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Etudes de comportements



Analogues naturels et gels protecteurs

Etudes de comportements
Etudes au laboratoire de comportement à long terme des colis de déchets menées sur la chaîne blindée de l’installation ATALANTE à Marcoule.
CEA/P.Stroppa

Le confinement à long terme des atomes radioactifs contenus dans les colis est essentiellement assuré par la résistance des matrices de confinement à leurs deux principaux ennemis : l’eau et l’irradiation des rayonnements produits en leur sein. Les recherches ont permis d'établir des modèles de relâchement des radioéléments pour chaque matrice de confinement dans des situations variées.

Ces modèles ne prétendent pas prévoir précisément le comportement des colis sur des durées extrêmement longues, pouvant atteindre le million d’années. Ne pouvant pas reproduire toute la complexité des phénomènes mis en jeu sur ces temps très longs, ils cherchent néanmoins à fournir une estimation raisonnable du risque maximal en fonction de l'état des connaissances. Ainsi, ils majorent les quantités de radioéléments relâchées ou minorent les durées de vie des confinement.

Ces estimations dépendent des conditions dans lesquelles l'altération a lieu, en particulier pour la matrice verre. Le cas extrême est celui qui peut survenir en fin de stockage après dégradation des différentes barrières de confinement, quand le conteneur ayant perdu ses capacités de confinement, le colis est mis en contact avec l’eau et par son intermédiaire avec le milieu environnant.

Verre archéologique
L’étude de verres archéologiques ayant séjourné près de 2000 ans dans la mer, depuis l’époque romaine, renseigne sur l’influence de la fracturation des verres. Non seulement l’existence de ces verres démontre qu’un bloc de verre nucléaire est capable de résister des millénaires au renouvellement permanent et agressif de l’eau de mer, mais également que les fissures qui se produiraient peuvent se colmater au cours du temps.
CEA/DCom

Pour les déchets vitrifiés, le dégagement de chaleur et l’auto-irradiation n’induisent pas sur le long terme de relâchements notables de radioéléments tant que les conditions de stockage ne sont pas dégradées, et quand elles sont dégradées en l’absence d’eau . Les principaux phénomènes qui peuvent affecter de façon significative le comportement à long terme se rencontrent uniquement en système "ouvert" saturé en eau.

Les recherches menées sur des verres naturels analogues des verres nucléaires contribuent à valider les modèles d’évolution à long terme. Le scientifique connaît alors le résultat de l’évolution du matériau sur de très longues périodes (quelques milliers d’années à quelques millions d’années). Il peut ainsi vérifier si ses modèles concordent avec cette évolution et avec les connaissances acquises au laboratoire.

Dommages dus au recul d’un noyau
Au moment de la désintégration d’un atome, le noyau qui recule et les rayons émis héritent de l’énergie libérée, considérable à l’échelle atomique. Ils perdent cette énergie sous forme de chaleur, bousculant les atomes du milieu où ils se trouvent sur quelques centaines de microns. La figure montre une cascade de collisions initiée par un noyau de recul de 70 keV. Les points correspondent à l’ensemble des atomes d’oxygènes déplacés. Les échelles sont exprimées en angstrœms (dix millièmes de microns ou dix millionièmes de millimètres).
Clefs CEA N°53

En présence d’eau, le verre s’altère mais cette altération conduit à la formation d’une fine couche de matériau amorphe : un gel. Ce phénomène est systématiquement observé avec les verres nucléaires. Majoritairement composé de silice, le gel forme une barrière entre le verre sain et la solution, ralentissant ainsi fortement la poursuite de l’altération. L’évolution du gel a été étudiée au laboratoire. On a pu démontrer que dans les conditions confinées d’un stockage, il est possible non seulement de garantir la pérennité du gel mais aussi de prédire le renforcement de son pouvoir protecteur au cours du temps. Pour le verre borosilicaté R7T7, il faudrait 1000 ans pour altérer le verre sur une épaisseur d’un micron .

Le comportement à long terme des verres nucléaires, qui constituent la matrice éprouvée des colis des déchets de haute activité, a fait l'objet de nombreux travaux depuis 40 ans. Au total, la modélisation du relâchement des radioéléments des colis de déchets industriels a beaucoup progressé mais repose sur des modèles dont les paramètres doivent cependant encore être affinés.