Technical Report NTB 08-07

Effects of post-disposal gas generation in a repository for low- and intermediate-level waste sited in the Opalinus Clay of Northern Switzerland

Dans le cadre de la 1re étape du plan sectoriel «Dépôts en couches géologiques profondes», la Nagra a proposé les Argiles à Opalinus comme roche d'accueil potentielle pour les déchets de faible et de moyenne activité (DFMA). Peu perméable, cette roche garantit un bon effet de barrière. Or, les émissions de gaz sont considérables dans un dépôt pour DFMA. Il s'agit par conséquent de démontrer qu'en dépit de cette faible perméabilité aux gaz, ces derniers peuvent néanmoins s'échapper sans compromettre la sûreté radiologique à long terme du dépôt en profondeur. La présente étude fournit une évaluation circonstanciée de la production et du transport des gaz dans un dépôt pour DFMA aménagé dans les Argiles à Opalinus du nord de la Suisse, à une profondeur de 300 à 400 mètres. Le rapport contient des informations-clés sur la conception et l'exploitation du dépôt pour DFMA ainsi qu'un bref aperçu de l'inventaire des déchets et des quantités d'émissions gazeuses escomptées. Il expose en outre les connaissances scientifiques relatives aux processus de transport des gaz dans des installations souterraines et les roches d'accueil environnantes, tout comme l'influence de la production de gaz sur l'efficacité du confinement par le système de barrières. Les calculs sur modèle cités à l'appui ont été entamés en 2005 et achevés à fin 2007. Les résultats de cette modélisation ont été utilisés pour optimiser la conception du dépôt pour DFMA eu égard à l'accumulation et au transport des émissions gazeuses. Une disposition en particulier a été étudiée, où des matériaux de comblement et de confinement spécifiquement choisis permettent aux gaz de s'échapper également par la galerie d'accès, et de là dans les formations rocheuses supérieures, sans qu'une pression gazeuse excessive ne puisse se créer. 

Les estimations des émissions gazeuses dans le dépôt pour DFMA partent de l'inventaire des déchets, incluant ceux des centrales nucléaires existantes pour une durée d'exploitation présumée de 50 ans, et ceux de la médecine, de l'industrie et de la recherche jusqu'en 2050; on escompte une quantité totale de 40'000 t d'acier et d'autres métaux et de 2'200 t de matières organiques. Jusqu'à la corrosion ou dégradation intégrale de tous les déchets pertinents, le volume total de gaz produits devrait représenter 20 à 30 millions de mètres cubes normés. Les taux d'émission les plus élevés seront enregistrés dans la première phase qui suivra l'exploitation, à savoir durant les premiers siècles après le scellement du dépôt. La production de gaz diminuera ensuite constamment, pour atteindre un niveau 0 au bout de 200'000 ans environ.  

Le volume interstitiel dans les installations d'entreposage comblées totalise quelque 58'000 m3. Si l'on enfermait hermétiquement l'ensemble des gaz de corrosion et de dégradation dégagés dans cet espace, il se formerait une pression gazeuse considérable. Dans le système réel toutefois, ces gaz sont libérés, du moins partiellement, par la roche d'accueil, réduisant ainsi nettement la pression. Pour limiter davantage encore cette dernière dans une roche peu perméable et / ou en cas d'émissions gazeuses accrues, il est possible de recourir à des matériaux de comblement et de scellement spéciaux, par exemple des mortiers très poreux pour combler les cavernes de stockage et des mélanges de sable/bentonite, avec une part de bentonite de 20 à 30 %, pour les ouvrages de fermeture et de scellement («Engineered Gas Transport System» – EGTS). L'EGTS a pour but d'augmenter la capacité de transport des gaz dans les installations souterraines comblées, sans pour autant compromettre la fonction de rétention des radionucléides par les barrières ouvragées. La (micro) structure des mélanges sable/bentonite avec une faible proportion de bentonite confère au matériau une faible perméabilité à l'eau, tout en garantissant une perméabilité aux gaz relativement élevée. 

Etant donné la forte production de gaz de corrosion et de dégradation, les surpressions gazeuses sont inévitables dans les cavernes de stockage comblées. La présente étude démontre cependant, au moyen de modélisations mathématiques partant des taux d'émissions gazeuses attendus, que la conception choisie du dépôt, pour une perméabilité aux gaz typique de la roche d'accueil considérée, permet de maintenir la surpression dans les cavernes en dessous de la pression seuil pour une propagation des gaz contrôllée par la dilatation (env. 6.5 MPa pour les conditions escomptées sur le site). Pour ces conditions, il n'est pas nécessaire de prévoir des mesures techniques supplémentaires pour l'évacuation des gaz. Dans l'hypothèse d'une valeur conservatrice de taux d'émissions gazeuses ou d'une roche très peu perméable (kOPA ≤ 10-21 m2), il se pourrait que la pression dépasse la valeur seuil précitée. Dans ce cas, l'utilisation de matériaux de comblement et de scellement spéciaux s'imposerait pour garantir l'évacuation des gaz par la galerie d'accès également. Les calculs sur modèle montrent qu'une telle conception limite la pression gazeuse dans les cavernes de stockage, permettant de la maintenir aux alentours de 3 à 4 MPa au-dessus la pression hydrostatique, même dans des roches très peu perméables.  

Sous l'effet de la pression gazeuse accrue, l'eau interstitielle contenant des radionucléides dissolus est refoulée des cavernes vers la roche d'accueil. Cette pression constitue une force motrice additionnelle, qui tend également à prolonger les voies d'écoulement dans la roche. Ce phénomène se trouve encore renforcé par l'anisotropie de la perméabilité de la roche d'accueil. L'eau chassée se répartit à large échelle sur la surface de base du dépôt et se répand dans les formations rocheuses adjacentes. Les modélisations indiquent des flux aqueux spécifiques dans la roche d'accueil de 10-11 m/s au maximum durant la phase initiale de production de gaz (< 1'000 ans après le scellement du dépôt). Ces flux diminuent constamment jusqu'à ce que le transport de matières durant la phase ultime d'émissions gazeuses soit dominé par la diffusion (flux aqueux spécifiques typiques de < 10-13 m/s après plusieurs dizaines de milliers d'années). La comparaison de ces flux aqueux avec ceux qui ont été considérés dans les études techniques sur la sûreté indique que le refoulement de l'eau interstitielle sous l'effet des surpressions gazeuses ne compromet d'aucune manière la sûreté à long terme d'un dépôt pour DFMA aménagé dans les Argiles à Opalinus.