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Dossier sur le démantèlement nucléaire

La recherche et l’innovation au service du démantèlement nucléaire


​Maître d’ouvrage sur ses projets d’assainissement/démantèlement, le CEA consacre également une forte activité de recherche et développement (R&D) afin de diminuer les délais, les coûts et les déchets des programmes actuels et futurs, tout en améliorant leur sûreté. Les innovations qui en découlent donnent souvent lieu à des transferts industriels.

Publié le 30 octobre 2015

Les enjeux de la R&D
sur l'assainissement/démantèlement

« Nos développements portent sur l'ensemble des étapes de l'assainissement-démantèlement afin de les optimiser », commence Christine Georges, chef de programme R&D pour l'assainissement-démantèlement à la Direction de l’énergie nucléaire du CEA. Ces efforts de R&D portent en premier lieu sur l’évaluation de l’état physique et radiologique des installations, dès le début du chantier puis tout au long des opérations. Il s’agit de localiser les points chauds, d’identifier les radioéléments et d’estimer l’activité radiologique des matériaux pour les trier en fonction de leur catégorie. Cette tâche est loin d’être aisée car, parfois, les plans d’architecte des installations construites dans les années soixante ne sont pas aussi précis qu’aujourd’hui, omettant par exemple le tracé de certaines canalisations qu’il faut à tout prix prendre en compte. De même, des incertitudes peuvent demeurer sur l’état des substances radioactives contenues depuis des dizaines d’années dans les cuves, retardant d’autant le début des opérations qui ne peuvent commencer sans une caractérisation globale.


Des technologies innovantes
pour quantifier à distance la radioactivité

Pour faire face à ces imprévus, les chercheurs du CEA ont dû innover. Ainsi est née la technologie « gamma caméra » qui permet de repérer, situer et quantifier les points chauds dans des zones inaccessibles, enjeu majeur pour établir le plan des opérations de démantèlement.

Cinq catégories de
déchets radioactifs
Il existe cinq grandes catégories de déchets radioactifs, en fonction de leur niveau de radioactivité et de leur durée de vie :

  • TFA, très faible activité (27 % du volume des déchets radioactifs produits en France) ;
  • FMA-VC, faible et moyenne activité à vie courte (63 % de ce volume) ;
  • FA–VL, faible activité à vie longue, (7 %) ;
  • MA-VL, moyenne activité à vie longue (3 %) ;
  • HA-VL, haute activité à vie longue, représentant 96 % de la radioactivité totale des déchets mais seulement 0,2 % de leur volume.

Un chantier de démantèlement génère très majoritairement des TFA. Par exemple, celui des INB du centre CEA de Grenoble a produit 96,1 % de TFA, 3,7 % de FA, 0,1 % de MA et 0,03 % de HA.

Son principe : amplifier l’émission des rayons gamma par les radioéléments sous la forme d’un signal électrique qui est détecté et transformé en image. Afin d’aboutir à une version industrielle compacte et sensible de cette caméra, le CEA a su exploiter toute son expertise, allant de la conception d’un détecteur jusqu’à l’utilisation experte d’un système final. Les ingénieurs de la Direction de l'énergie nucléaire du CEA ont également mis au point, en partenariat avec la société IVEA, une technologie d’analyse à distance de la matière : la Libs (Laser induced breakdown spectroscopy). Installé sur un drone ou manipulé par un opérateur, son dispositif focalise un faisceau laser par impulsion sur le matériau à analyser pour créer un plasma qui émet, en se refroidissant, un rayonnement lumineux caractéristique des éléments du matériau. Un système optique, couplé à un spectromètre, permet ensuite de collecter cette lumière, de l’analyser et de renseigner sur la composition élémentaire. Inédite, cette technologie a aussi été mise en œuvre à bord du rover Curiosity de la Nasa pour déterminer la composition du sol de Mars.


Choisir le scénario d'assainissement/démantèlement
le plus adapté grâce à la simulation
du chantier

Un chantier d’assainissement/démantèlement ne saurait toutefois commencer sans un minimum de préparation. Là, la modélisation et la simulation numérique sont essentielles, tant pour valider un scénario que pour entraîner ou former les opérateurs sur une intervention. En 2008, le CEA s’est doté à Marcoule d’une salle de réalité virtuelle, la « salle immersive », équipée d’un grand mur d’images simulant des opérations à l’échelle 1 pour qu’un utilisateur puisse répéter virtuellement l’ensemble des opérations qu’il aura à mettre en œuvre.

simulation intervention téléopérée
Simulation d’une intervention téléopérée sur une cellule blindée avec visualisation des points chauds, dans la salle immersive de Marcoule. © CEA

Par exemple, le CEA a été approché par la start-up Oreka Sud qui commercialise un simulateur 3D d’aide à la décision qui donne la vision globale d’un projet de démantèlement. « Le logiciel Demplus est capable d’établir techniquement plusieurs scénarios d’intervention et d’évaluer les principaux paramètres associés : bilan déchets, bilan dosimétrique, estimation du budget et planning. La Direction de l'énergie nucléaire du CEA nous a apporté son retour d’expérience pour pouvoir intégrer des données de terrain et avoir des simulations au plus près de la réalité », témoigne Luc Ardellier, directeur d’Oreka Sud. Quel avantage pour le CEA ? Avec cet outil, les réponses des industriels à ses propres appels d’offres pourront être standardisées et leur comparaison, de fait, plus facile pour choisir le dossier le plus adapté aux besoins.


Assainir et démanteler sans s’exposer

« Notre R&D se concentre également sur la décontamination radioactive des surfaces, des sols… avant leur démontage et destruction », souligne Frédéric Charton, responsable de projets de R&D. C’est ainsi que des procédés chimiques inédits ont vu le jour. Présentés sous forme de mousses ou de gels contenant des éléments actifs, ils sont injectés dans des zones complexes difficiles d’accès, comme des circuits de ventilation ou des cuves de stockage, pour y capturer les radioéléments et se liquéfier à leur contact. Les liquides sont ensuite récupérés pour être traités comme des effluents. On parle de mode d’élimination « par transfert » de la radioactivité. Dans la décontamination toujours, les chercheurs s’attellent aussi à concevoir des techniques mécaniques ou par laser. Par ailleurs, pour faciliter les opérations de démantèlement en milieux hostiles et protéger les intervenants, le CEA conçoit de nouveaux outils en optant pour la téléopération. Des systèmes robotisés « prolongent » la main de l’opérateur, comme le bras Maestro développé en partenariat avec la société Cybernétix et mis en service en 2015 au sein du chantier de l'Atelier pilote de Marcoule. À Saclay, les scientifiques ont également créé DELIA, plateforme pour développer des procédés de découpe laser immergée ou dans l’air. 

Bras esclave du système MAESTRO (cybernetix) avec tête de découpe laser © J.Vasquez/OTND
Bras esclave du système MAESTRO (cybernetix) avec tête de découpe laser © J.Vasquez/OTND


Des installations pour traiter les déchets
et effluents générés

Tous ces travaux génèrent des déchets, en plus de ceux issus des activités nucléaires passées du CEA. Là encore la R&D prend tout son sens pour minimiser leur volume et leur toxicité, optimiser leur traitement et conditionnement, comprendre et démontrer les mécanismes de comportement à long terme, tout en s’assurant que les colis finaux auront une filière de stockage à l’Andra. Des installations spécialement adaptées à la nature des déchets ont vu le jour comme, en 1978, l’atelier de vitrification dédié au traitement des solutions de produits de fission de haute activité de Marcoule (AVM), puis, avant sa fermeture fin 2012, à la vitrification des effluents de rinçage décontaminant de l’usine UP1. Sur le même site, depuis 1966, la Station de traitement des effluents liquides (STEL) permet notamment de bitumer des effluents de faible et moyenne activité issus des opérations de traitement de combustibles usés. Une contrainte toutefois avec cette matrice organique : sous l’effet des rayonnements, le bitume évolue par radiolyse et génère de l’hydrogène gazeux à l’entreposage. Des programmes de R&D sont ainsi en cours pour renforcer les démonstrations de maîtrise du comportement de tels colis, notamment en vue de leur futur stockage en milieu géologique en condition de sûreté maîtrisée. « La STEL devient aujourd’hui “STEMA” pour remplacer ce bitume par une matrice minérale, en ciment », explique Thierry Advocat, chef du programme Gestion des flux de déchets et matières à la Direction de l'énergie nucléaire. Des chercheurs du CEA ont déterminé la formule optimale de compatibilité physico-chimique entre le déchet et ce nouvel enrobage puis ont évalué le vieillissement du produit final. Pour les effluents organiques de faible activité, une autre technique a été développée pour les minéraliser : l’oxydation hydrothermale qui leur impose des conditions de température et de pression supercritiques pour que la « métamorphose » opère.

Quant aux déchets plus anciens, héritages du passé du CEA, il faut parfois les reconditionner. À Marcoule, cette opération a été entamée dans les années 2000, sur les 60 000 fûts de bitume anciens entreposés en fosse et casemates. A ce jour, 10 000 fûts ont déjà été reconditionnés et entreposés dans des entreposages intermédiaires polyvalents (IEP). Objectif : les caractériser pour connaître leur nature et la quantité de matière fissile qu’ils contiennent, puis les catégoriser pour qu’ils soient acceptés par l’Andra en vue de leur expédition et stockage dans Cigéo. Pour ce faire, le CEA a recours aux mêmes dispositifs d’analyses non destructives que ceux utilisés pour la cartographie radiologique d’un chantier, et d’analyses destructives, comme les techniques de mesures nucléaires des émetteurs bêta à vie longue.