De la R&D à l’innovation à l’Andra

17/07/2016
Auteurs : Frédéric Plas
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2016-3:17168
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2016-3/17168You do not have permission to access embedded form.
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De la R&D à l’innovation à l’Andra

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72 REE N°3/2016 LE STOCKAGE DES DÉCHETS RADIOACTIFSDOSSIER Introduction Depuis plus de 20 ans, les activités de R&D pilotées par l’Andra accom- pagnent les grands objectifs de l’Agence et les principales étapes de développe- ment des projets de stockage ou des centres de stockage en exploitation. Elles apportent les connaissances scien- tifiques et technologiques nécessaires pour répondre aux besoins de concep- tion, d’exploitation, d’observation-sur- veillance et d’évaluation de sûreté. En outre, en accompagnement du déve- loppement progressif des stockages (sur plusieurs dizaines d’années), la R&D contribue à leur amélioration continue, en particulier dans une logique d’optimi- sation technico-économique, la sûreté restant toujours l’objectif fondamental. Dans ce cadre, même si le besoin de maîtrise des stockages renvoie souvent à une approche de conception robuste et éprouvée, l’innovation et la recherche prospective en général en sont des élé- ments structurants forts. Cet effort d’innovation continue se déploie sur un large spectre de do- maines scientifiques (sciences de la terre, sciences des matériaux, sciences de l’environnement, mathématiques appliquées, informatique, monitoring, sciences humaines et sociales…) et de disciplines scientifiques et tech- nologiques (mécanique, hydraulique, thermique, chimie…). Il s’étend de la caractérisation des déchets aux tech- niques et outils d’observation/surveil- lance en passant par les nouveaux matériaux, les méthodes de creuse- ment des ouvrages et la simulation numérique, en s’appuyant sur les outils de RD&D développés par l’Andra plus particulièrement pour le projet Cigéo de stockage des déchets radioactifs de haute activité (HA) et moyenne activité à vie longue (MA-VL) en formation argi- leuse. Des outils pour conduire la recherche et l’innovation Pour mener ces recherches, l’Agence s’appuie sur les outils de R&D dont elle dispose en propre : le Laboratoire souterrain implanté en Meuse/Haute- Marne, l’Observatoire pérenne de l’en- vironnement (OPE), des modèles et codes de simulation numérique. Le Laboratoire souterrain de Meuse/Haute-Marne Pour concevoir Cigéo, le projet de stockage des déchets radioactifs HA et MA-VL, l’Andra étudie à Bure, à la limite des départements de la Meuse et de la Haute-Marne, une couche d’argile de plus de 130 mètres d’épaisseur située à 500 mètres de profondeur. Cette roche argileuse, dite du Callovo-Oxfordien, s’est déposée il y a environ 160 millions d’an- nées dans des conditions qui lui donnent des propriétés très favorables au confine- ment à long terme des radionucléides. Creusé au cœur de cette formation argileuse, le Laboratoire souterrain per- met notamment de caractériser in situ les propriétés thermo-hydromécaniques et chimiques de l’argile, de déterminer les interactions entre le milieu géologique et les matériaux qui seront introduits lors du stockage, de mettre au point les mé- thodes de construction des ouvrages et de tester des méthodes d’observation et de surveillance innovantes. Depuis sa création en 2002, plus de 40 expérimentations ont été mises en place dans les galeries souterraines, avec près de 3 000 points de mesures et plus de 40 000 échantillons de roches prélevés. Les expérimentations ont été déve- loppées suivants quatre axes principaux : roche argileuse d’accueil, en particulier ses propriétés de confinement de la radioactivité ; matériaux du stockage (aciers, bé- tons…) en interaction avec la roche argileuse d’accueil ; - co-chimiques de comportement de la roche argileuse face aux sollicitations De la R&D à l’innovation à l’Andra Par Frédéric Plas Directeur de la recherche et développement (Andra) en collaboration avec Jean Michel Bosgiraud, Stéphane Buschaert, Nathalie Texier-Mandoki, Christine Trentesaux-Hamamdjian, Guillaume Pepin, Stephan Schumacher For more than 20 years, to support progressive development and optimization of both radwaste disposal projects and existing radwaste centers, Andra has deployed intensive research and development programs, in collabora- tion with research partners and radwaste owners, using its own tools: the underground research laboratory, the permanent environmental observatory in Meuse/Haute-Marne departments and digital codes. Five major scientific and technological fields of innovation can be highlighted in Andra’s R&D programs: characterization, treatment and conditioning of radwaste, operating underground techniques, monitoring and data management for disposal survey, materials for engineered compo- nents and numerical simulation. ABSTRACT REE N°3/2016 73 De la R&D à l’innovation à l’Andra du stockage (creusement des ouvrages, dégagement de chaleur de certains dé- chets, matériaux du stockage…) ; - vrages souterrains du stockage. L’Observatoire pérenne de l’environnement (OPE) L’OPE, mis en place en 2007 par l’Andra, a pour premier objectif de dis- poser d’un système d’observation envi- ronnementale et de suivi à long terme de l’évolution de l’ensemble des milieux de l’environnement (eau, air, sols, flore, faune, activités humaines). Il s’étend sur une zone de 900 km2 située pour deux tiers dans le département de la Meuse et pour un tiers dans celui de la Haute- Marne, autour du futur site d’implanta- tion de Cigéo (figure 1). Au sein de cette zone, des études plus détaillées sont menées sur un secteur de référence d’environ 240 km2 . L’OPE est un outil exceptionnel et innovant par son étendue, sa durée d’ordre séculaire en lien avec l’exploi- tation de Cigéo, et par la multipli- cité des domaines environnementaux considérés. L’OPE a été labélisé SOERE (Système d’observation et d’expé- rimentation au long terme pour la recherche en environnement) par l’Alliance nationale de recherche pour l’environnement (Allenvi) en 2010, pour cinq ans. Cette labélisation a été renouvelée en 2015. Le système d’étude mis en place pour l’OPE par l’Andra avec ses parte- naires de R&D repose sur plusieurs centaines de points d’observation com- plétés par des données et des images satellites et aériennes, des parcelles d’expérimentation et des stations instru- mentées de suivi en continu. Afin d’assurer la traçabilité et la pé- rennité des données, l’OPE comprend également depuis 2013 une écothèque, située à côté du site de Bure, qui per- met de conserver les échantillons pré- levés (figure 2). Celle-ci s’inscrit dans la Figure 1 : Extension géographique de de l’Observatoire pérenne de l’environnement mis en place sur le territoire autour du projet Cigéo. Figure 2 : Photographie de l’écothèque de l’Observatoire pérenne de l’environnement mis en place sur le territoire autour du projet Cigéo. 74 REE N°3/2016 LE STOCKAGE DES DÉCHETS RADIOACTIFSDOSSIER lignée des écothèques les plus dévelop- pées au monde et est intégrée dans le réseau international des écothèques. Les modèles et codes de simulation numérique La simulation numérique permet de prendre en compte les interactions complexes entre constituants et le déve- loppement de phénomènes sur de très longues échelles de temps. Au regard des besoins, les simulations couvrent des domaines d’espace et de temps variables, d’une alvéole plurimétrique au milieu géologique plurikilométrique, de l’année jusqu’au million d’années, et des couplages divers, de manière expli- cite ou implicite, au travers de lois de variation des paramètres. De ce fait, il s’agit d’un outil privilégié qui répond aux multiples besoins des projets de stoc- kage ou des centres de stockage en exploitation. Bien que l’essentiel des outils de simulation dont dispose l’Andra depuis plusieurs années ait une maturité de dé- veloppement et d’utilisation permettant de traiter des problèmes complexes avec des niveaux élevés de représentation, en des temps de calcul raisonnables, un effort important d’amélioration des per- formances de résolution des solveurs a été entrepris ces dernières années. Il s’agit de disposer de moyens matériels et logiciels de simulation encore plus per- formants, afin de répondre aux besoins (I) de représentation de plus en plus fine du fonctionnement phénoménologique du stockage à la fois en termes de com- posants et de processus mis en jeu et (II) de définition, de quantification et de justification des simplifications des pro- cessus et des composants pour les éva- luations de sûreté. Trois types d’actions interdépen- dantes ont permis de se doter d’un « bouquet » d’outils de simulation per- formants et maîtrisés, capables de ré- pondre aux différents besoins : - plifiée (Cassandra), centrée sur les besoins de l’Andra, avec une porta- bilité et une ergonomie optimale, et sans dépendances logicielles inutiles (figure 3) ; - tils selon plusieurs axes : (1) ajout de nouvelles fonctionnalités phénomé- nologiques pour mieux prendre en compte les couplages entre proces- sus physico-chimiques, (2) mise en œuvre du calcul parallèle pour traiter des systèmes de grande taille (gros maillages, grand nombre d’incon- nues,…) et des couplages forts, (3) ajout de nouvelles méthodes d’ana- lyse (incertitudes et sensibilité), (4) acquisition de machines de calculs plus performantes (type multiproces- seurs) en lien avec la mise en œuvre du parallélisme (acquisition d’un clus- ter de calcul, accès aux centres de calcul intensif) ; dédié permettant une porte d’accès unique et ergonomique aux diffé- rents composants d’une chaîne de simulation, et une automatisation de la chaîne de simulation, garantissant une minimisation des erreurs et donc in fine une bonne assurance qualité. Les champs d’innovation L’amont du stockage La loi du 28 juin 2006 relative à la gestion des matières et déchets ra- dioactifs stipule que « La réduction de la quantité et de la nocivité des déchets ra- dioactifs est recherchée notamment par (…) le traitement et le conditionnement des déchets radioactifs ». C’est pour- quoi les producteurs de déchets pour- suivent en lien avec l’Andra, des études sur la caractérisation, le traitement et le conditionnement des déchets radioac- tifs. L’objectif est de rechercher une optimisation technico-économique de l’ensemble de la chaîne de gestion des déchets dans les meilleures conditions de sûreté des sites de production des déchets ainsi que du stockage. L’Andra bénéficie pour ces actions d’un soutien financier dans le cadre du programme Investissements d’avenir. Les enjeux liés à la caractérisation des déchets radioactifs s’inscrivent notamment dans le cadre du démantè- lement des installations nucléaires qui représente un défi industriel mondial1 . L’objectif est en particulier d’évaluer au mieux l’inventaire radiologique de ces déchets afin de les prendre en charge 1 NDLR : le lecteur pourra se reporter à ce sujet au dossier publié dans la REE 2016-2. Figure 3 : Architecture de la plate-forme Cassandra. REE N°3/2016 75 De la R&D à l’innovation à l’Andra dans la filière la plus appropriée sans pour autant saturer inutilement les capa- cités radiologiques des stockages. Afin de mobiliser largement les industriels, en particulier les PME et la communau- té académique sur cette problématique, l’Andra a récemment lancé un appel à projets dédié à l’optimisation de la ges- tion des déchets radioactifs de déman- tèlement couvrant les thématiques liées à la caractérisation, au traitement et au conditionnement des déchets. Parmi les projets déjà lancés, plusieurs visent à développer des techniques innovantes en termes de mesure de la radioactivité des sites de démantèlement ou des déchets. Il s’agit, à titre d’exemples, de développer (1) une caméra haute réso- lution durcie améliorant d’un facteur 10 la résistance aux irradiations par rapport aux caméras actuelles, (2) des sys- tèmes de mesure à distance répartis en ligne pour l’inspection des équipements et infrastructures fortement irradiants et d’accès restreints… Le traitement des déchets radioac- tifs vise (1) à limiter le volume des déchets dans un souci d’optimisation économique et de préservation de la ressource rare que constitue le stoc- kage et (2) à permettre le stockage de déchets dont le conditionnement seul n’apporterait pas les garanties suffi- santes au stockage. C’est notamment le cas des déchets technologiques MA-VL à forte compo- sante organiques (polymères), conta- minés uniquement par des émetteurs alpha, du fait des problématiques liées à la production de gaz et d’espèces cor- rosives en stockage. L’enjeu consiste à développer un procédé capable de trai- ter ces déchets (joints, filtres, outillage, câbles, vêtements…) sans tri préalable des différents matériaux (polymères, métaux). Le traitement retenu (projet PIVIC, coll. AREVA/CEA/Andra) repose sur un procédé d’incinération/fusion/ vitrification. Ce procédé utilise la voie plasma pour minéraliser totalement la matière organique et stabilise les cendres dans une matrice vitreuse, tout en assurant la fusion des métaux. Ce procédé permet également de réduire le volume d’un facteur 15 par rapport au déchet brut (figure 4). A l’heure ac- tuelle, une installation pilote de fusion (taille réelle) est en phase de test sur le site de Marcoule. Dans le cadre de l’appel à projets Andra, des études visent également à développer des procédés (I) de vitri- fication in situ des déchets issus du démantèlement, (II) d’élimination par cavitation des molécules organiques contenues dans les effluents radioactifs, (III) de fusion décontaminante de maté- riaux métalliques. Le conditionnement des déchets vise à les confiner sous une forme stable, solide et monolithique. Les prin- cipales matrices utilisées aujourd’hui sont le verre et les matériaux cimen- taires. Les matrices cimentaires ont l’avantage d’être peu onéreuses et faciles à mettre en œuvre mais elles présentent l’inconvénient de conduire à la production d’importants volumes d’hydrogène lors de l’enrobage de cer- tains métaux tels que l’aluminium ou le magnésium. Pour remédier à cette problématique, des travaux ont été menés dans le cadre du défi NEEDS (Nucléaire : Energie, Environnement, Déchets, Société) piloté par le CNRS, sur le développement de géopolymères (non organiques) pour le conditionne- ment de déchets à base de magnésium métallique en mélange avec de l’ura- nium métallique, et sur le développe- ment d’un liant phospho-magnésien pour le conditionnement des déchets métalliques à base d'aluminium. Les méthodes et technologies d’exploitation et de creusement pour Cigéo. Différentes techniques de creu- sement des galeries sont étudiées comme le tunnelier à attaque ponc- tuelle avec pose de voussoirs à Figure 4 : Schéma du procédé d’incinération/fusion/vitrification des déchets technologiques MA-VL à forte composante contaminés par des émetteurs alpha. 76 REE N°3/2016 LE STOCKAGE DES DÉCHETS RADIOACTIFSDOSSIER l’avancement et le soutènement/revête- ment : revêtements souples ou rigides, béton projeté épais ou encore voussoirs (figures 5 et 6). De même, le creu- sement d’alvéoles pour les colis de déchets HA a fait l’objet de développe- ments spécifiques. Parmi les différentes techniques de creusement envisagées pour Cigéo et testées au Laboratoire souterrain (figures 7 et 8), la pose de voussoirs à l’avancement du tunnelier fait l’objet d’un essai innovant : l’emploi d’un vous- soir à matériau compressible (VMC), invention dont l’Andra est copropriétaire avec la société CMC. Cet essai a pour but de vérifier l’apport de ce matériau compressible à l’évolution dans le temps du chargement des voussoirs (sous l’ef- fet de la convergence des terrains) et à l’optimisation de leur dimensionnement (réduction de leur épaisseur). Pour le transfert et la mise en place des conteneurs de stockage dans les al- véoles de Cigéo, l’Andra a développé et testé différents prototypes mécaniques pour les différents types de conteneurs. Elle a également vérifié la capacité de retrait (de récupérabilité) de ces conte- neurs postérieurement à leur stockage sur quelques dizaines d’années. Ainsi les essais de retrait effectués sur les Figure 5 : Différents types de revêtements/soutènements testés au Laboratoire souterrain. Figure 6 : Galeries du Laboratoire souterrain. Figure 7 : Voussoir habillé de matériau compressible testé au Laboratoire souterrain. REE N°3/2016 77 De la R&D à l’innovation à l’Andra conteneurs HA (stockés dans un mi- cro-tunnel horizontal chemisé par un tubage en acier) ont conduit à dévelop- per un robot de récupération à même d’intervenir dans des conditions d’envi- ronnement pénalisantes (irradiation, température, humidité, corrosion). Observation surveillance de Cigéo et de son environnement L’Andra développe actuellement une stratégie globale pour répondre aux besoins d’exploitation et de surveillance de Cigéo. Il s’agit d’un ensemble de dispositions, anticipées dès la concep- tion du centre, comprenant différents volets opérationnels, à commencer par le dimensionnement des ouvrages, le contrôle des colis à réception, l’obser- vation et la surveillance des installations dès leur construction et tout au long de l’exploitation, mais également de l’environnement du Centre, à l’aide de l’Observatoire pérenne de l’environne- ment (OPE). Le système d’auscultation des in- frastructures souterraines sera mis en œuvre dès la construction et concerne- ra tous les types d’ouvrages rencontrés dans le stockage (puits, descenderies, galeries, alvéoles, etc.). Il sera maintenu, autant que possible, au-delà des pre- mières fermetures partielles d’alvéoles de stockage. Pour réaliser cette auscultation, l’Andra se fonde sur les retours d’expé- rience disponibles au Laboratoire souter- rain et sur les stockages de surface, mais aussi sur des inventaires technologiques réalisés au regard des pratiques dans d’autres milieux industriels et nucléaires. Face aux besoins spécifiques du monitoring de Cigéo, l’Andra a choisi de développer très en amont la démonstra- tion de durabilité, de fiabilité et de cer- tification des instruments de mesure, et ainsi d’initier la qualification de ces tech- nologies en anticipation de la concep- tion de l’auscultation des ouvrages de stockage de Cigéo. Le milieu où seront installés ces cap- teurs sera localement agressif : les cap- teurs subiront en effet des élévations de températures et potentiellement des agressions chimiques et des radia- tions. Il est donc nécessaire d’adapter les outils existants, voire de dévelop- per de nouveaux outils technologiques, sans oublier qu’il est recherché une grande longévité de ces instruments ainsi qu’une maîtrise de leurs dérives métrologiques. Toutes ces conditions et contraintes sont relativement spéci- fiques aux enjeux du stockage profond de déchets radioactifs et nécessitent une R&D poussée dans ce domaine. Initiés dès 2009, ces axes de recherche ont fait l’objet d’avancées notables ces dernières années et ont porté notam- ment sur : fibres optiques comme capteurs thermo-mécaniques pour une mesure spatiale continue sur des longueurs élevées, en complément ou comme alternative à des capteurs plus ponc- tuels (extensomètre à corde vibrante, etc.). Outre la réalisation de leur durcis- sement aux radiations, il a par exemple été possible d’améliorer considéra- blement la sensibilité de ces fibres à la déformation et de proposer une méthode efficace pour discriminer la température et la déformation mesu- rée le long d’un même câble par rétro- diffusion Brillouin. L’Andra a également développé et breveté avec le LNE une technologie innovante (Evertherm ©) d’étalonnage et de ré-étalonnage dans le temps des fibres optiques pour me- surer la température dans les alvéoles de stockage de Cigéo ; suivi hygrométrique des maté- riaux (bétons, remblais, scellements) sur la base de chaînes de mesure fondées sur la réflectométrie dans le domaine temporel ; capteurs chimiques innovants en complément des technologies actuel- lement disponibles, qui nécessitent un étalonnage régulier, en particu- lier des capteurs gaz, de corrosion et pH pérennes. L’Andra travaille à titre d’exemple sur une technologie promet- teuse en matière de détection et de do- sage de dihydrogène par fibre optique. Figure 8 : Test d’un robot récupérateur de conteneur de stockage HA. 78 REE N°3/2016 LE STOCKAGE DES DÉCHETS RADIOACTIFSDOSSIER Grâce à des seuils de détection très bas et un temps de réponse associé relati- vement court, cette nouvelle technolo- gie permettra d’optimiser la détection de rejets gazeux dans les alvéoles de stockage. En plus de l’intérêt marqué pour le parc électronucléaire, cette technologie pourrait être utilisée pour d’autres applications relatives à la sur- veillance du stockage de gaz. Les moyens d’auscultation qui seront mis en œuvre dans Cigéo conduiront progressivement, avec le développe- ment de l’installation, à l’acquisition d’un volume important de données et de connaissances qu’il faudra capitaliser, gérer et mettre à disposition de diffé- rents utilisateurs afin de faciliter l’aide à la décision dans le cadre de la sûreté d’exploitation, de la réversibilité et de la sûreté sur le long terme. Les données acquises lors de la construction et de l’exploitation du stockage devront alors être organisées au sein d’un système d’information. Ainsi, en préparation de ce futur outil et des méthodologies de traitement à y implémenter, les données des ouvrages expérimentaux du Laboratoire sou- terrain sont analysées notamment en termes de fusion de données. Une stra- tégie en la matière est en cours de mise en place. Celle-ci a pour dessein de développer les méthodes et moyens de traitement de données principalement issues d’une instrumentation de terrain afin de les rendre exploitables compte- tenu des besoins de connaissance asso- ciés à l’exploitation des stockages. La finalité des développements est donc d’anticiper le traitement, les méthodes et l’analyse future des données et de fournir des outils d’aide à la décision pour Cigéo. L’approche générale du trai- tement de données en vue de l’aide à la décision est représentée par l’exemple qu'illustre la figure 9. Ce dernier est axé sur la fusion de données afin de répondre aux exigences de confirmation et d’affinement du comportement phé- noménologique : la confrontation d’une part des données validées extraites de la fusion de données et des données provenant des simulations d’autre part, à l’issue d’itérations de chaque système, fournira les informations nécessaires aux prises de décision. Concernant l’Observation-surveillance de l’environnement, Cigéo est, par sa durée séculaire d’exploitation, un chan- tier industriel hors normes. Au-delà de la surveillance réglementaire issue des ana- lyses d’impacts de Cigéo, l’Andra a mis en place, avant la construction de Cigéo, un objet unique, l’OPE (Cf. plus haut). En plus d’un maillage serré d’échan- tillonnages et d’analyses, l’Andra a ainsi mis en place un réseau de stations instrumentées pour réaliser un suivi continu des eaux, de l’air et des cycles biogéochimiques dans les sols de la région concernée. L’Ope constitue non seulement un outil de suivi sur le très long terme, un moyen d’enregistrement et de fourniture des données environ- nementales mais aussi de conservation sur le long terme d’échantillons repré- sentatifs dans une écothèque permet- tant des analyses rétrospectives. Les matériaux La recherche sur les matériaux inno- vants s’inscrit dans un processus d’opti- misation du stockage à long terme, en particulier de Cigéo. Jusqu’à sa ferme- ture définitive (qui pourrait intervenir à l’horizon 2150 en l’état actuel des études), Cigéo se développera de ma- nière progressive et incrémentale. Tout ne sera donc pas construit dès le départ, Figure 9 : Organigramme du traitement des données. REE N°3/2016 79 De la R&D à l’innovation à l’Andra mais au fur et à mesure des besoins, ce qui permettra notamment aux généra- tions futures d’intégrer les optimisations issues des progrès scientifiques et tech- niques et du retour d’expérience. A titre d’exemple, les premiers dé- chets HA fortement exothermiques seront stockés à l’horizon 2080. Ac- tuellement, il est prévu que ces déchets soient placés dans des conteneurs en acier non allié au sein d’alvéoles de stockage avec chemisage métallique. La corrosion en conditions anoxiques de ces éléments va générer de l’hydro- gène. Une des voies d’optimisation du stockage est de développer et étudier des matériaux « inertes » alternatifs aux matériaux métalliques. Ces matériaux doivent, à la fois, répondre aux mêmes exigences que celles requises pour le conteneur actuellement défini et, par ailleurs, être relativement inertes vis-à- vis de l’altération de la matrice de verre et de l’argilite du site. L’Andra mène des études pros- pectives sur cette thématique depuis 2007. Les travaux portent sur le déve- loppement et la caractérisation de céra- miques alumino-silicatées résistant à l’attaque par l’eau et ayant des proprié- tés mécaniques élevées (supérieures à celles des céramiques silicatées clas- siques). Les recherches, menées avec la société Porcelaine Pierre Arquié PPA, ont abouti : de composition riche en alumine étanche et durable ; HA adapté au matériau céramique (épaisseur de 4 cm) ; - lage, séchage et frittage adaptés à des pièces céramiques d’épaisseur quatre fois plus importante que celle obtenue par les procédés traditionnels. Ces développements ont permis de montrer la faisabilité du corps et du couvercle d’un conteneur de stockage échelle ½ et d’épaisseur 4 cm en por- celaine alumino-silicatée (figure 10), ce qui constitue une réelle avancée par rapport à l’état de l’art industriel actuel. Les recherches se poursuivent néan- moins car il reste des verrous technolo- giques : contraintes en termes d’étanchéité, de tenue mécanique, de température d’élaboration, de caractérisation des défauts... ; - nique d’un conteneur céramique sous chargement localisé. Une des voies de scellement étudiée est l’utilisation d’une fritte de verre chauf- fée par micro-ondes. Cette technologie permet de répondre à deux contraintes majeures afin de préserver les proprié- tés de confinement de la matrice verre des déchets (température maximum 450 °C) : conteneur céramique de 600-700 °C ; à la zone de fermeture. Les premiers résultats ont permis de valider la technologie à l’échelle du labo- ratoire avec la réalisation d’assemblages céramique-verre dès 700°C. Les pers- pectives consistent à adapter la techno- logie micro-ondes à des pièces de plus grandes dimensions et à caractériser la durabilité des assemblages réalisés. Si ces verrous sont levés, le passage au développement d’un procédé de mise en forme d’un conteneur échelle 1 pourra alors être envisagé. Les modèles et la simulation numérique Pour vérifier que le stockage, tel qu’il est conçu, répond aux objectifs de sûre- té, l’objectif majeur est la quantification de l’évolution phénoménologique du stockage et du milieu géologique envi- ronnant, depuis la période d’exploita- tion jusqu’à la phase de post-fermeture (de l’ordre du million d’années). Cela implique de comprendre le fonctionne- ment d’un système qui fait intervenir : (I) de multiples composants et maté- riaux (ceux du stockage et des diffé- rentes formations géologiques), (II) de nombreux phénomènes (ther- miques, hydrauliques, mécaniques, chimiques et radiologiques) et leurs couplages, et enfin (III) différentes échelles de temps et d’espace. La compréhension fine de ces phénomènes se fonde sur une démarche conjointe d’expéri- mentations et de mise en œuvre de simulations numériques. Figure 10 : Conteneur céramique à l’échelle ½ et d’une épaisseur réelle de 4 cm. 80 REE N°3/2016 LE STOCKAGE DES DÉCHETS RADIOACTIFSDOSSIER Les quantifications numériques s’ap- puient en particulier sur le développe- ment d’outils capables de représenter des systèmes complexes (physique et géométrie) sur de grandes échelles de temps et d’espace, avec une gestion per- manente de l’accroissement du nombre de données et du détail des représenta- tions. Pour répondre à ces enjeux, l’Andra s’est impliquée depuis plusieurs années dans la dynamique du calcul haute per- formance afin d’améliorer de manière continue la performance numérique des outils de simulation (en termes de précision, de robustesse, de rapidité, de gestion de taille et de complexité des problèmes à résoudre) et l’accès à des représentations de plus en plus intégrées et détaillées des systèmes. Aussi, certains travaux de R&D en modélisation et simu- lation numérique, menés notamment en partenariat avec l'INRIA, s’inscrivent dans le champ des innovations informatiques et numériques. Ils conduisent à disposer maintenant : domaines à la fois en espace et en temps, qui permettent une parallélisa- tion de haut niveau des outils de calcul sur des géométries et physiques com- plexes et un gain significatif en temps de résolution des solveurs itératifs. La solution du problème global cor- respond à l’assemblage de solutions relatives à celles des sous-domaines constituant le domaine total, avec une gestion optimisée des conditions de raccordement en espace et en temps ; mérique, permettant d’approcher, sur des problèmes périodiques avec de forts contrastes de propriétés, une résolution des processus physiques exploitant des paramètres équivalents sur des géométries homogénéisées ; qui, couplés à des techniques perfor- mantes de remaillages automatiques, permettant de contrôler et réduire l’erreur numérique des simulations et de renforcer la qualité et la précision des résultats ; et de sensibilité, qui, couplées à des techniques de construction de méta- modèles (surface de réponse par approche neuronale ou polynôme de chaos), permettent de hiérarchiser les paramètres d’influence sur de gros systèmes fortement non-linéaires. Ces différents travaux innovants en si- mulation permettent d’ores et déjà d’ac- céder à des niveaux de représentation élevés, par exemple : hydraulique-gaz de Cigéo, avec une meilleure gestion des changements de phase et des échanges d’eau et de chaleur entre milieux ouverts et milieux poreux, et des capacités de pa- rallélisme permettant la représentation détaillée de tout le stockage ; - grée région/secteur (échelle du bassin parisien et échelle locale) et son évo- lution sur le prochain million d’années, qui a permis de représenter (1) une réalité géologique détaillée du sys- tème multicouches, (2) l’intégration des structures à l’échelle régionale, (3) les évolutions géométriques du fait des évolutions géodynamiques dues à la surrection et à l’érosion (figure 11) ; de l’évolution chimique des ouvrages de stockage, en prenant en compte la complexité du système chimique (dizaines de minéraux et d’espèces dissoutes, équilibres solide/solution contrôlés par des lois cinétiques, fronts réactionnels, couplage avec la ther- mique et l’hydraulique non saturée), sur des géométries détaillées. Cette modélisation a permis de quantifier les perturbations de toutes natures (alcaline, oxydante, organique, saline, influence de la corrosion, …) et leurs conséquences sur le transfert des ra- dionucléides dissous. Une recherche collaborative Un stockage de déchets radioactif est donc un système complexe, constitué de plusieurs composants qui évoluent progressivement sur des durées pou- vant être plurimillénaires. Il en résulte des phénomènes variés et souvent couplés. Pour répondre à ces questions Figure 11 : Géologie, maillage et trajectoire hydraulique à l’échelle de secteur. REE N°3/2016 81 De la R&D à l’innovation à l’Andra scientifiques majeures nécessitant à la fois une forte interdisciplinarité, et des moyens techniques et scientifiques complémentaires, sur des durées pluriannuelles, l’Andra, dans son rôle d’intégrateur de connaissances, a mis en place des Groupements de labora- toires (GL) mobilisant des compétences pluridisciplinaires et disposant d’une autonomie significative en matière de prospective et de programmation. Ces GL sont au nombre de sept, autour d’au- tant de grandes thématiques : - nique-gaz des ouvrages et des com- posants ; - nique des composants métalliques ; dans des environnements et ouvrages à physico-chimie complexe ; dans des environnements et ouvrages insaturés ; - nements de stockage ; Par ailleurs, dans le cadre de sa poli- tique de partenariats initiée dès le début des années 2000, l’Andra a tissé des liens avec 11 organismes de recherche et institutions d’enseignement supérieur reconnus pour leur excellence scienti- fique. Ces partenariats ont été établis pour mettre en commun des moyens sur des actions de recherche dont les résultats bénéficient aux deux parties, notamment dans les domaines de la géochimie et des transferts, de la dura- bilité des bétons, de la géotechnique, de l’instrumentation et des systèmes d’in- formation, de la simulation numérique et du traitement des incertitudes, de la gouvernance et de la concertation. Enfin, l’Andra est fortement impliquée dans plusieurs projets de recherche col- laborative à l’échelle européenne et au sein de la plate-forme technologique Implementing Geological Disposal for Radioactive Waste (IGD-TP). L'AUTEUR Frédéric Plas est directeur de la R&D à l’Andra. Forte d’une cen- taine de personnes, la direction de la R&D a une mission d’ensemblier des connaissances scientifiques au service de la conception, l’exploi- tation, l’observation/surveillance et l’évaluation de sûreté des stockages. A ce titre elle définit et met en œuvre des programmes de recherche pour répondre aux besoins de connais- sances à court terme mais aussi à long terme dans une logique d’in- novation et de prospective ; elle couvre ainsi un vaste ensemble de domaines scientifiques et tech- nologiques (sciences de la terre, sciences des matériaux, comporte- ment des radionucléides, sciences environnementales, monitoring et traitement des données, mathéma- tiques appliquées et simulation nu- mérique…). Pour mener ces travaux, elle s’entoure des compétences de partenaires de recherche nationaux et internationaux.