Analogues naturels pour un dépôt en profondeur : la nature comme modèle
La sûreté d’un dépôt en couches géologiques profondes doit être garantie sur de très longues périodes. Les études sur les analogues naturels permettent de tirer des conclusions quant à l’évolution de processus géologiques extrêmement lents.
Beaucoup de processus géologiques évoluent bien trop lentement pour qu’ils soient perceptibles au cours d’une vie humaine. Pour pallier l’impossibilité d’une observation directe, les scientifiques s’appuient sur des déductions basées sur ce que l’on appelle des analogues naturels. À cet effet, ils étudient et interprètent des phénomènes qui se produisent dans la nature.
La nature nous montre l’exemple depuis des milliers d’années
Au moyen d’analyses de sûreté, la Nagra évalue la sûreté à long terme d’un dépôt en profondeur pour déchets radioactifs. Ceci suppose que l’on sache exactement comment le système de stockage va se comporter. Nous étudions les processus et situations qui se déroulent dans l’environnement d’un dépôt géologique profond – y compris à partir d’exemples observés dans la nature. Au contraire des expériences en laboratoire, limitées à de courtes durées, on peut ainsi étudier des processus qui se déroulent sur des milliers d’années.
Il existe en effet des analogues naturels pour bon nombre de composants d’un dépôt géologique profond, voire pour le dépôt dans son ensemble.
Les barrières empêchent, ou tout au moins ralentissent, le relâchement de substances radioactives
Les déchets de haute activité seront entre autres confinés grâce à des barrières techniques. Ces barrières peuvent être en verre, en métal ou en argile. Des gisements naturels et des découvertes archéologiques fournissent de précieux indices sur le comportement à long terme de ces matériaux.
Nous connaissons tous de tels exemples dans la nature : sous forme de fossiles, comme des os de dinosaures ou des plantes. La photo de gauche montre la Curio Bay Fossil Forest en Nouvelle-Zélande. Des arbres fossilisés d’une forêt de l’ère jurassique y sont conservés. Ils sont âgés d’environ 160 millions d’années. La forêt a alors été ensevelie sous les cendres en raison d’une éruption volcanique. L’érosion due à l’eau de mer a finalement remis la forêt à nu.
Le verre et les avantages d’une structure amorphe
La structure du verre est amorphe, c’est-à-dire que ses composants sont agencés de manière irrégulière. Ainsi, lorsque le verre se casse, on obtient des formes incurvées, comme des coquillages, alors que dans le cas du cristal, les cassures évoluent généralement le long de surfaces planes. Il existe des verres volcaniques dans la nature (obsidienne, voir photo à droite), constitués de quartz amorphe, et qui ont été en partie conservés dans un état chimique non modifié durant des millions d’années.
Près de Senzeilles en Belgique, on a trouvé de minuscules perles de verre dans une roche argileuse ; elles ont été produites par l’impact d’une météorite il y a 367 millions d’années. Au vu de leur petite taille, on aurait pu s’attendre à ce qu’elles se soient dissoutes au bout de tout ce temps. Toutefois, parfaitement confinées dans l’argile, ces perles de verre ne présentent aucun signe d’altération.
En raison de ses propriétés, le verre constitue la barrière technique la plus interne du dépôt géologique pour déchets de haute activité. Les éléments radioactifs sont incorporés dans une matrice en verre, car celle-ci résiste à la corrosion et confine donc les substances sur de longues périodes.
Métal – la rouille comme couche de protection
L’acier est un alliage de fer contenant, en faibles quantités, du carbone. Lorsque le fer entre en contact avec de l’eau anaérobie, sa surface se couvre d’une couche de rouille. Celle-ci contribue toutefois à la protection du métal sous-jacent et ralentit ainsi la progression de la corrosion.
Avant d’être acheminés vers le dépôt en profondeur, les déchets de haute activité et les assemblages combustibles usés seront placés dans des conteneurs de stockage munis de parois épaisses en acier au carbone. Parallèlement, d’autres options sont continuellement examinées. Grâce aux découvertes archéologiques d’objets métalliques, les chercheurs peuvent mieux estimer la durée de vie de ces conteneurs. La fabrication de l’acier est connue depuis 2700 ans, tandis que le fer est utilisé depuis 3500 ans. Les objets archéologiques en fer datent principalement de l’époque romaine.
Une expérience au long cours remontant à l’époque romaine
En 87 après Jésus-Christ, à Inchtuthil (Écosse), des soldats romains ont enterré des caisses entières de clous en fer à quatre mètres de profondeur pour éviter que le précieux matériel ne tombe entre les mains de l’ennemi. Les clous se trouvant au-dessus ont été soumis à une forte corrosion, formant une couche de rouille solide, qui a protégé en grande partie les clous situés en dessous.
Pour comparaison : les substances fortement radioactives n’entreront en contact avec l’humidité de la roche que lorsque la corrosion aura détruit les conteneurs de stockage. Ceci ne devrait pas intervenir avant environ 1000 ans. Ce n’est qu’à ce moment-là que des substances radioactives pourraient être dissoutes par l’eau. Mais d’ici là, les déchets auront perdu la majeure partie de leur radioactivité. Les galeries, remblayées avec de la bentonite, et la roche entourant le dépôt, garantiront un confinement sûr bien au-delà.
L’argile gonfle et offre un confinement étanche
Le matériau de remblayage prévu dans les galeries de stockage est de l’argile. Il empêche l’eau de pénétrer dans les conteneurs de stockage et retient les éventuelles fuites de substances radioactives. La bentonite, constituée principalement de minéraux argileux, satisfait à ces exigences. Elle a la capacité d’absorber beaucoup d’eau, ce qui la fait gonfler, Elle est également capable de fixer et de retenir durablement les substances radioactives. C’est pourquoi tous les espaces vides entre les conteneurs de déchets entreposés dans les galeries de stockage seront comblés avec de la bentonite expansible.
Les roches argileuses du sous-sol constituent une barrière géologique
Le dépôt profond sera construit dans des roches argileuses telles que l’Argile à Opalinus. Les formations rocheuses composées essentiellement d’argile se caractérisent par leurs excellentes propriétés isolantes et étanchéifiantes. Comme évoqué, ils retiennent l’eau et les composants dissous. À la surface de la terre, les argiles sont tendres et souples. Plus en profondeur, elles constituent une roche solide. Les argiles agissent comme un frein sur les substances toxiques. Elles peuvent retenir et fixer nombre d’entre elles.
Formée il y a environ 175 millions d’années, l’Argile à Opalinus renferme une eau interstitielle quasi immobile, piégée dans ses micropores. Cette eau interstitielle contient encore entre cinq et vingt grammes de sels dissous par litre, issus de l’eau de mer. Le fait qu’une partie de l’eau de mer soit restée confinée dans l’Argile à Opalinus pendant des millions d’années amène les scientifiques à déduire que les propriétés de cette roche demeureront quasi-inchangées pendant plusieurs centaines de milliers d’années encore. D’où la conclusion qu’il s’agit d’une roche d’accueil appropriée pour un dépôt en couches géologiques profondes.
L’Argile à Opalinus conserve également les fossiles
Dans le forage de Benken, cette ammonite très bien conservée de l’espèce « Leioceras opalinum » a été trouvée dans l’Argile à Opalinus. Elle a été protégée des influences extérieures et conservée dans la roche argileuse. Elle doit son nom à l’éclat opalescent de sa coquille, conservée pendant quelque 175 millions d’années.
Un réacteur naturel confiné par des roches argileuses
Dans le gisement d’uranium d’Oklo (Gabon) en Afrique de l’Ouest, des réacteurs nucléaires se sont formés de manière naturelle.
L’uranium-235 (constituant à l’époque environ 3 pour cent du minerai d’uranium) a déclenché une réaction en chaîne spontanée, modérée par l’eau circulant dans les fissures du minerai. En résultat, quelques tonnes de déchets hautement radioactifs (produits de fission) et de plutonium sont restés emprisonnés dans la roche.
La nature a ainsi créé à Oklo un réacteur nucléaire naturel ainsi qu’un « dépôt géologique pour déchets de haute activité ». En deux milliards d’années, les substances radioactives se sont à peine déplacées de leur lieu d’origine. À noter que ce résultat a été obtenu sans optimisation des conditions géologiques (une couche d’Argile à Opalinus intacte) et sans barrières techniques (par exemple bentonite) telles qu’elles sont prévues dans un dépôt en Suisse.
