriques calculés est appréciée sur la base d’analyses de sensibilité mettant en œuvre des approches complémentaires, déterministe et probabiliste. Dans l’approche déterministe, un paramètre varie une seule fois par calcul (une seule valeur est utilisée d’un calcul à l’autre) ; dans l’approche probabiliste, un paramètre peut varier, pour un même calcul, sur une plage de variation.