Technical Report NTB 15-02

L'expérience de mise en stockage en taille réelle (Full Scale Emplacement Experiment ou FE), qui se déroule au laboratoire de recherche souterrain du Mont Terri, simule certains aspects de la construction, de la mise en place des déchets, du remblayage et de l'évolution thermo-hydro-mécanique (THM) initiale d'un tunnel de stockage destiné aux assemblages combustibles usés (AC) et aux déchets de haute activité (DHA) dans une formation argileuse (Argile à Opalinus). Des corps de chauffe ont été installés pour simuler les conteneurs de AC/DHA. La mise en œuvre de l'expérience et l'évolution THM pendant la période qui suit la mise en stockage font l’objet d’un suivi à l'aide de plusieurs centaines de capteurs. Ceux-ci sont répartis dans la roche d'accueil, sur le revêtement du tunnel, dans le remblai et les dispositifs de scellement, ainsi qu’à la surface des corps de chauffe.

Les objectifs de l'expérience FE sont les suivants :

• Étudier en taille réelle les effets THM couplés induits par le dépôt de AC/DHA sur la roche d’accueil et valider les modèles THM couplés existants.
• Vérifier la faisabilité technique de la construction d'un tunnel de stockage à l'aide d'un équipement industriel standard.
• Optimiser la conception et la production du remblai de bentonite, notamment afin de produire des blocs de bentonite capables de résister aux conditions ambiantes pendant les phases de mise en stockage et d'exploitation.
• Étudier les procédures de mise en place (horizontale) des conteneurs et du remblai dans des conditions souterraines.

L'expérience FE a été conçue pour reproduire le dépôt de référence en taille réelle.  Le tunnel FE, d’un diamètre intérieur d'environ 3 m et d’une longueur de 50 m, est divisé en quatre zones. Dans la section d'essai principale, trois corps de chauffe de dimensions similaires à celles des conteneurs AC/DHA ont été placés sur un socle en blocs de bentonite. Le reste de l'espace a été remblayé avec des granulés de bentonite hautement compactée (granulated bentonite material ou GBM). Dans cette zone, le soutènement du tunnel comprend du béton projeté à faible pH renforcé par un treillis. Au fond du tunnel FE se trouve le tronçon de scellement interjacent (ISS), qui comprend un mur en béton, une paroi de deux mètres de long composée de blocs de bentonite installés à la main et une section remplie de granulés de bentonite. A l’opposé, du côté de la caverne FE, se situent un tronçon de scellement en béton et une zone d'accès qui constituent l'entrée du tunnel FE et abritent les systèmes d'acquisition de données de surveillance pendant la durée de l’expérience.

Lors de la production des granulés de bentonite, le traitement, le concassage, le broyage et le mélange des matériaux ont été étudiés de manière systématique et optimisés afin que les propriétés du matériau final répondent à toutes les exigences. La résistance des blocs de bentonite aux conditions ambiantes variables régnant dans les tunnels a été améliorée par une optimisation des paramètres de production.

Sur la base d’expériences précédentes, on a mis au point un prototype de machine qui, à l’aide de cinq convoyeurs à vis, permet de remblayer les tunnels de stockage avec les granulés de bentonite, de manière aussi dense et homogène que possible. Après sa construction, cette machine a subi une phase de test intense. La densité sèche en vrac minimale de 1,45 g/cm3 visée pour le remblai en bentonite, comme le prévoit le concept suisse de dépôt géologique, a été dépassée sans aucune panne ni accident. L'optimisation, l'industrialisation et l'automatisation de ces processus pourront être poursuivies d’ici au début de l'exploitation du dépôt, prévu dans plusieurs décennies.

Les corps de chauffe ont été mis en marche entre décembre 2014 et février 2015, et il est prévu que chacun d’entre eux émette une chaleur constante de 1350 W pendant les premières années de fonctionnement. Par la suite, on diminuera la puissance pour simuler la baisse de température typique des éléments combustibles usés.

Pour surveiller les effets, en taille réelle, de cette élévation de température sur le remblai de bentonite et la roche d'accueil, des capteurs ont été installés à l'intérieur et autour du tunnel FE. Ces capteurs mesurent divers paramètres, dont la température, la pression, la déformation, la teneur en humidité et en eau et la composition des gaz. Après 18 mois de fonctionnement, les températures atteignaient environ 117 à 132 °C à la surface des corps de chauffe, et environ 45 à 70 °C à la surface de la roche. A la fin de la période de chauffage continu, des températures d'environ 130 à 150 °C à la surface du corps de chauffe central et d'environ 60 à 80 °C à l'interface de la roche sont prévues.

D’une façon générale, l’évolution THM observée au cours des 18 premiers mois de chauffage est conforme aux attentes fondées sur les expériences précédentes et sur les calculs prévisionnels effectués.

L'expérience FE est une étape importante dans la conception du dépôt suisse destiné aux AC/DHA. Les résultats obtenus pourront avoir une incidence sur la conception des tunnels de stockage et le chargement des conteneurs.

Le présent rapport couvre la conception, la construction et les 18 premiers mois de fonctionne­ment des corps de chauffe pour l'expérience FE. Au cours de cette période, des progrès importants ont été réalisés au regard des objectifs généraux de l'expérience :

• En ce qui concerne l'objectif "Étudier en taille réelle les effets THM couplés induits par le dépôt de AC/DHA sur la roche d’accueil et valider les modèles THM couplés existants", les 18 premiers mois de fonctionnement ont permis de mieux comprendre la performance du système de barrières techniques et du champ proche, immédiatement après la mise en stockage et avant saturation. L'instrumentation de surveillance fonctionne bien et fournit des informations détaillées sur l’évolution THM consécutive à l’élévation de la température. Des modèles 3D de l'évolution de la roche d'accueil et des barrières ouvragées ont été développés. La modélisation a inclus des études de calibration et de validation à l'aide de données mesurées. Ces études se poursuivent actuellement.
• En ce qui concerne l'objectif "Vérifier la faisabilité technique de la construction d'un tunnel de stockage à l'aide d'un équipement industriel standard", le tunnel a été construit et renforcé conformément aux exigences de construction liées à la performance à long terme du système de stockage.  Il s'agit notamment d'exigences concernant les dimensions du tunnel, le type de soutènement et la composition des matériaux (par exemple le béton projeté), ainsi que l'interdiction d'utiliser de l'eau pendant le processus d'excavation. En conclusion, la faisabilité technique de la construction d'un tunnel de stockage dans une roche argileuse fortement indurée à l'aide d'un équipement industriel standard a été vérifiée avec succès au laboratoire du Mont Terri.
• En ce qui concerne l'objectif "Optimiser la conception et la production du remblai de bentonite, notamment afin de produire des blocs de bentonite capables de résister aux conditions ambiantes pendant les phases de mise en stockage et d'exploitation", la production de blocs et des granulés de bentonite a fait l’objet d’études détaillées qui ont abouti à la définition de paramètres de production. On a pu définir l'impact de la teneur en eau de la bentonite et de l'humidité relative du tunnel. Les plages de paramètres correspondantes ont été déterminées pour que les socles de bentonite répondent aux exigences requises lors de la mise en stockage et de la mise en place du remblai dans les tunnels. Les paramètres de production des granulés de bentonite ont été déterminés, y compris la teneur en eau, le processus de compactage et la répartition granulométrique.

• En ce qui concerne l'objectif "Étudier les procédures de mise en place (horizontale) des conteneurs et du remblai dans les conditions du dépôt géologique", les travaux se sont concentrés sur le remblayage horizontal à l’aide des granulés de bentonite. Un prototype de machine de remblayage a été conçu, testé et utilisé pour mettre en place les granulés de bentonite à la densité requise. La surveillance continue de l’évolution THM de l'expérience FE permettra de mieux comprendre l'influence de l'hétérogénéité du remblai sur sa performance.