Technical Report NTB 92-07

La génération de gaz dans un dépôt final géologique profond pour déchets radioactifs peut avoir des implications significatives pour sa sécurité après l'entreposage des déchets. Le présent rapport examine cette question dans le contexte du stockage final de déchets de faible et moyenne activité à vie courte (DFMA) en Suisse, dans le cadre du projet de développement d'un tel dépôt par la Nagra.

On passe brièvement en revue les différents gaz qui peuvent être générés en relation avec leurs sources, ainsi qu'une estimation de leur taux de production. L'hydrogène et le méthane sont identifiés comme les deux gaz qui doivent faire l'objet d'une évaluation plus précise. L'hydrogène est essentiellement généré lors de la corrosion anaérobique de métaux alors que le méthane et le CO₂ proviennent essentiellement de la dégradation chimique et microbiologique de matériaux organiques sous conditions anaérobiques.

Le rapport se poursuit par l'identification et l'étude de trois scénarii potentiellement importants liés à la production de gaz à l'intérieur d'un dépôt final suisse pour DFMA. Ce sont:

• conséquences radiologiques dues au ¹⁴C et au tritium incorporés dans le méthane et l'hydrogène avec transfert rapide de ces gaz vers la biosphère
• risques de feu ou d'explosion suite à l'introduction d'hydrogène et de méthane dans un espace confiné de la biosphère
• effets dûs à la pression des gaz entraînant l'expulsion d'eau de l'environnement du dépôt, voire même la dislocation physique du revêtement des cavernes.

La signification potentielle de ces scénarii a été quantifiée principalement à l'aide de calculs d'ordres de grandeur pour deux flux de déchets d'exploitation, les types BA-1a et BA-5 (Nagra 1984). BA-1a consiste en résines échangeuses d'ions qui contiennent une quantité significative de matériaux organiques dégradables alors que BA-5 consiste en acier et autres déchets métalliques immobilisés dans une matrice de ciment, sources potentielles majeures d'hydrogène. Des sous-ensembles de ces flux et d'autres déchets ont également été pris en considération lorsque ceux-ci présentent des taux de radionucléides pertinents particulièrement élevés.

Les conséquences radiologiques provenant du ¹⁴C et du tritium incorporés dans les gaz méthane et hydrogène, générés à partir de résines échangeuses d'ions, sont extrêmement faibles. Partant d'hypothèses prudentes les doses annuelles maximales associées avec un BA-1a moyen sont estimées devoir être de l'ordre de 10^-11 Sv a^-1 par mètre de galerie de dépôt où le ¹⁴CH₄ domine. Même en considérant qu'une faible partie des déchets pourrait présenter une teneur plus élevée en ¹⁴C et en matériaux organiques, on pense qu'il est extrêmement peu probable que la dose totale dépasse 10^-8 Sv a^-1 environ.

Les taux de production d'hydrogène ne présentent pas de risque de feu ou d'explosion en surface. Si toutefois un unique cheminement rapide devait connecter la surface avec toute la longueur des galeries contenant la totalité des BA-5, le terme source potentiel pourrait être suffisant pour que la limite inférieure de déflagration soit atteinte dans un bâtiment présentant un espace confiné relié à ce cheminement de fuite. Une telle combinaison de facteurs doit être vue comme un scénario qui, aux termes des exigences pour les analyses de sûreté en Suisse, ne peut pas être pris en considération d'un point de vue réaliste.

Il ressort de tous les calculs d'ordre de grandeur exécutés que le principal scénario de gaz potentiellement significatif concerne les effets de la pression des gaz sur le mouvement des eaux souterraines dans les environs du dépôt et l'intégrité structurelle de celui-ci. Dans l'hypothèse que le dépôt final est totalement resaturé lors de son scellement, les calculs montrent qu'initialement tous les gaz générés vont aller en solution. L'eau des pores du dépôt se sature totalement en hydrogène en l'espace de quelques années après quoi une phase de gaz libre apparaît. Pour les déchets de type BA-5 cela se produit après 25 jours déjà si le gaz provenant de la corrosion de l'aluminium et du zinc est inclu, sinon la durée est plus longue (2.5 années). En supposant qu'il n'y ait pas de fissures dans le revêtement des cavernes, les calculs d'ordre de grandeur indiquent que la pression excédentaire des gaz augmenterait rapidement et suffisamment pour vaincre les pressions capillaires dans le revêtement des cavernes. A ce moment là le gaz pénétrerait dans le revêtement et le traverserait et/ou provoquerait des fissures dans le revêtement du dépôt qui permettraient au gaz de s'échapper.

Ces calculs reposent sur des hypothèses prudentes. En réalité on doit s'attendre à des taux de production de gaz inférieurs d'au moins un ordre de grandeur. La contribution de l'aluminium et du zinc aux volumes de gaz générés est probablement surestimée, considérant qu'une bonne partie de la corrosion, donc de la génération de gaz, aura lieu avant introduction dans le dépôt final. Les calculs d'ordre de grandeur se concentrent sur les flux de déchets dont on attend une production de gaz maximale et en admettant que tous ces déchets sont entreposés côte à côte dans le dépôt final. Une répartition particulière de ces déchets parmi les autres à l'intérieur des cavernes affecterait bien évidemment l'impact de la génération de gaz.

Il est peu probable que le revêtement des cavernes présente uniformément une très faible perméabilité. L'apparition de petites fissures dans le revêtement est inévitable en raison de contraintes thermiques lors de la prise du béton. Ces fissures présenteront des pressions capillaires plus faibles. On considère par conséquent qu'il est peu probable que la pression des gaz générés conduirait à une perte de l'intégrité structurelle du dépôt; elle provoquera bien plutôt l'expulsion d'eaux souterraines du champ proche.