Introduction
In terms of radioactive waste, a successful dismantling is a dismantling for which an overall optimization of the management of radioactive waste has been sought, from their production to their storage through their characterization, processing, packaging and transport. The optimization approach consists of simultaneously seeking to minimize exposure to ionizing radiation, minimize costs, limit waste generation and make the best use of waste disposal centers. The stakes are significant: it is estimated that, between 2016 and 2030, 700,000 m 3Radioactive waste will be delivered to the Cires (Industrial Storage and Storage Consolidation Center), the bulk of which will come from the dismantling of nuclear facilities (Figure 1). These are mainly low and medium-level short-lived (FMAVC) and very low-level (TFA) wastes
Andra (National Agency for the Management of Radioactive Waste), created in 1991, is responsible for the long-term management of radioactive waste produced in France and in particular the creation and operation of storage centers.
Because the conditions for handling this waste condition the steps upstream of the storage and vice versa (the specificity of certain waste products can induce changes in the storage methods), Andra is an actress of the dismantling. It must coordinate its actions with those of all the other actors: nuclear operators responsible for the future of their facilities, operators working on the sites, industrialists with waste treatment tools and carriers.
Figure 1: Evolution of the volume of TFA waste since 2003 and forecast at the end of the dismantling of the current fleet Source: Andra.
Guarantee the outlets
Andra’s role is first of all to put in place the necessary storage solutions and in particular those which are to be developed:
– CIGEO deep geological disposal (500 meters) for high-level waste and long-lived intermediate level waste (LLMA). The volumes of LLHW waste that will be produced by decommissioning are quite small (a few thousand m 3 ). These are essentially the most active parts of the reactors (tank or internal elements of the tanks) or the waste produced by fuel cycle facilities, including research laboratories, which are highly concentrated in long-lived radionuclides (in particular actinides, including plutonium).
– storage for long-lived low-level waste (LLWF), which will allow in particular the handling of graphite waste produced by the dismantling of the UNGG (natural uranium graphite gas) reactors: these are first French power generating reactors. This particular graphite waste has the particularity of containing chlorine 36, radioelement beta long life (300 000 years period). The planned concept consists of a shallow storage (approximately 30 meters) in a clay layer whose properties must guarantee radionuclide confinement. Such storage will also allow the management of waste from the remediation of former radioactive sites, but not nuclear (for example the radium industry, essentially before the Second World War).
The Cigéo project is currently in the design phase. If it is authorized, its construction should begin by 2021 for start-up by a pilot industrial phase in 2025. Concerning the waste storage project dedicated to FAVL waste, Andra submitted in summer 2015 to the Ministry in charge of energy and ASN, a progress report on the project presenting the scientific advances
et techniques et identifiant les sujets à approfondir dans la suite du programme d’études et de recherches.
Pour les stockages déjà opérationnels, deux grandes filières concentrent plus de 90 % des déchets de démantèlement à produire :
– les déchets de faible et moyenne activité à vie courte (FMAVC) dont le stockage est opérationnel au centre de stockage de l’Aube (CSA), depuis 1994. La production prévue par les démantèlements devrait être de 200 000 m3 à l’horizon 2030. Sa capacité d’un million de mètres cubes de colis de déchets devrait être atteinte à l’horizon 2060. Moyennant des efforts de densification, ce centre pourra absorber l’ensemble des déchets produits par le fonctionnement et le démantèlement des installations nucléaires existantes ou dont la création est autorisée. Une attention particulière sera cependant portée sur le contenu des déchets en radioéléments à vie longue dont les quantités sont limitées au CSA. C’est en particulier le cas pour le chlore 36.
– les déchets de très faible activité (TFA) sont stockés depuis 2003 au Cires (Centre industriel de regroupement d’entreposage et de stockage) à proximité du CSA.
Cette filière TFA est souvent considérée comme spécifique à la France. En effet la réglementation française interdit la définition de seuils de libération, c’est-à-dire un niveau de radioactivité (en Bq/g) en dessous duquel le déchet peut être considéré comme « non radioactif ». Ce seuil, appliqué dans les autres pays, est en général de l’ordre de 1 Bq/g. Par conséquent, en France, un déchet est classé radioactif en fonction de la zone d’origine (classée zone à déchets nucléaires), ceci pour limiter tout risque de sortie d’un déchet présentant des risques de contamination, de l’industrie nucléaire. Cette règle a pour contrepartie l’orientation dans la filière TFA, de déchets qui ne présentent pas de traces mesurables de contamination. On estime que cela concerne 30 à 50 % des volumes TFA.
Des dérogations à cette règle sont théoriquement possibles, mais n’ont jamais été appliquées jusqu’à présent. Dans les années à venir, une telle dérogation pourrait être demandée pour les aciers issus du démantèlement de l’usine d’enrichissement Eurodif, si le processus de décontamination est suffisant (voir plus loin).
L’enjeu principal de la filière TFA concerne les volumes, car les niveaux de radioactivité reçue sont en général bien plus faibles que les niveaux autorisés au Cires. La capacité autorisée y est de 650 000 m3 sur lesquels 300 000 m3 étaient déjà stockés fin 2015. Compte tenu des flux de déchets prévus par les démantèlements dans les prochaines années (de 20 000 à 35 000 m3/an), ceci devrait conduire à une saturation de la capacité réglementaire à l’horizon 2025. L’optimisation technique des alvéoles de stockage (figures 2 et 3) pourrait repousser cette saturation au-delà de 2030, sous réserve d’une autorisation administrative. Ainsi le volume de chaque alvéole de stockage (environ 30 000 m3 par alvéole) a pu progressivement être augmenté, pour une emprise surfacique équivalente (profondeur, longueur, hauteur augmentées). Il sera ensuite nécessaire de créer une nouvelle installation de stockage après 2030. Cette installation sera en bonne partie dédiée au démantèlement du parc de réacteurs EDF, actuellement en fonctionnement. On estime que le démantèlement de chaque réacteur devrait produire environ 10 000 m3 de déchets TFA. En fonction des optimisations possibles en amont du stockage, la capacité nécessaire pour ce nouveau centre se situera entre 600 000 et 1 200 000 m3.
Les principales options à étudier pour réduire les capacités volumiques TFA nécessaires sont :
– la densification. Des presses à compacter sont actuellement utilisées, mais leur puissance reste modeste. Des investissements plus lourds pourraient être envisagés, à condition d’obtenir des densités finales élevées. Pour les métaux, la fusion permettrait des gains substantiels (un facteur 5), mais les investissements sont élevés. Enfin, l’incinération réduirait les volumes ultimes d’un facteur 10, mais les coûts actuels de l’unique incinérateur français (Centraco) ne sont pas compétitifs par rapport au stockage direct des déchets TFA.
– la valorisation. Ce point est décrit dans un chapitre ultérieur.
– la réduction à la source. Des évolutions du zonage au cours de la vie de l’installation nucléaire permettraient d’éviter de « surclasser » des déchets conventionnels en déchets TFA. Des procédures plus souples sont envisagées, permettant de telles évolutions.
– la mise en place de stockages « alternatifs ». Pour de grandes quantités et pour des niveaux d’activité minimaux (au niveau de la radioactivité naturelle), des stockages analogues aux installations de stockage de déchets conventionnels pourraient être économiquement intéressants. L’intérêt économique pourrait être renforcé si ce (ou ces) stockages pouvaient se situer à proximité de sites de démantèlement si les conditions géologiques étaient favorables.
Adapter les conditions de prise en charge aux déchets de démantèlement
La prise en charge des colis de déchets a été développée pour des déchets issus du fonctionnement courant des installations nucléaires qui présentent un caractère répétitif. Ainsi des colisages standards ont-ils été développés et sont compatibles avec le fonctionnement quotidien de nombreuses installations nucléaires. Ce n’est pas le cas des déchets de démantèlement pour lesquels des solutions « sur mesure » devraient pouvoir être développées. Une expérimentation est menée avec le CEA pour le démantèlement de Marcoule, qui pourra bénéficier ensuite aux autres chantiers.
Un enjeu majeur consiste à exploiter la flexibilité des centres de stockage pour simplifier les opérations de démontage et de découpe sur les chantiers de démantèlement et ainsi réduire les doses radioactives, les coûts et les délais. Ainsi, le CSA a pu prendre en charge des colis dits « hors normes », comme les protections neutroniques latérales du réacteur Superphénix. Il faut noter qu’un ouvrage spécifique a été construit, pour stocker les couvercles de cuve des réacteurs EDF (figure 4), qui ont fait l’objet d’un remplacement à partir des années 2000. Dix années d’instruction ont été nécessaires pour lancer ces opérations (instruction du dossier, gestion de la logistique, construction de l’ouvrage dédié). Le 55e et dernier couvercle de cuve prévu a ainsi été stocké en novembre 2015. Plus couramment des pièces de quelques m3 sont stockées directement, dès lors que les contaminations résiduelles sont « fixées ».
Au Cires, l’Andra a accueilli et stocké dans des conditions spécifiquement adaptées les quatre générateurs de vapeur du réacteur de Chooz A. Ces composants, d’un volume de 100 m3 et de 100 t environ chacun, ont été stockés dans une alvéole, sur une dalle spécialement aménagée. Ils ont ensuite été injectés par un liant hydraulique, afin d’assurer la stabilité mécanique dans le temps des alvéoles TFA (figure 5).
Par la suite, une alvéole spéciale dotée de moyens de manutention lourds sera mise en service au Cires en 2017 pour faciliter la prise en charge de tels déchets.
D’autres pistes d’optimisation seront explorées, en particulier concernant la filière TFA. L’utilisation de « big bags » de grande contenance, supérieure à celle des colis actuellement utilisés au Cires, pourra, par exemple, être envisagée pour la prise en charge de terres contaminées.
Le stockage direct, sans colisage de grandes quantités de matériaux TFA, est également envisagé. Outre la simplification de la logistique (transport direct en bennes de grands volumes), une telle pratique pourrait limiter les vides et donc optimiser les volumes de stockage. Cependant ce type de stockage ne pourra convenir qu’aux déchets dont l’activité radiologique est très faible, voire indécelable et avec une homogénéité garantie. En effet, l’intérêt économique du Cires repose sur la simplicité de son concept, proche de ce qui est fait pour les installations de stockage des déchets conventionnels. Un stockage « direct » sans colisage ne doit pas induire de contraintes de radioprotection qui rendraient les opérations coûteuses.
Valoriser les déchets radioactifs
Pour utiliser au mieux les ressources rares que constituent les centres de stockage, les possibilités de valorisation des déchets ont fait l’objet d’études dans le cadre du plan national de gestion des matières et déchets radioactifs avec les autorités et les producteurs de déchets.
40 % des déchets produits par les démantèlements seront des déchets métalliques, ce qui en fait le principal gisement à étudier avec plus de 700 000 t produites d’ici à la fin des démantèlements. Alors que ces déchets sont facilement recyclables dans l’industrie conventionnelle, cela a été très rarement fait dans l’industrie nucléaire (quelques centaines de tonnes, principalement dans l’installation de traitement Centraco, à Marcoule). En effet les débouchés sont à identifier prioritairement dans l’industrie nucléaire, où les besoins sont limités.
Des colis en fonte en métal recyclé en remplacement de colis en béton ont ainsi fait l’objet d’études. Mais l’équilibre économique d’une fonderie est difficile à atteindre en comparaison avec le coût du stockage au Cires (autour de 500 euros/m3), et ceci malgré la compensation par la réduction du volume stocké au CSA (l’utilisation de métal au lieu du béton, permet de « concentrer » l’activité, donc les volumes). De plus cette substitution nécessite des aménagements lourds dans les installations qui produisent les colis. Les études se poursuivent, tant pour les colis destinés au CSA que pour des colis destinés au stockage géologique. Une option intéressante pourrait venir du démantèlement des générateurs de vapeur EDF (100 000 tonnes de métal sur 30 ans), qui pourrait permettre de produire des colis, sur 25 ans environ.
Des débouchés hors industrie nucléaire devront être envisagés, si l’on veut pouvoir recycler une part plus importante de ces déchets métalliques. Toutefois ces déchets devront être à des niveaux d’activité résiduelle similaires aux niveaux naturels.
On estime ainsi que plus de 10 000 t de déchets métalliques TFA provenant des chantiers de démantèlement pourraient être réutilisées annuellement sans contrainte radiologique (plus d’un tiers du tonnage reçu) moyennant un traitement et/ou un contrôle adapté.
C’est notamment le cas pour le démantèlement de l’installation d’enrichissement par diffusion gazeuse Eurodif (usine Georges Besse), arrêtée depuis 2010. Son démantèlement devrait produire 150 000 t d’acier, entre 2025 et 2035 avec une contamination résiduelle à l’uranium autour de 10 Bq /g. Si ces niveaux apparaissent trop élevés pour une réutilisation directe, une opération de fusion devrait permettre d’extraire l’essentiel de l’uranium. Des tests sont d’ores et déjà planifiés afin de mieux qualifier le potentiel de décontamination.
Par la suite, des dérogations devront être obtenues pour permettre de réutiliser ces matériaux dans le domaine non nucléaire.
Le deuxième principal gisement de déchets concerne les matériaux de construction cimentaires, autrement dit les gravats qui seront principalement produits par la destruction des bâtiments. Les volumes sont estimés supérieurs à 500 000 t. Ces volumes sont en bonne partie liés à l’état radiologique final des sites nucléaires
A ce jour, seule une réutilisation en ouvrage de stockage TFA fait l’objet d’études. On estime ainsi que 2 000 t par an de bétons TFA pourraient, après concassage, remplacer une partie du sable utilisé pour remplir les vides dans les alvéoles du Cires. Elles permettraient d’augmenter la quantité de déchets stockés dans les alvéoles. Cela est particulièrement vrai pour le remplissage des vides intérieurs aux colis puisque les volumes de matériaux de comblement consommeraient une capacité nulle de volume d’alvéole.
A plus long terme, il devrait être possible de réutiliser ces matériaux cimentaires comme matière de base pour de nouveaux matériaux cimentaires, en particulier pour l’injection de colis de déchets radioactifs ou la construction d’ouvrages de stockage.
Une autre option pour gérer ces matériaux cimentaire pourra également être une réutilisation dans un domaine non nucléaire, par exemple pour des travaux routiers. Comme pour les métaux, un tel projet supposera l’obtention de dérogations, basées en particulier sur la garantie d’absence d’impact. Ceci suppose l’identification de grands gisements (> 100 000 t), homogènes, permettant la mise en place de processus industriels de décontamination et/ou de contrôle. A ce jour de tels gisements ne sont pas identifiés.
Sécuriser les scénarios de démantèlement en renforçant les synergies
Les scénarios de démantèlement, et donc les options de gestion des déchets, se préparent bien avant le début des opérations sur le terrain. Ils débouchent sur des investissements dans des outils de traitement et de conditionnement ; ils structurent des marchés entre exploitants nucléaires et opérateurs. Ces investissements et ces marchés doivent être sécurisés en stabilisant autant que possible les conditions de prise en charge des déchets en stockage ou, à défaut, en anticipant les éventuelles évolutions pour identifier les dispositions permettant de s’y adapter.
Dans le domaine du stockage comme pour les opérations de démantèlement de terrain, les études doivent démarrer dès le début des projets de démantèlement. Si les spécifications d’acceptation dans les centres de stockage actuels peuvent constituer une base pour élaborer un projet de démantèlement, il est essentiel de conserver à l’esprit que de nouvelles options peuvent être mises en œuvre.
L’Andra a ainsi étudié l’intérêt de créer un stockage sur un site de démantèlement, ceci afin de limiter les transports, voire les colisages. A ce stade les conclusions ont montré que de telles solutions ne sont viables que pour de très grands volumes et si les conditions géologiques ne sont pas défavorables. De telles études ont le mérite d’ouvrir le champ du possible.
D’une façon générale, pour faire face aux grands volumes de déchets TFA, le plan national de gestion des déchets et matières radioactives a recommandé d’investiguer un certain nombre de solutions nouvelles et en particulier :
– la création d’une filière dédiée aux déchets classés TFA dont l’activité est au niveau de la radioactivité naturelle. De tels centres seraient similaires aux centres de stockage des déchets non radioactifs, et permettraient de simplifier encore le stockage, donc de réduire les coûts.
– l’analyse technico-économique de différentes options de densification (mécanique, thermique).
Ceci nécessite une implication commune des différents acteurs (opérateurs, entreprises de démantèlement, logistique, stockage) sur les principaux chantiers de démantèlements.
Bien se comprendre pour mieux travailler ensemble est l’une des clés d’une meilleure collaboration tout au long du processus de démantèlement. Vis-à-vis du stockage, l’Andra a mis en place une offre de formation pour sensibiliser ceux qui ont à conditionner les déchets aux enjeux de sûreté traduits dans les spécifications d’acceptation des déchets en stockage. Elle vise notamment à assurer la qualité des colis produits par les chantiers.
Aussi la réalité des chantiers montre-t-elle que, malgré le travail de préparation, des déchets imprévus peuvent apparaître au fil des travaux, perturber l’organisation et augmenter les coûts. Il faut alors être capable de réagir rapidement pour traiter ces déchets et les orienter vers l’exutoire pertinent.
Stimuler l’innovation
Le démantèlement est devenu une activité amenée à se développer dans les décennies à venir, même si les plannings des grands chantiers ont tendance à être décalés dans le temps. Sa seule source de financement provient des provisions constituées pendant le fonctionnement des installations. L’optimisation de l’utilisation de ces fonds est cruciale. L’innovation doit préparer l’avenir.
Pour accompagner les efforts de R&D de l’ensemble des acteurs du démantèlement, l’Andra a sollicité la communauté académique et le tissu des PME françaises pour lancer des projets fortement collaboratifs. Monté en coordination avec l’Agence nationale pour la recherche, l’appel à projets vise à transposer à la gestion des déchets radioactifs certaines technologies ou savoir-faire existant ou en développement dans d’autres domaines d’application. Il porte sur quatre thématiques :
– la caractérisation des déchets ;
– les méthodes de traitement des déchets ;
– les matériaux innovants pour le stockage ;
– et un volet de sciences humaines et sociales sur l’innovation et la société.
Une première série de projets a été sélectionnée en août 2015. Certains projets sélectionnés revêtent un caractère industriel (chantier de démantèlement Eurodif, future gestion des déchets d’ITER). D’autres plus fondamentaux constituent des développements à plus long terme. Le montant total de financement de cette phase est de l’ordre de 20 M€. Fin 2015 a été lancée une deuxième phase de sélection de projets.
Les auteurs
Michel Dutzer est adjoint du directeur du développement, de l’innovation et de l’international. A ce titre, il est responsable de la gestion des filières opérationnelles de prise en charge des déchets radioactifs en France. Il été directeur du Centre de stockage dans l’Aube de 1994 à 1997.
Frédéric Legée est adjoint au directeur Industriel de l’Andra. Il est en particulier en charge des études et évaluations de nouveaux procédés de traitement. Il a également travaillé au CEA, dans les installations nucléaires en démantèlement, et pour la gestion des déchets radioactifs.
*Cet article est issu d’un article publié dans la Revue de l’Electricité et de l’Electronique (REE) en janvier 2016.
