Contexte
Historiquement, l’industrie nucléaire fut une des premières à se préoccuper de l’avenir de ses déchets et à chercher des solutions pour leur gestion et leur stockage. Une problématique nationale, prise en compte par les pouvoirs publics, et encadrée par la loi. Aujourd’hui, c’est la loi du 28 juin 2006 qui fixe les grandes orientations de recherche sur la gestion des déchets radioactifs.
En soutien aux industriels et à l’Andra, le CEA mène notamment des recherches et développements sur le conditionnement et le stockage des déchets issus de la fabrication et du traitement du combustible, provenant des usines de La Hague et de MELOX, où le MOX est produit.
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La R&D du CEA sur les déchets issus du cycle du combustible
Le CEA réalise des recherches sur les déchets issus du cycle du combustible nucléaire. Elles s’articulent autour de 4 axes principaux.
Le traitement – conditionnement des déchets
La caractérisation des colis de déchets
Le comportement à long terme des colis de déchets en entreposage et en stockage
L’étude des solutions de stockage géologique, dans le cadre du projet Cigéo.
Ces recherches sont réalisées en partenariat avec les industriels (Orano, EDF) et l’Andra . Par ailleurs, des études se poursuivent sur la thématique de la séparation-transmutation dans l’objectif de
diminuer l’inventaire radiologique des déchets destinés au stockage géologique profond.
Le traitement-conditionnement des déchets
L’enjeu est de développer des matériaux et procédés de conditionnement des déchets permettant de confiner durablement la radioactivité. Les développements du CEA vont de la formulation du matériau jusqu’à sa conception pour un usage industriel. Les procédés principalement développés aujourd’hui sont la cimentation et la vitrification.
La maîtrise des procédés de vitrification passe par une bonne formulation du verre, et donc la préparation de coulées d'échantillons, qui seront ensuite analysés. 1 600°C, c'est la température du four utilisé pour ces essais en inactif (sans matériaux radioactifs). © S.Le Couster / CEA
Optimiser les procédés de vitrification des déchets
Une fois le plutonium et l’uranium récupérés, les déchets – produits de fission et actinides mineurs – sont calcinés, vitrifiés et coulés dans des colis destinés au stockage géologique profond. Si les colis eux-mêmes sont parfaitement définis, des pistes d’optimisation des procédés sont étudiées. Classiquement, l’élaboration du verre fondu contenant les déchets s’effectue à plus de 1 000 °C dans des pots de fusion métalliques qui s’endommagent sous l’effet de la corrosion et de la chaleur. Il faut donc régulièrement les remplacer, ce qui constitue autant de déchets technologiques à gérer.
Vue d’ensemble du prototype évolutif de vitrification équipé du creuset froid nucléarisé à Marcoule. © P. Dumas/CEA
Les équipes du CEA ont mis au point en 2010 à La Hague une autre technique, implantée sur une des six lignes de vitrification de l’usine de La Hague : le « creuset froid ». Dans ce procédé, la paroi métallique du « pot » est refroidie par circulation d’eau froide. Le creuset est alors rempli de verre qui est fondu par induction avant l’introduction des déchets. Une fine couche de verre solide se forme au contact de la paroi froide, séparant la paroi du four du verre fondu et des déchets radioactifs. Ainsi protégé de la chaleur et des radiations, le creuset dure beaucoup plus longtemps et permet l’élaboration de verres plus corrosifs.
Vers un nouveau procédé pour traiter les déchets issus de la production du MOX
Autre projet de développement mené par le CEA dans le cadre du Programme d’investissements d’avenir, en lien avec l’Andra et Orano : le
traitement et le conditionnement des déchets technologiques solides, mélange de métaux et de matières organiques (vinyles, polyéthylène, gants en polymères), issus du fonctionnement de l’usine MELOX qui produit le MOX.
Un procédé innovant, appelé PIVIC (Procédé d’Incinération Vitrification in-Can), vise à les traiter et les conditionner en une seule étape. Son principe : introduits dans un four, les déchets sont incinérés par une torche à plasma sur un bain de verre fondu. Les cendres résultantes sont incorporées au verre et le métal fondu se retrouve au fond du creuset qui constitue le conteneur primaire du déchet.
La caractérisation des colis de déchets
Les recherches du CEA portent notamment sur
des technologies de caractérisation non destructive des colis de déchets de moyenne activité à vie longue (MA-VL). L’objectif est de déterminer et quantifier la nature des radionucléides stockés dans les colis. Le CEA développe différentes techniques d’imagerie. Parmi elles : l’interrogation photonique active (IPA) qui utilise des photons de haute énergie pour quantifier la matière fissile (les gamma émis par les photofissions sont détectés par spectrométrie gamma) ; et tomographie bi-énergie pour déterminer la nature des matériaux présents.
Vue d'ensemble de la cellule, les hublots, les télémanipulateurs et l'interface homme-machine et son système de visualisation via des caméras orientables. La cellule CADECOL (Casemate de découpe de colis) est dédiée à des expertises sur des colis de déchets jusqu'à 5 m3 ; via des contrôles destructifs. Chicade est une plateforme technologique de caractérisation nulcéaire, sur laquelle sont menées des mesures de caractérisation non destructive et/ou destructive, des analyses radiochimiques et chimiques ainsi que la conception et fabrication de chambres à fission. © CEA
Ces techniques utilisent l’accélérateur haute énergie SATURNE de l’installation CHICADE à Cadarache, qui permet de travailler sur des colis réels de grande taille.
Le comportement à long-terme des colis de déchets en entreposage et en stockage
Les études de comportement à long-terme des colis de déchets ont pour objectif de proposer des modèles prédictifs d’évolution du déchet dans les conditions d’entreposage, puis de stockage. Ces modèles sont établis sur la base d’expériences dédiées, permettant d’explorer différentes échelles spatiales et temporelles, et dont l’objectif est de comprendre les effets de la radioactivité et des conditions environnantes sur le comportement physico-chimique du colis. Par exemple, dans le cadre de l’entreposage des déchets MA-VL, le CEA développe des modèles de radiolyse des déchets organiques permettant de quantifier la production d’H2 dans ce type de déchet. Dans le cadre du stockage profond des déchets haute activité (HA), les développements se focalisent sur
la modélisation de l’altération des déchets vitrifiés, selon les conditions environnementales du stockage.
L’étude des solutions de stockage
Cette INB entrepose les déchets de moyenne activité à vie longue, dans l’attente de la mise en service du centre de stockage profond Cigéo par l’Andra. © L.Godart / CEA
Ces recherches sont essentiellement réalisées
en support du projet de stockage géologique profond des déchets HA et MA-VL, Cigéo, piloté par l’Andra. Le CEA y contribue avec des études notamment sur le comportement à long terme des colis de déchets en milieu géologique profond et sur la migration des radionucléides dans les couches géologiques.
Le CEA étudie ainsi le comportement hydromécanique des matériaux cimentaires et des matériaux argileux mis en œuvre dans le stockage. Pour les aciers utilisés pour les conteneurs ou le chemisage de l’alvéole HA , ses travaux portent sur la modélisation des vitesses de corrosion selon les conditions de stockage. Par ailleurs, le CEA caractérise les propriétés de migration des radionucléides dans les différents matériaux cimentaires et argileux d’intérêt pour le stockage, sur la base d’expériences réalisées en laboratoire sur des échantillons centimétriques à pluri-décimétriques. Il contribue aussi aux expériences de diffusion in-situ pilotées par l’Andra dans son Laboratoire de Recherche Souterrain (Centre de Meuse Haute-Marne).