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Evaluer les transferts de radionucléides dans la roche

Autour des ouvrages


Le creusement, puis l’exploitation des ouvrages de stockage souterrain de déchets radioactifs, peuvent endommager localement la roche [1] : les sollicitations mécaniques, hydrauliques, hydriques et thermiques sont susceptibles de modifier les propriétés de confinement de la roche à proximité des ouvrages et de faciliter ainsi le transport des radioéléments.

Une des difficultés pour évaluer la sûreté d’un stockage est de prédire par modélisation le comportement des ouvrages dans le temps et l’évolution spatio-temporelle de la zone fracturée (EDZ pour Excavation Damaged Zone) et de la zone perturbée (EdZ pour Excavation disturbed Zone), zones dans lesquelles les propriétés de transport des radionucléides sont respectivement modifiées significativement ou modérément.

La station expérimentale de Tournemire offre une opportunité unique d’étudier les paramètres de transport (diffusion, convection) [2] à différents stades d’évolution de l’EDZ du tunnel creusé il y a plus d’un siècle [3], donc d’âge proche de la durée probable d’exploitation d’un stockage, et dans des galeries réalisées plus récemment [4].


L’étendue des zones endommagées et perturbées par le creusement des ouvrages

Le creusement des galeries génère des perturbations hydrauliques (puisqu’on excave une partie de la roche) et hydriques (modification de l’humidité relative, dans le sens d’un assèchement). Ces perturbations ont été étudiées autour de galeries d’âges différents sur des carottes de 3 à 6 mètres de long et par mesures pétrophysiques [5], hydrauliques et pneumatiques [6]. Il en ressort que la zone fracturée autour du tunnel est deux fois plus étendue qu’autour des galeries plus récentes, et qu’elle présente des fractures ouvertes attribuées à des joints de décompression.

Dans cette zone, la perméabilité intrinsèque [7] est toujours supérieure à 10-12m², ce qui équivaut à une conductivité hydraulique [8] supérieure à 10-5 m/s, soit 9 à 10 ordres de grandeur supérieure à celle du milieu sain. Dans les galeries récentes, l’endommagement se traduit exclusivement par des fissures de dessiccation sur près de 30 cm en profondeur à partir de la paroi, phénomène attribué aux fluctuations cycliques journalières et saisonnières de l’humidité et de la température dans le tunnel.

Les simulations numériques [9] de l’impact du tunnel et de sa ventilation naturelle sur le degré de saturation en eau et sur la charge hydraulique fournit des résultats en bon accord avec les mesures de pression : ils expliquent bien la dépression de 30 à 40 mètres de hauteur d’eau créée autour du tunnel par rapport à la charge théorique déduite des aquifères encaissants. En d’autres termes, l’atmosphère du tunnel, très sèche en hiver, agit comme une pompe, provoquant cette dépression.


L’effet de l’âge des ouvrages

L’étude des gaz rares, réputés comme des traceurs pertinents [10] pour l’étude de la diffusion dans les milieux de faible porosité/perméabilité, a notamment servi à évaluer les effets de l’âge des ouvrages souterrains de la station expérimentale de Tournemire sur la diffusion dans les zones fracturées et perturbées, ainsi que leur extension.

A partir de carottes d’argilite dégazées (par tranches de 10 cm à 30 cm) afin d’en mesurer la teneur en hélium-4, l’épaisseur de la zone fracturée est estimée à 1,80 mètre autour du tunnel centenaire. Ces travaux ont ainsi permis de démontrer l’effet du vieillissement des ouvrages sur le coefficient de diffusion effectif, qui augmenterait avec l’âge d’un facteur 10 entre deux ouvrages distincts de près de 125 ans.


Notes :

1- Pour plus d'information : Prévoir le comportement mécanique de la roche - Modéliser l’endommagement de l’argilite
2- Diffusion : Homogénéisation des concentrations. Convection : Espèces chimiques entrainés dans les fluides. On parle aussi parfois d’advection.
3- Pour plus d'informations : La Station expérimentale de Tournemire - Un tunnel centenaire
4- Pour plus d'informations : La Station expérimentale de Tournemire - Galeries
5- Propriétés physiques de la roche telles que densité, porosité, teneur en eau...
6- Mesure de perméabilité au gaz.
7- La perméabilité intrinsèque d’un matériau correspond à son aptitude à se laisser traverser par un fluide de référence sous l'effet d'un gradient de pression. Elle s’exprime en m².
8- La conductivité hydraulique traduit l’aptitude d’un milieu poreux, ici la roche, à laisser circuler un fluide. Elle se mesure en m.s-1 mais n’est pas directement comparable à une vitesse.
9- Modélisation couplant écoulement gravitaire et modèle de désaturation.
10- Espèces chimiques qui permettent de suivre un flux de solutés.

Collaborations scientifiques

CNRS/Université d’Orsay (IDES) ; CNRS/Université de Bordeaux (CENBG)

Publications scientifiques