Stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde

Évolution dans le temps de la radiotoxicité d'un combustible usagé : après mille ans les produits de fission cessent d'être significativement radiotoxiques ; après un million d'années le combustible est moins radiotoxique que le minerai d'uranium initial.

Des déchets radioactifs ont été et sont actuellement produits dans différents pays. La gestion de ces différents types de déchets repose sur leurs caractéristiques propres : niveau d'activité et période de décroissance. L'objectif visé est d'isoler les déchets de la biosphère jusqu'à ce que la radioactivité résiduelle soit inoffensive. Des modes de gestion différenciés (stockage en subsurface, entreposage, stockage profond, etc) sont utilisés ou envisagés selon les différents types de déchets.

Les déchets de haute activité et à vie longue (HAVL) et de moyenne activité et à vie longue (MAVL) émettent pendant des durées pluriséculaires ou plurimillénaires des rayonnements ionisants.

Globalement (tout type de stockage confondu), un site de stockage ne retrouve le niveau de radioactivité moyenne de la croûte terrestre qu’au bout d’un million d’années : au-delà du million d’années, il n’est pas possible d’être affirmatif en ce qui concerne le devenir géologique du site (mouvements géologiques à l’échelle de la plaque continentale) mais cela ne devrait pas poser de problème puisque le site ne sera plus radioactif[2]^,[3]. Par ailleurs, un colis type sera fiable sur environ 10 000 ans ; il faut donc se préoccuper des temps compris entre 10⁴ et 10⁶ ans[2]. Le mode de gestion de ces déchets doit donc permettre de les isoler de la biosphère pendant la durée nécessaire à leur décroissance.

Au-delà du million d'années, il restera néanmoins des métaux lourds[3], qui constituent des déchets toxiques. Les déchets nucléaires et les métaux lourds sont pris en compte au titre de Chemical pollution and the release of novel entities (« Pollution chimique et le rejet de nouvelles entités ») dans le cadre des limites planétaires[4], reconnues par la France[5].

Il faut faire la distinction entre les arguments développés pour ou contre l'énergie nucléaire, et ceux développés pour ou contre les centres de stockage souterrains. Ainsi, un partisan de l'énergie nucléaire peut s'opposer au centre de stockage de Gorleben (de), tandis qu'il est tout à fait possible qu'un opposant à l'utilisation de l'énergie nucléaire s'y déclare favorable[3].

L'un des modes de gestion proposé (voire retenu) dans certains pays est le stockage en couche géologique profonde.

Le stockage géologique est conçu pour retarder le relâchement et la migration des radioéléments sur une échelle de temps compatible avec leur période de décroissance. Il repose sur une conception multi-barrières dont le niveau le plus élevé est la formation géologique en elle-même. Les autres barrières mises en place sont le colis de déchets en lui-même (qu'une étude de Nature invite à mieux évaluer[6]), le colis de stockage ainsi que d'éventuels dispositifs de confinement telle une barrière ouvragée en bentonite. À ce titre, l'archéologie, et en particulier l'archéométallurgie, sont des sources d'information précieuses pour connaître le vieillissement des matériaux sur plusieurs siècles ou millénaires.

Différentes formations-hôtes sont actuellement étudiées ou utilisées dans le monde : tuf volcanique, granite, sel, argile, etc. Le comportement de ces différents matériaux vis-à-vis des contraintes du stockage (température et présence d'eau particulièrement) détermine la nature des barrières mises en place.

Modèle informatique du comportement du stockage Yucca Mountain

L'eau est a priori le principal facteur d'altération/corrosion des colis de déchets radioactifs d'une part, et le principal vecteur des éléments radioactifs éventuellement relâchés dans la barrière géologique d'autre part. La modélisation des déplacements de l'eau dans le sous-sol est un problème complexe. Elle fait appel à la loi de Darcy relative aux écoulements d'eau dans les milieux plus ou moins poreux. Dans ce type d'écoulement, c'est un différentiel de pression qui entraîne le déplacement de l'eau, celle-ci entraînant, en tout ou en partie, certains éléments avec elle.

Cependant, même là où l'eau ne peut se déplacer, sous forme ionique notamment, des éléments peuvent facilement migrer si un différentiel de concentration ou de pression (sous l'effet de la température par exemple) est établi, ou dans le cadre de phénomènes de microcapillarité ou nanocapillarité (on parle alors de diffusion moléculaire). Ce dernier phénomène sera par exemple largement prédominant dans le cas d'un stockage géologique dans de l'argile. Les équations de diffusion telles que celles établies par Fick devront aussi tenir compte d'autres phénomènes dont l'exclusion anionique qui peut fortement modifier les transferts d'anions en milieu poreux (en accélérant les flux d'anions dans certains systèmes microporeux et en leur interdisant l'accès à des pores où ils pourraient autrement se fixer dans le cadre de phénomènes de rétention chimique)[7]. Il est attribué à une répulsion électrostatique induite par la charge négative des surfaces solides ; elle est aussi décrite par une théorie dite « diffusive double-layer theory ». Les modèles de diffusion dans les argiles profonde doivent aussi intégrer les processus de réactivité chimique des argiles[8].

Les considérations précédentes partent incidemment du principe que tous les atomes radioactifs stockés sont sous forme de composés solubles dans l'eau. Cependant le réacteur naturel d'Oklo (Afrique) qui a fonctionné des centaines de milliers d'années durant il y a près de deux milliards d'années, montre que le plutonium n'a migré que sur quelques décimètres avant de s'être complètement transmuté en uranium, ce qui a dû prendre quelque 100 000 ans environ. L'étude des minéraux naturels montre par ailleurs que des cristaux comme le zircon traversent des ères géologiques entières, et des cycles orogéniques de durée comparable, en restant inaltérés. Or, ils peuvent contenir de l'uranium, partiellement transformé en plomb. Le césium, dont on pensait qu'il pouvait migrer facilement, est immobilisé dans des minéraux tels que la rhodizite. Il est ainsi clair que la chimie géologique apporte des garanties de confinement pour des durées de l'ordre du milliard d'années, sachant que seulement quelques milliers d'années suffisent pour traiter les déchets ultimes artificiels.

Barrières naturelles du stockage

Un site de stockage de déchets radioactifs peut entraîner plusieurs types de risques, nécessitant des réponses de nature variées[2]:

• Des individus peuvent s'introduire sur le site. Ils peuvent être mis en danger et provoquer des dégâts.
• Des terroristes (terme générique) peuvent tenter de voler des colis de déchets, dans le but d’en disséminer la radioactivité.
• Les colis de déchets se dégradent avec le temps, conduisant à une dissémination de la radioactivité dans la géosphère.
• Des modifications géologiques à long terme peuvent perturber le site et en mobiliser le contenu.
• Les colis dégagent de l'hydrogène par radiolyse (voir Gaz dans les centres de stockage souterrains de déchets radioactifs), ce qui pose à terme le problème de la maîtrise du risque d'incendie[9].

Les calculs de sûreté d'un stockage font appel à des notions probabilistes. Comme pour tout risque, deux paramètres sont déterminés pour évaluer les conséquences probables d'un événement (intrusion humaine, venue d'eau plus importante que prévu, séisme, glaciation, etc.) :

• la probabilité d'occurrence de l'événement en question ;
• la gravité des conséquences de l'occurrence d'un tel événement.

Là encore, l'étude de l'activité sur plusieurs siècles voire millénaires (archéosismologie) est importante. Le dimensionnement du stockage répond alors à la contrainte d'un impact sur la biosphère inférieur aux normes en vigueur. L'hydrométrie des galeries conditionne l'oxydation des matériaux, ce qui influe sur la production de gaz (hydrogène, méthane...)

Le concept de stockage géologique en couche profonde est présenté comme étant un mode de gestion ne contraignant pas les générations futures sur la base des déchets actuellement produits. Selon les pays, les stockages projetés ou en exploitation sont réversibles ou irréversibles.

À plus long terme, ce stockage géologique permettrait aussi, selon ses promoteurs, d'anticiper d'éventuels bouleversements de la société : il resterait sûr même en cas d'oubli du site et d'arrêt de la surveillance. C'est un concept passif dont la sûreté ne dépend pas de l'action des générations futures.

Pour ses opposants (notamment les organisations écologistes à l'échelle européenne), l'exemple de la mine d'Asse qui a été sujet à des infiltrations entraînant une contamination nucléaire du milieu environnant prouve que le stockage des déchets par enfouissement présente des risques importants.

Qu'ils soient stockés en surface ou en profondeur ces déchets seront soumis aux aléas de l’histoire et à d’éventuelles catastrophes naturelles qui sont par définition peu prévisible (à long terme en particulier). La période radioactive moyenne de ces déchets est d’environ 250 000 ans, soit le temps qui nous sépare de la fin de la glaciation de Mindel et de l'Homo steinheimensis en pleine préhistoire néandertalienne. Cela implique de « trouver un moyen de communiquer le danger que représentent ces sites d’enfouissement aux générations futures, dans un horizon temporel sans commune mesure dans, et même avec, l’histoire des civilisations humaines »[10].

Certains scientifiques, comme le physicien Jean-Pierre Petit[33] ou l'agronome Bertrand Thuillier[34], critiquent la solution du stockage à grande profondeur en raison, notamment, des risques d'explosion et d'incendie dus au dégagement d'hydrogène par les déchets. Bernard Laponche et l’association Global Chance préconisent un stockage à faible profondeur (environ une cinquantaine de mètres) à titre provisoire en attendant que les progrès de la recherche aient permis de mettre au point un procédé permettant de faire décroître la radioactivité des déchets HAVL[35], mais cela n’est accepté dans aucun pays du monde par les autorités de contrôle du secteur nucléaire[36] et suscite un fort scepticisme chez beaucoup d’écologistes[37]. Un rapport de l’IRSN a d’ailleurs montré que les pays étrangers qui ont étudié cette solution l’ont soit définitivement abandonnée, soit mise en œuvre à titre transitoire comme préalable à la création d’un stockage définitif à grande profondeur[38].

Selon le sénateur Daniel Goulet, Claude Allègre, ancien président du BRGM aurait déclaré : « On a raison de se mobiliser contre les méthodes de stockage ; géologiquement parlant, le sous-sol est le plus mauvais endroit pour stocker les déchets à cause de l'eau qui y circule et pénètre partout »[39]. Cependant selon Olivier Méplan, de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay, si le site est correctement choisi, l'eau qui imbibe le sous-sol ne "circule" qu'à des vitesses très faibles ; le temps pour l'eau d'atteindre un exutoire, soit quelques milliers d'années, les principaux ions radioactifs solubles ont disparu du fait de la décroissance radioactive[40].