Technical Report NTB 93-47

Grimsel Test Site
Developments in Hydrotesting, Fluid Logging and Combined Salt/Heat Tracer Experiments in the BK Site (Phase III)

Résumé

Ce rapport présente les travaux scientifiques qui ont été réalisés dans le cadre de la phase 3 du projet d'essais dans un faisceau de forages (BK) de janvier 1991 à décembre 1993 sous mandat de la Nagra. Ces travaux font partie d'un programme de recherche commun avec la BGR («Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe», Hanovre) ayant pour objectif la mise au point de nouvelles méthodes et concepts pour la caractérisation des phénomènes de circulation d'eau dans des formations rocheuses diaclasées. Un autre point capital consistait à modéliser la circulation de l'eau dans des diaclases.

Des essais classiques de diagraphie de température et de conductivité ont été utilisés avec succès dans le passé par la Nagra dans des forages verticaux. Le projet partiel BK-diagraphies dans des forages inclinés a montré que ce procédé n'était pas applicable aux forages obliques, ou alors seulement de façon limitée. De nouvelles méthodes ont par conséquent été développées, dans lesquelles les sondes de mesure sont installées de manière fixe dans les forages avant le début des essais (diagraphies avec sondes fixes). Des essais pilotes ont confirmé, en principe, la validité de cette méthode pour des forages obliques également.

Des essais hydrauliques d'interférence entre plusieurs forages (crosshole) représentent la méthode d'exploration la plus fréquemment utilisée dans les aquifères diaclasés. Une méthode à source multiple, le multiple source crosshole test (MSCT), a été développée dans le cadre du projet BK avec pour objectif de permettre l'obtention d'une meilleure résolution spatiale de la structure de réseaux de diaclases. La méthode consiste à réaliser un grand nombre de courts essais de type crosshole en divers points du réseau de diaclases. Pour l'interprétation du MSCT, on a mis au point une méthode d'analyse spectrale par laquelle les essais hydrauliques entre forages peuvent être évalués pour des débits variables à l'aide d'abaques. Par une expérience synthétique on a de plus montré une marche à suivre possible par laquelle des structures simples de diaclases peuvent être caractérisées de façon déterministe sur la base de l'évaluation spectrale d'essais hydrauliques.

Lors des essais de traçage par sel/chaleur (SHT), la caractérisation des conditions de transport dans le système de diaclases était l'objectif premier. Des essais de traçage par dipôles (couple injection-soutirage) avec des champs d'écoulement complémentaires (par ex. par inversion du dipôle) ou avec des traceurs complémentaires (NaCI et chaleur) constituaient le cœur du concept des essais, afin de permettre une description plus complète des phénomènes de transport compliqués dans un réseau de diaclases. Il fallait notamment examiner si en raison des comportements de transport différents du sel (advectif-dispersif) et de la chaleur (diffusif dominant) on pouvait tirer des informations concernant la structure des espaces poreux dans le système de diaclases. La modélisation des essais de terrain montre de façon remarquable la sensibilité, et par là également la sélectivité, d'un tel concept d'investigation en ce qui concerne les différentes hypothèses relatives à la structure des diaclases.

Les données géologiques structurales et les résultats des essais hydrogéologiques des phases antérieures du projet BK ont été synthétisés dans un modèle hydrodynamique conceptuel du système de diaclases BK. Ceci a été fait à l'aide d'une visualisation 3D par ordinateur des données structurales et hydrogéologiques. On a dans ce but développé, à partir d'un logiciel graphique du commerce, une application permettant une interprétation tenant compte des critères spécifiques de structures géologiques/hydrogéologiques (par ex. corrélation spatiale de la pétrographie, de données structurales, de résultats de diagraphies, etc.). Le modèle conceptuel résultant a finalement servi de base à un modèle numérique de simulation de la circulation dans les diaclases pour le système de diaclases BK. Le but essentiel de ces travaux n'était pas la modélisation des conditions d'écoulement sur le site étudié, mais le développement de méthodes de modélisation inverse à partir de la modélisation d'une zone discrète de diaclases.

Au cours de la phase 3 du projet BK on a acquis, en plus des développements méthodologiques, des éléments importants pour la caractérisation hydrogéologique du site d'étude. On a pu montrer par exemple que les deux lamprophyres situés au nord et au sud du système de diaclases BK découplent presque entièrement hydrauliquement des sites d'essais voisins. Le système hydraulique du faisceau de forages BK est donc limité et possède une surface libre contrôlée par le drainage dans les galeries et les apports latéraux. Seule une très petite partie des diaclases inventoriées sur les carottes est hydrauliquement active. Les essais hydrauliques ont montré que le rôle des diaclases dans les zones soi-disontes S a été sous-estimé dans le passé. Le modèle développé a permis de réaliser des modélisations inverses d'un essai hydraulique de type crosshole. Malgré la structure relativement simple du modèle choisi en raison du temps limité disponible, la correspondance avec les données observées est étonnamment bonne. Une étude de sensibilité a finalement montré de quelle façon le modèle structural utilisé pouvait être amélioré dans le cadre de futures modélisations.

Technical Report NTB 93-46

Cellular Automaton Model of Mass Transport with Chemical Reactions

Résumé

Le transport et les réactions chimiques d'espèces en solution sont modélisés en termes d'automate cellulaire. Dans ce modèle les molécules des diverses espèces accomplissent un mouvement aléatoire sur un réseau régulier et réagissent selon une loi probabiliste locale. Le modèle décrit l'advection et la diffusion d'une façon simple. Le fait que le nombre de particules en chaque site de réseau n'est pas limité permet de décrire une grande variété de réactions chimiques. Sous les hypothèses du chaos moléculaire et de régularité de la densité, on obtient, dans la limite du continu, les équations de transport-réaction standards. Des simulations sur réseaux uni- ou bidimensionels montrent que ce modèle discrétisé peut être employé pour approximer les solutions des équations dans le continu. Le rôle des corrélations entre molécules et leur décroissance dans la limite continue sont discutés. Particulièrement intéressantes sont les simulations qui montrent un comportement à long temps dépendant des fluctuations statistiques à grandes longueurs d'ondes. Ces fluctuations ne sont pas considérées par les équations standards. Le modèle est appliqué aux réactions a + b ⇄ c et a + b → c avec des conditions initiales homogènes et inhomogènes, ainsi qu'à des systèmes sièges de réactions autocatalytiques conduisant à la formation spontanée de motifs spatiaux de concentration.

Technical Report NTB 93-45

Modelling Bentonite Pore Waters for the Swiss High-level Radioactive Waste Repository

Résumé

Das Hauptziel dieser Arbeit ist ein Beitrag zur Festlegung von repräsentativen Bentonitporen-wasserzusammensetzungen im Nahfeld des schweizerischen Endlagers für hochaktive Abfälle. Solche Zusammensetzungen sind nötig für die Berechnung von Radionuklidlöslichkeiten in der Sicherheitsanalyse KRISTALLIN I.

Bis heute existiert kein eindeutiges, thermodynamisches Modell, welches das Löslichkeitsverhalten von Bentoniten befriedigend beschreiben kann. Es ist sogar zweifelhaft, ob der Begriff thermodynamisches Gleichgewicht auf komplexe Tonmineralien (in diesem Falle Montmorillonit) angewandt werden darf. Das im vorliegenden Bericht entwickelte Modell geht davon aus, dass die Porenwasserzusammensetzung im Wesentlichen durch die im Bentonit enthaltenen, reaktionsfreudigen Begleitmineralien und durch den Kationenaustausch am Bentonit bestimmt wird. Diese Annahme ist durch experimentelle Daten belegt. Obwohl der Anteil an Begleitmineralien sehr klein ist (weniger als 5 % v/v), können diese aufgrund des sehr niedrigen Wasser / Feststoffverhältnisses einen grossen Einfluss auf das Porenwasser ausüben (die Sättigung kann schnell erreicht werden).

Ionenaustauschkonstanten für Na-K, Na-Ca und Ca-Mg wurden aus Wasser – Bentonit-Wechselwirkungsexperimenten, die für die Nagra vom British Geological Survey (BGS) durchgeführt wurden, abgeleitet. Diese stimmen sehr gut mit bekannten Literaturwerten überein. In einem zweiten Schritt wurden mit Hilfe von Speziationsrechnungen verschiedene Aktivitätskorrelationsdiagramme erstellt, aus denen empirische Löslichkeitskonstanten extrahiert werden konnten. Diese Konstanten beziehen sich auf Modellfestkörper, deren Stöchiometrien anhand geochemischer Kriterien festgelegt wurden. Es wird aber auch gezeigt, dass verschiedene Sätze von Modellfestkörpern zu identischen Schlussresultaten führen können.

Ein wichtiger Parameter für die spätere Voraussage von Radionuklidlöslichkeiten ist das Oxidationspotential des Bentonitwassers. Da die Experimente keine Auskunft darüber geben, wird das Oxidationspotenzial unter den zu erwartenden Endlagerbedingungen anhand von Modellannahmen abgeschätzt. Es wird postuliert, dass dieses durch Fe²⁺ / Fe³⁺ Festphasen (aus dem Bentonit oder aus anderen Endlagerkomponenten) im Gleichgewicht fixiert wird. Insbesondere wird angenommen, dass Magnetit als stabiles Korrosionsprodukt des Stahlkanisters im Überschuss vorhanden ist, und dass dieser mit dem im Bentonit enthaltenen Goethit oder Hämatit im Gleichgewicht steht. Daraus, und auch wegen der Unsicherheit der thermodynamischen Daten, ergibt sich eine Spanne im Eh-Wert zwischen -400 und +100 mV. Allfällige Einflüsse auf das Oxidationspotential als Folge der Auflösung von dreiwertigem Eisen aus Montmorillonit (dem grössten Eisenreservoir im Bentonit) mussten mangels vertrauenswürdiger Gleichgewichtskonstanten vernachlässigt werden.

Bentonitporenwässer wurden mit Hilfe des Programms MINEQL definiert. Die Reaktion zwischen einem Na-Bentonit (MX-80) und jeweils einem Referenzwasser für das Kristallin der Nordschweiz wurde simuliert, indem die oben erwähnten Austausch- und Löslichkeitskonstanten gleichzeitig angewandt wurden. Die Resultate zeigen, dass die Ionenstärke der resultierenden Porenwässer nicht wesentlich von derjenigen der Anfangslösung abweicht. Diese Beobachtung wird zwanglos durch die Abwesenheit löslicher Anione (CI^-, SO₄^2-) in den Modellfestkörpern erklärt. Das einzige Mineral, das Anionen in bedeutenden Mengen freisetzt, ist Calcit. Dessen Auflösung hat aber einen begrenzten Einfluss auf die Ionenstärke.

Die Bentonitporenwässer wurden im geschlossenen System modelliert, d.h. unter der Annahme, dass der Bentonit, nach Reaktion mit einem fixierten Volumen zugeführter Lösung, keine weitere chemische Spezies mit einem externen Reservoir austauschen kann. Es wurde nicht versucht, die Entwicklung des Porenwassers durch Simulation diffusiver Austauschprozesse zu modellieren.

Es wird vorausgesagt, dass Unsicherheiten in den Konzentrationen gewisser Hauptelemente (z.B. Al, Si) keinen nennenswerten Einfluss auf die zu berechnenden Radionuklidlöslichkeiten haben werden. Diese werden vor allem von den Konzentrationen einzelner Hauptliganden abhängen (OH^-, Cl^-, und CO₃^2-) und, für multivalente Elemente, auch vom Oxidationspotential der Lösung. Da die Karbonat- und Chloridkonzentrationen mit genügender Sicherheit vorausgesagt werden können, ist es empfehlenswert, allfällige zukünftige Untersuchungen auf die Bestimmung der pH-Eh Verhältnisse in Nahfeldporenwässern zu richten.

Technical Report NTB 93-43

Stripa Project 1980 – 1992
Overview Volume III
Engineered Barriers

Résumé

The International Stripa Project was a cooperative research and development project among several member countries of the Nuclear Energy Agency of the Organization for Economic Cooperation and Development. The project, which started in 1980 and ended in 1992, was conducted under the auspices of the Nuclear Energy Agency. The project was managed by the Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company (SKB) under the direction of a Joint Technical Committee (JTC) composed of representatives from participating countries.

The scientific and technical objectives of the project were to investigate several aspects of technology concerned with the feasibility and safety of disposal of long-lived, heat-generating radioactive waste at depth in granitic rocks. In particular, the Stripa Project addressed:

• the development of instruments and procedures to characterize candidate repository sites;
• the understanding and modelling of groundwater flow and solute transport in fractured crystalline rock; and
• the design of engineered barriers capable of contributing to waste isolation by restricting groundwater flow in proximity to the waste con­tainers and in the surrounding host rock.

Because the activities and the results of the Stripa Project have been reported in more than 170 technical reports, the JTC has decided that the final action of the project should be the publication of an overview report that would convey, in relatively concise form, the body of information produced by the project.

The overview report has been subdivided into three volumes:

I. Executive Summary

II. Natural Barriers

III. Engineered Barriers

The Executive Summary summarizes the contents of the other two volumes with the addition of some general considerations about the Stripa Project. The authors of the Executive Summary are the five members of the Overview Reporting Group, that was established by the JTC for the purpose of producing the overview report. The Overview Reporting Group consisted of the two authors of volumes II and III, Paul Gnirk and Malcolm Gray, respectively, and two outside reviewers, Charles Fairhurst and Ferruccio Gera. The Project manager, Bengt Stillborg, acted as coordinator.

Conclusions

Technical Report NTB 93-42

Stripa Project 1980 – 1992
Overview Volume II
Natural Barriers

Résumé

The International Stripa Project was a cooperative research and development project among several member countries of the Nuclear Energy Agency of the Organization for Economic Cooperation and Development. The project, which started in 1980 and ended in 1992, was conducted under the auspices of the Nuclear Energy Agency. The project was managed by the Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company (SKB) under the direction of a Joint Technical Committee (JTC) composed of representatives from participating countries.

The scientific and technical objectives of the project were to investigate several aspects of technology concerned with the feasibility and safety of disposal of long-lived, heat-generating radioactive waste at depth in granitic rocks. In particular, the Stripa Project addressed:

Because the activities and the results of the Stripa Project have been reported in more than 170 technical reports, the JTC has decided that the final action of the project should be the publication of an overview report that would convey, in relatively concise form, the body of information produced by the project.

The overview report has been subdivided into three volumes:

I. Executive Summary

II. Natural Barriers

III. Engineered Barriers

The Executive Summary summarizes the contents of the other two volumes with the addition of some general considerations about the Stripa Project. The authors of the Executive Summary are the five members of the Overview Reporting Group, that was established by the JTC for the purpose of producing the overview report. The Overview Reporting Group consisted of the two authors of volumes II and III, Paul Gnirk and Malcolm Gray, respectively, and two outside reviewers, Charles Fairhurst and Ferruccio Gera. The Project manager, Bengt Stillborg, acted as coordinator.

SCOPE OF THE REPORT

This report has been structured according to the three central themes of the Stripa Project that dealt with first the development and then the application of characterization methods and the modelling of groundwater flow and solute transport. Chapter 2 summarizes the development of the characterization methods; including the hydraulic, seismic, and radar borehole-testing methods, the hydrogeochemical characterization techniques, and the solute transport experiments. The application of these characterization methods is presented in Chapter 3 from the viewpoint of developing conceptual models of the geologic, hydrologic, and geochemical features of a rock mass. In particular, conceptualizations of the geohydrologic features of the Stripa area and the Crosshole site and SCV site within the Stripa mine are discussed in detail. Chapter 4 focusses on the modelling of groundwater flow and transport at the SCV site by means of equivalent-porous-media and fracture-flow models, including the development of such models and the evaluation of their validity for simulating groundwater flow and solute transport at the SCV site. Chapter 5 summarizes the significant achievements of the Stripa Project in terms of rock mass characterization, and discusses the potential for transfer of such technology to other sites and rock types. 

Technical Report NTB 93-41

Stripa Project 1980 – 1992
Overview Volume I
Executive Summary

Résumé

The International Stripa Project was a cooperative research and development project among several member countries of the Nuclear Energy Agency of the Organization for Economic Cooperation and Development. The project, which started in 1980 and ended in 1992, was conducted under the auspices of the Nuclear Energy Agency. The project was managed by the Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company (SKB) under the direction of a Joint Technical Committee (JTC) composed of representatives from participating countries.

The scientific and technical objectives of the project were to investigate several aspects of technology concerned with the feasibility and safety of disposal of long-lived, heat-generating radioactive waste at depth in granitic rocks. In particular, the Stripa Project addressed:

• the development of instruments and procedures to characterize candidate repository sites;
• the understanding and modelling of groundwater flow and solute transport in fractured crystalline rock; and
• the design of engineered barriers capable of contributing to waste isolation by restricting groundwater flow in proximity to the waste con­tainers and in the surrounding host rock.

Because the activities and the results of the Stripa Project have been reported in more than 170 technical reports, the JTC has decided that the final action of the project should be the publication of an overview report that would convey, in relatively concise form, the body of information produced by the project.

The overview report has been subdivided into three volumes:

I. Executive Summary

II. Natural Barriers

III. Engineered Barriers

The Executive Summary summarizes the contents of the other two volumes with the addition of some general considerations about the Stripa Project. The authors of the Executive Summary are the five members of the Overview Reporting Group, that was established by the JTC for the purpose of producing the overview report. The Overview Reporting Group consisted of the two authors of volumes II and III, Paul Gnirk and Malcolm Gray, respectively, and two outside reviewers, Charles Fairhurst and Ferruccio Gera. The Project manager, Bengt Stillborg, acted as coordinator.

SCOPE OF THE EXECUTIVE SUMMARY

The purpose of this executive summary is to summarize the activities and findings of the Stripa Project and, in so doing, highlight its principal achievements in developing and enhancing the technical knowledge that can be used by the member countries for the siting and development of geologic repositories. A significant portion of this executive summary is based on the contents of Volumes II and III of the overview, dealing with the natural barriers, and the engineered barriers, respectively. Information derived from the executive summaries of Phases 1 and 2, the annual reports, and the annual meetings of the Joint Technical Committee has also been used.

The brief history of the Stripa Project is given in Chapter 2. This includes reference to the previous Swedish-American Cooperative programme and the series of organizational meetings that led to the formal establishment of the project. Additionally, the principal objectives of the project and the three phases are cited, along with identification of participating countries in each phase. Chapter 3 summarizes the managerial and financial aspects of the project over its thirteen years of existence. Chapters 4 and 5 present summaries of the principal activities and achievements of the investigations dealing with the natural barriers and the engineered barriers, respectively.

Technical Report NTB 93-38

Hydraulic Packer Testing in the Wellenberg Boreholes SB1 and SB2 Methods and Field Results

Résumé

Dans le cadre des études d'aptitude de site pour le stockage final des déchets de faible et moyenne radioactivité, la Cédra (Société coopérative nationale pour l'entreposage de déchets radioactifs) a procédé au Wellenberg à cinq forage en vue de la caractérisation des conditions géologiques et hydrogéologiques. Solexperts S.A. a été chargée de réaliser et d'interpréter des tests hydrauliques dans deux forages profonds, SB1 et SB2.

Les travaux ont porté sur la réalisation, l'interprétation et le compte-rendu d'essais in situ. Les objectifs du programme de tests peuvent être résumés comme suit: caractérisation des propriétés hydrogéologiques des formations rencontrées dans les forages, prélèvement d'échantillons d'eau souterraine à partir de sections de test isolées, ainsi que support technique pour la réalisation de la diagraphie du puit. Le présent rapport sert à documenter la méthodologie et les résultats du programme de tests hydrauliques réalisés dans les forages SB1 & SB2.

Au total, 58 séquences de tests hydrauliques ont été réalisées dans les deux forages, 37 dans SB1 et 21 dans SB2. Pour ces tests, on c'est principalement servi de système à obturateur simple ou double. Les systèmes de test ont été équipés d'une vanne et de sondes de pression et de température. Une pompe moineau a également été intégrée au système pour la réalisation de tests de pompage ou pour le prélèvement d'échantillons d'eau souterraine. L'équipement en surface comprenait une installation d'acquisition des données, un système pour la réalisation de tests d'injection à pression constante, un séparateur gaz/eau ainsi que des flux-mètres pour liquide et gaz.

Les principales méthodes appliquées pour la caractérisation hydraulique ont consisté en tests d'impulsion (pulse) et de soutirage (slug), en tests à pression constante (constant pressure) ou à débit constant (constant flow rate) ainsi qu'en phases de réequilibrage subséquentes. Chaque intervalle de test a fait l'objet d'une séquence de tests composée de divers évènements. Chaque séquence de tests a été définie en fonction des objectifs à atteindre. Pour l'interprétation des tests on a d'abord analysé chaque évènement séparément à l'aide de méthodes d'interprétation conventionnelles. Si cela s'avérait nécessaire, on a recouru dans un deuxième temps à des programmes d'analyse et de simulation incluant des influences liées à l'histoire de la pression dans le forage, à des changements de température et à des phénomènes qui se sont passés dans les tests précédents par le principe de superposition.

Le forage SB1 se trouve à 845 mètres au-dessus du niveau de la mer et a été foncé verticalement jusqu'à 1670 mètres de profondeur. Les valeurs de transmissivité pour les intervalles de tests dans SB1 se situent entre 1 E-12 m²/s et 1 E-5 m²/s. Les niveaux piézométriques équivalents d'eau douce ont été calculés à partir des niveaux piézométriques d'eau de formation. Ils s'échellonnent entre env. 148 à 1006 m.s.m..

Le forage vertical SB2 est à la cote 532 m.s.m. et a atteint une profondeur de 1870 métres. Les transmissivités pour les intervalles testés dans SB2 oscillent entre 1 E-11 m²/s et 1 E-3 m²/s. Les niveaux piézométriques équivalents d'eau douce basés sur les niveaux piézométriques d'eau de formation se situent entre env. 485 et 750 m.s.m..

Technischer Bericht NTB 93-37

Physikalische und chemische Eigenschaften von Bentonit als Verfüll- und Versiegelungsmaterial bei der Endlagerung radioaktiver Abfälle

Résumé

Partant du concept de stockage final de déchets radioactifs poursuivi en Suisse, ce rapport présente les résultats d'une recherche dans la littérature spécialisée relative aux propriétés de la bentonite, ainsi qu'à leurs modifications, lorsqu'elle est utilisée comme matériau de colmatage et de remplissage. Au centre de ces considérations, basées essentiellement sur des rapports de la Nagra, des publications scientifiques internationales ainsi que sur des travaux réalisés par des instituts universitaires allemands, suisses et autrichiens, on trouve les caractéristiques mécaniques, physiques, minéralogiques et chimiques de bentonites et de systèmes eau – bentonite. Les bentonites particulièrement étudiées furent les types MX-80 et Montigel. Les aspects technologiques du stockage final n'ont été qu'effleurés on supposés connus. Une attention toute particulière a été portée sur la présentation des relations variables existant entre les différents ensembles de propriétés. Lors de l'étude de la stabilité à long terme et de sa persistance on attire l'attention sur les conséquences de l'influence sur la bentonite de phénomènes physiques et chimiques possibles durant diverses phases suivant l'exploitation du dépôt. D'autres recherches devraient être particulièrement conçues pour d'étudier les interrelations entre les propriétés mécaniques et minéralogiques, les caractéristiques de diffusion ainsi que l'influence sur la bentonite de températures élevées, de la vapeur d'eau, des produits de corrosion du fer ainsi que de ceux résultant des interactions dans un système béton – eau.

Technical Report NTB 93-36

FRACMESH -A Program for the Generation of Finite-Element Meshes for the Hydrodynamic Modelling of Fractured Rocks

Résumé

Dans le domaine du stockage des déchets radioactifs, la méthode numérique des éléments finis est couramment appliquée pour la modélisation des phénomènes d'écoulement, de transport de soluté et de transfert de chaleur au sein de milieux géologiques. Le principe de cette méthode numérique repose sur la discrétisation de l'espace en objets mono-, bi- et tridimensionnels: les éléments finis. Les mailles à éléments finis sont généralement obtenues de façon automatique, voire semi-automatique à l'aide de générateurs de maille. Les facteurs limitatifs contrôlant la génération des maillages sont d'une part le nombre d'éléments finis – dépendant directement de la puissance informatique disponible – ainsi que la topologie du milieu considéré. Ces limitations nécessitent la mise en œuvre de simplifications lors de la modélisation du milieu géologique. Les générateurs de maille ne sont généralement applicables qu'en présence de géométries relativement simples. Ainsi, la modélisation de formations géologiques présentant de nombreuses structures tectoniques n'est pas envisageable. Les caractéristiques des structures tectoniques, influençant fortement les écoulements au sein du milieu, ne peuvent être rendues de façon réaliste à l'aide de tels générateurs de maille.

La famille de logiciels FRACMESH est un générateur de maille sophistiqué qui a été développé pour deux sortes distinctes d'applications. La première (FRACMESH) permet la génération de maillage à éléments finis complexes à l'aide d'un nombre limité d'instructions qui sont contenues sous formes de mots-clés et de paramètres dans un fichier d'entrée. Ces différentes instructions vont permettre de définir la taille du modèle, la géométrie et les propriétés des unités hydrogéologiques, de même que l'orientation, la taille et la fréquence des structures tectoniques. La seconde application est de permettre une discrétisation plus fine de maillages préexistants (FEMFRAC). Cette discrétisation additionnelle peut s'appliquer de façon globale à l'échelle de tout le modèle, ou de manière plus locale sur une partie quelconque du modèle selon les besoins spécifiques de la modélisation. Ces logiciels permettent également l'introduction de structures tectoniques supplémentaires (bi- ou tridimensionnelles) à l'intérieur d'une maille préexistante.

La caractéristique principale du concept sur lequel est élaboré FRACMESH est de ne présenter aucune des limitations topologiques généralement présentes dans les autres logiciels. Ces logiciels offrent la possibilité de modéliser des géométries complexes à trois dimensions, telles que des zones de fractures d'orientation quelconque intersectant des blocs de matrice rocheuse. Le nombre d'éléments finis contenus dans une maille peut être contrôlé par différentes options régissant la géométrie des éléments (tétraèdres, briques, ..). Celles-ci permettent une réduction du nombre total de nœuds (et donc des éléments) de la maille. Des techniques d'optimisation de la résolution de la matrice globale des perméabilités sont également disponibles.

Le rapport fournit une description générale des logiciels. L'utilisation de FRACMESH est expliquée à l'aide de plusieurs cas d'étude pratiques. Des suggestions sont émises pour la mise en œuvre de développements supplémentaires. Les sources des logiciels FRACMESH/FEMFRAC sont données en annexe.

Technical Report NTB 93-35

Modelling Gas-Water Flow at Oberbauenstock

Résumé

Les activités de la Nagra liées à la caractérisation du site potentiel de l'Oberbauenstock pour déchets de faible et moyenne activité ont montré la présence d'une zone de pression anormale à l'intérieur de la roche d'accueil (marnes valanginiennes). Deux modèles conceptuels ont été proposés pour relier l'anomalie de pressions à la présence de gaz naturel dans les marnes. Le modèle A postule que les conditions de sous-pression sont dues a une décharge instationnaire de gaz à partir d'une bulle de gaz relativement localisée vers le tunnel adjacent du Seelisberg. Le modèle B prévoit que les basses pressions observées sont causées par une migration (quasi) stationnaire de gaz à partir d'une source profonde vers la surface.

Le présent rapport présente un ensemble d'analyses quantitatives, utilisant des modèles analytiques et numériques, afin d'évaluer ces deux modèles conceptuels.

Des calculs de bilan de masse avec des équations analytiques simples suggèrent que la décharge de gaz à partir d'une région définie vers le tunnel puisse produire des profils de pression similaires à ceux observés durant la phase de tests.

Une modélisation à l'échelle du site avec le simulateur multiphase TOUGH, basé sur un profil vertical (2 D) de la region de l'Oberbauenstock, suggère également que le scénario présenté dans le modèle conceptuel A est plus probable que le modèle B. Ainsi, tant le modèle local que régional indiquent que la sous-pression est le plus probablement l'effet de gaz s'écoulant dans le tunnel du Seelisberg via quelque voie hautement perméable. La présence de gaz à elle seule n'est pas une explication suffisante pour les conditions de pression anormales observées.

Technischer Bericht NTB 93-34

Erosionsszenarien Wellenberg

Résumé

Le site d'entreposage de Wellenberg se trouve géologiquement dans l'épaisse série des marnes du Valanginien, entre Altzellen (vallée d'Engelberg) et la vallée d'Oberrickenbach. Le toit de ces marnes se situe soit au niveau de la surface du terrain, soit sous une couverture de formations meubles. Par opposition par exemple au site de Oberbauenstock, le complexe marneux au Wellenberg n'est pas protégé de l'érosion par une série plus compétente. En outre le site de Wellenberg se caractérise par une morphologie marquée, avec une différence d'altitude de 650 m entre la ligne crête (Eggeligrat) et le niveau de la vallée. Le problème est donc d'évaluer, d'une part, dans quelle mesure les marnes (la roche d'accueil) pourraient être affectées par le processus d'érosion pendant une période de l'ordre de 100'000 ans et, d'autre part, quelle épaisseur de couverture subsisterait à l'échéance considérée.

Le comportement à long terme du site, en ce qui concerne les conséquences des méchanismes de dépôt et d'érosion sur le niveau du terrain, est évalué dans ce rapport NTB 93-34. Il s'agit en particulier de comparer dans le temps l'altitude résiduelle du terrain avec la position du site de dépôt. Un large spectre de possibilités d'érosion a été considéré, de manière conservative, sous diverses conditions climatiques pour la période étudiée de 100'000 ans. A côté d'une poursuite des conditions climatiques actuelles et d'une apparition d'une nouvelle époque glaciaire comparable de par son importance à celle du Würm, sont aussi considérés les effets liés à d'autres conditions climatiques (aride, semi-aride, tropical) sur usure par érosion du site de dépôt.

Dans un premier temps, on considère le dévelopment du niveau de base de la vallée d'Engelberg pendant la période considérée, puis on évalue le dévelop­ment d'érosions locales sur le site-même de Wellenberg. Les résultats des divers scénarios sont présentés sous forme de profils le long des vallées d'Engelberg et du Secklisbach (Oberrickenbach-Schüpfentobel) et d'une coupe "vallée d'Engelberg-Eggeligrat-Oberrickenbach" comprenant le site d'entreposage. Le choix des paramètres a été effectué selon des options de type "hautement conservatif" à "conservatif". En tenant compte de l'intégration des divers processus inviqués, le résultat d’ensemble peut être considéré comme "conservatif" à "très conservatif".

En comparaison avec la situation actuelle (couverture de 500 m), la couverture résiduelle le long du profil "vallée d'Engelberg-Altzellen-Eggeligrat­-Oberrickenbach" s'élévera encore à au moins 300 m après 100'000 ans selon les scénarios 1) poursuite des conditions climatiques actuelles, 2a et 2b) nouvelle époque glaciaire de 60'000 ans suivie d'une periode à climat similaire au nôtre actuellement, 4) climat aride, et 5a) climat chaud-humide. En revanche, la couverture pourra s'abaisser à 100 m dans le cas de climats semi-aride (scénario 3) et "chaud-humide avec implications sur la végétation­"(scénario 5b). Il faut considérer une augmentation de l'érosion locale à partir des derniers 2/3 de la période considérée. La raison en est le renforcement possible de l'abaissement du niveau de base de la vallée d'Engelberg suite au remplissage alluvial du lac des quatre cantons.

Une mise à nu du dépôt final ne se produira dans aucun des scénarios étudiés pour la période de 100'000 ans considérée.

Technischer Bericht NTB 93-33

Wachstum mikrobieller Mischkulturen unter anaeroben, alkalischen Bedingungen

Résumé

Ciment et béton constituent les principales barrières ouvragées d'un dépôt final pour déchets de faible et moyenne activité et représentent par conséquent également la partie la plus importante du volume de stockage total. En raison de la composition chimique du béton utilisé et des circulations d'eau dans la roche d'accueil modèle, on doit s'attendre à ce que durant plus d'un million d'années le pH aux abords du dépôt se situe au delà de pH 10.5. Par ailleurs la quantité de carbone est limitée dans les eaux souterraines aux alentours du dépôt. Comme des micro-organismes seront présents dans le dépôt final et que ceux-ci devraient en outre trouver de bonnes conditions de vie dans les déchets mêmes, on a étudié dans quelle mesure une activité microbienne était possible dans les conditions extrêmes prévalent dans le champ proche du dépôt.

Des cultures alcalophiles mélangées, provenant d'habitats alcalins et de marnes valanginiennes, ont été enrichies pour les investigations. On a sélectionné pur cette étude des bactéries anaérobiques à modes d'échanges de matières par fermentation, réduction de sulfates et génération de méthane. Des cultures mélangées ont été étudiées sous conditions alcalines pour déterminer l'influence du pH et de la concentration de carbone sur leur croissance et leur activité.

Toutes les cultures mélangées étudiées sont alcalophiles. Le taux de croissance optimale des cultures se situe entre pH 9.0 et pH 10.0. La limite d'activité des cultures mélangées à fermentation se situe vers pH 12, celle des réductrices de sulfates vers pH 11 et celle des méthanogènes vers pH 10.5. Lorsque les sources de carbone sont limitées les cultures mélangées ne peuvent plus croître que sous un pH alcalin modeste. Seules les cultures de fermentation peuvent survivre à pH 13 lorsque le carbone est limité.

Les organismes des deux modes d'échanges de matières strictement anaérobiques (réducteurs de sulfates et méthanogènes) manifesteront au début tout au plus une activité très modeste dans la zone de stockage pour des valeurs de pH dépassant 10.5. Par contre les bactéries à fermentation devraient être à même de survivre dès le début sous les conditions extrême prévalent dans la région du stockage et créer, bien qu'avec une croissance lente, des niches où règneraient des conditions moins extrêmes, dans lesquelles finalement des organismes moins résistants aux conditions alcalines pourront se développer. On ne saurait donc exclure une activité microbienne et ses conséquences sur la sûreté d'un dépôt final, même sous les conditions extrêmes pouvant y régner.

Technical Report NTB 93-32

A Model for Colloid Facilitated Radionuclide Transport Through Fractured Media

Résumé

Lors de l'évaluation de la sûreté de dépots finals pour déchets radioactifs, la sorption de radionuclides à la surface des colloïdes peut modifier de façon substantielle le comportement de leur transport lorsque la concentration des colloïdes est suffisamment élevée. Dans le cas de milieux géologiques fracturés, on peut négliger la présence des colloïdes dans les pores de la matrice, auquel cas les radionulides qui leur sont attachés ne subissent pas l'effet retardateur de la diffusion matricielle ni celui de leur sorption à la surface des pores de la matrice.

On présente un modèle de transport décrivant une migration à travers un milieu fracturé, facilitée par des colloïdes avec sorption non-linéaire. Un modèle simplifié, avec sorption linéaire sur la surface des pores comme sur les colloïdes, est dérivé du modèle plus général. Un tel modèle est bienvenu si l'on peut démontrer qu'il décrit une situation surestimée. Cependant même si l'on sait que ce mécanisme même de sorption s'applique aux surfaces des pores et aux colloïdes, il n'est pas clair comment ce même modèle linéaire de sorption peut illustrer une scenario pessimiste en considérant une faible sorption sur la surface des pores et qu'un taux élevé de sorption sur les colloïdes.

On s'intéresse à la question de savoir si l'utilisation du modèle simplifié, avec sorption linéaire calculée pour la concentration maximale rencontrée le long de l'écoulement, décrit une situation surestimée lorsque l'on est en présence d'un transport facilité par les colloïdes. Des critères simples sont élaborés pour pronostiquer le moment où la présence de colloïdes aura une influence significative sur le transport. Une série de simulations utilisant le modèle plus général a été realisée, illustrant le comportement général auquel on peut s'attendre et on décrit finalement les effets résultants de la non-linéarité de la sorption.

Technical Report NTB 93-29

Recherches sur l'aptitude des sites à accueillir un dépôt final de déchets faiblement et moyennement radioactifs à vie courte
Résultats des recherches effectuées sur le site potentiel du Bois de la Glaive (commune d'Ollon, VD)

Résumé

Le présent rapport prend place dans la série des documents que la Nagra prépare pour justifier le choix d'un site se prêtant au dépôt final de déchets faiblement et moyennement radioactifs à vie courte. Il aborde les aspects géologiques qui permettent d'évaluer la sûreté à long terme sur le site potentiel du Bois de la Glaive et fournit les bases nécessaires pour établir une comparaison entre les quatre sites potentiels du Bois de la Glaive, de Oberbauenstock, du Piz Pian Grand et du Wellenberg (NAGRA 1993b).

Les reconnaissances géologiques ont duré plus longtemps au Bois de la Glaive que sur les autres sites potentiels, en raison des difficultés rencontrées dans le cadre de la procédure d'autorisation. C'est pourquoi il faut tenir compte ici d'une part des études réalisées jusqu'en 1988, dont les résultats ont été présentés dans le rapport NTB 88-17 (NAGRA 1988), et d'autre part de la suite qui leur a été donnée sur le terrain jusqu'en mars de cette année. Les pages suivantes mettent l'accent sur cette deuxième phase.

Elles rappellent tout d'abord les buts poursuivis (Chapitre 2) et les travaux effectués (Chapitre 3), avant de replacer le Bois de la Glaive dans son cadre géographique et géologique régional (Chapitre 4). Les chapitres suivants sont consacrés à la géologie locale, à la minéralogie et à la géochimie de la roche d'accueil pressentie, à l'hydrogéologie, aux analyses chimiques et isotopiques des eaux prélevées en surface et dans les forages, aux mesures de gaz du sol et aux résultats de la campagne géophysique réalisée durant la saison d'hiver 1992/1993. Un chapitre particulier est ensuite consacré aux aspects relevant de la sûreté à long terme.

Une brève synthèse ébauche enfin un modèle conceptuel du Bois de la Glaive, fait le point sur les connaissances rassemblées dans la région d'Ollon au cours des dix dernières années et pèse les avantages et les inconvénients du site.

L'importance des recherches effectuées et la qualité des résultats obtenus permettent de comparer la situation du Bois de la Glaive à celle des autres sites potentiels en toute objectivité. En résumé, les informations récoltées améliorent considérablement la connaissance du sous-sol du Bois de la Glaive. Elles confirment l'existence d'un volumineux massif d'évaporites, dont l'épaisseur atteint plusieurs centaines de mètres et dont la couverture de gypse ne dépasse généralement pas 20 à 40 m. Elles illustrent également la complexité géologique de la région d'étude, dont il est difficile de rendre parfaitement compte sur la base de deux forages courts et de la seule géophysique. Les travaux ont de ce point de vue clairement montré qu'il ne serait pas facile de prouver l'aptitude du Bois de la Glaive à recevoir un dépôt final et que cela entraînerait d'importants frais de recherche.

Technischer Bericht NTB 93-28

Untersuchungen zur Standorteignung im Hinblick auf die Endlagerung schwach- und mittelaktiver Abfälle
Geologische Grundlagen und Datensatz zur Beurteilung der Langzeitsicherheit des Endlagers für schwach- und mittelaktive Abfälle am Standort Wellenberg (Gemeinde Wolfenschiessen, NW)

Résumé

Le présent rapport fait partie de la documentation qui motive le choix du site de dépôt final pour déchets de faible et moyenne activité. Il a pour but d'exposer les connaissances géologiques spécifiques au site du Wellenberg ainsi que le set de données géologiques qui en découle et sur lequel repose l'appréciation de la sûreté à long terme d'un dépôt final. Il constitue la base des rapports publiés simultanément, relatifs d'une part à la comparaison des quatre sites évalués (Bois de la Glaive, Oberbauenstock, Piz Pian Grand et Wellenberg, NTB 93-02), et d'autre part à l'appréciation en soi de la sûreté du site du Wellenberg (NTB 93-26).

Le niveau d'exigence de ces deux rapports a dicté le degré d'investigation de cette étude. Les objectifs de ce rapport étaient, au minimum, de fournir la présentation, le commentaire et la justification du set de données géologiques, qui entre dans les modèles de l'analyse de sûreté. Ce set de données fut constitué début 1993, nécessairement avant l'évaluation détaillée encore en cours du vaste matériel de données expérimentales. Il s'est avéré par la suite que ce rapport permettait non seulement de déduire des données et de connaître ses fondements géologiques, mais également de fournir une image déjà relativement consistante de la situation géologique et hydrogéologique du Wellenberg. La synthèse géologique, prévue pour la demande d'autorisation générale, à mi-94, complétera le présent rapport (résultats des évaluations et interprétations détaillées) et se basera sur l'ensemble des résultats de la première campagne de sondage au Wellenberg, terminée au printemps 1993.

Le présent rapport décrit en introduction ses objectifs, les bases sur lequel il repose ainsi que sa structure. Après un aperçu de la situation géographique et géologique, le deuxième chapitre présente les travaux géologiques antérieurs réalisés dans le périmètre d'étude et dans la région, puis aborde les connaissances à la base de la planification des analyses de terrain.

Le chapitre trois aborde la planification et le programme de recherche, avant d'exposer le niveau actuel des recherches. Il comprend outre d'importantes investigations non soumises à autorisation (telles la cartographie et les mesures de sources), surtout cinq sondages de reconnaissance, avec des profondeurs finales s'échelonnant entre 430 et 1870 mètres, des analyses en forage très détaillées au niveau de la géologie, de la géophysique et de l'hydrogéologie, ainsi que des mesures sismiques réalisées entre l'automne 1989 et le printemps 1993.

Le quatrième chapitre expose la situation géologique du Wellenberg et décrit les modèles conceptuels et numériques la prenant pour base. Ceux-ci ont servi à déduire tout un ensemble de données pour les analyses de sûreté réalisées en perspective du choix du site et de la procédure d'autorisation générale. Après une description de la roche d'accueil et des autres formations et unités géologiques cartographiées et/ou forées, la situation tectonique de la région et de la zone de recherches est esquissée. Les voies de cheminement des eaux et les systèmes aquifères dans la roche d'accueil sont ensuite caractérisés et conceptualisés en perspective de modélisations hydrodynamiques et de transport. Suit une description hydrochimique et isotopique des eaux souterraines profondes et superficielles et un exposé de l'hydrogéologie de la zone de recherches et une description des modèles utilisés et des conclusions. La fin du chapitre quatre est consacrée à la néotectonique et au résumé d'une étude relative aux scénarios à long terme.

Finalement, le cinquième chapitre est consacré aux données à l'attention de l'analyse de sûreté et de la technique de construction, déduites des investigations, conceptualisations et modélisations décrites au chapitre précédent. Pour l'analyse de sûreté, il s'agit de données et de paramètres concernant la circulation en grand des eaux souterraines, le débit des eaux souterraines et la composition des voies d'écoulement aux alentours du dépôt final, de la caractérisation et la conceptualisation des voies d'écoulement, les eaux de référence et la minéralogie des systèmes aquifères. Le set de données relatives à la construction résume les paramètres relatifs aux limites de la roche d'accueil et aux variantes de projet qui en découlent, et décrit les caractéristiques géotechniques des formations importantes lors de la future construction souterraine.

Pour résumer on peut dire que les résultats de la récente campagne de sondages au Wellenberg confirment en grande partie les prévisions et dépassent, même les espérances, parfois, par exemple en ce qui concerne le volume disponible de la roche d'accueil. Les investigations réalisées ont permis de franchir une étape importante dans le cadre de la caractérisation géologique du site de dépôt final du Wellenberg. Elles constituent ainsi la base pour ouvrir la procédure d'autorisation générale en 1994. Pour la requête d'autorisation de construction nucléaire auprès de la Confédération, ainsi que par la suite pour l'autorisation d'exploitation en vue du stockage des déchets, d'autres sondages seront bien entendu nécessaires et dors et déjà prévus – d'abord jusqu'à épuisement des investigations régies par l'autorisation fédérale en vigueur (construction de la galerie de sondage en dehors de la zone de dépôt final et réalisation des mesures en faisant partie, respectivement d'autres mesures préparatoires); puis ils seront suivis d'autres recherches au cours de la phase de construction, pendant la mise en valeur de la zone de dépôt final proprement dite.

Technischer Bericht NTB 93-27

Wasserstoffentwicklung durch Korrosion von Eisen und Stahl in anaeroben, alkalischen Medien im Hinblick auf ein SMA-Endlager

Résumé

La formation d'hydrogène par suite de la corrosion du fer est un aspect important à prendre en considération lors du stockage de déchets faiblement et moyennement radioactifs. En effet, le dépôt contient, à part les déchets proprement dits, des quantités importantes de fer et d'acier. La plus grande partie du fer se trouve dans un environnement anaérobique à base de ciment.

Afin d'estimation pour la concept ion d'un dépôt final, la quantité d'hydrogène formée lors de la corrosion du fer en milieu alcalin anaérobique a été déterminée. Une méthode volumétrique permettant des temps d'exposition très longs – jusqu'à 16000 heures – a été utilisée.

Komplette Zusammenfassung / Résumé complet / Full abstract: NTB 93-27 Zusammenfassung – Résumé – Summary.pdf

Technischer Bericht NTB 93-26

Endlager für kurzlebige schwach- und mittelaktive Abfälle (Endlager SMA)
Beurteilung der Langzeitsicherheit des Endlagers SMA am Standort Wellenberg (Gemeinde Wolfenschiessen)

Résumé

Le présent rapport fait partie de la documentation concernant le choix du Wellenberg comme site de stockage pour les déchets de faible et moyenne activité à vie courte. L'objectif de ce rapport est de présenter les bases sur lesquelles la comparaison avec les autres sites a été faite et de documenter les considérations et les calculs relatifs à la sûreté établissant l'aptitude du Wellenberg.

Les analyses de sûreté ont été exécutées de façon prudente et n'épuisent pas tout le potentiel de sécurité du site; on y a introduit des hypothèses pessimistes là où subsistent des incertitudes.

Les résultats des analyses de sûreté montrent que l'on dispose d'une marge de sécurité suffisante. Pour le cas de base, reposant sur des hypothèses réalistes mais prudentes, on obtient des doses de radiations qui se situent très nettement en-dessous de l'objectif de sécurité de 0.1 mSv/a requis par les autorités pour tous les types de déchets. De même les doses résultant de l'introduction de nombreuses variations de paramètres restent inférieures à l'objectif de sécurité, les marges de réserve de sécurité diminuant toutefois.

Les résultats des analyses de sûreté permettent donc de conclure que le site choisi, le Wellenberg, convient pour l'élaboration d'une requête d'autorisation générale et que les travaux en vue d'y réaliser un dépôt final pour DFMA peuvent être poursuivis.

Technischer Bericht NTB 93-25

Wechselwirkung von abgebundenem Zement mit verdichteten Bentoniten: Quelldruckversuche mit anschliessenden mineralogischen Untersuchungen

Résumé

On a laissé gonfler des mélanges de bentonites MX-80 et Montigel avec jusqu'à 20 % de ciment hydraté et de portlandite synthétique, durant 4 à 16 semaines à température ambiante et à 50°C, dans des dispositifs d'essais de pression d'expansion. Ces essais ont montré que l'on atteignait des pressions de gonflement nettement supérieures pour des mélanges de ciments et bentonites, que cela soit avec un ciment Portland (PC) ou un ciment résistant mieux aux sulfates (Sulfacem), qu'avec des bentonites pures. Les ciments hydratés purs ne présentent qu'une très faible pression de gonflement. Une variation du rapport eau/ciment entre 0.2 et 0.4 et une élévation de température de l'ambiance à 50°C n'ont que peu d'effet sur la valeur de la pression de gonflement. Des essais de pression de gonflement, suivis par la libération des déformations dues à l'expansion, ont alors montré que la capacité d'expansion des échantillons de ciment-bentonite était inférieure à celle des bentonites pures.

A l'issue des essais les échantillons paraissaient relativement durs et peu enclins au gonflement. Des examens de ces matériaux à l'aide de rayons X ne révélèrent pas d'apparition de nouvelles phases cristallines ou d'importantes modifications du spectre des pics des minéraux argileux. De même l'analyse thermique, associée à l'analyse des gaz produits, n'a pas mis en évidence de réactions thermiques additionnelles significatives. Les analyses thermiques ont montré que, lors de tests prolongés dans le dispositif d'essais de pression de gonflement, la désintégration de la portlandite n'était plus visible. Cela a aussi été confirmé par la disparition des pics de portlandite dans les courbes de diffractométrie. La capacité d'échange de cations des échantillons soumis aux essais de pression de gonflement a été quelque peu augmentée et parmi les ions échangeables ceux du calcium dominaient.

On présume que les particules de smectite des bentonites et les hydrates de ciments ont été mastiqués par des hydrates d'aluminates de calcium, ainsi qu'on a pu l'observer lors d'investigations complémentaires à l'aide de prises de vues avec un microscope électronique à transmission et avec la microscopie électronique de transmission analytique (ATEM).

Les réactions que l'on a observées entre ciments hydratés et bentonites pourraient en principe s'avérer défavorables pour un concept de scellement où les interactions entre bentonite et pierre de ciment/béton sont possibles. Il faudrait toutefois examiner dans quelle mesure les résultats de ces essais, fortement influencés par les conditions limites draconiennes d'apport de ciment de mélange, peuvent être extrapolés aux conditions réelles d'un contact entre bentonite-pierre de ciment et béton.

Technical Report NTB 93-23

Kristall in-I
Results in Perspective

Résumé

Les analyses de sûreté intégrées qui s'appliquent aux dépôts finals de déchets radioactifs comportent l'identification d'évolutions possibles du systeme de dépôt final, ainsi que la quantification de leurs conséquences à l'aide de modèles déterministes ou probabilistes. Les résultats de ces études sont représentés sous forme de diagrammes représentant les conséquences possibles par rapport ou temps jusqu'à un harzan lointain (par exemple, dose pour une population sélectionnée) où l'axe du temps s'étend jusque loin dans le futur. Même s'il est possible de tester quelques-uns des composants des chaînes de modèles, il est beaucoup plus difficile de valider l'analyse de sûreté globale et de présenter les résultats de manière à ce qu'on puisse avoir confiance dans leur applicabilité.

Dans ce rapport, l'analyse de sûreté «Kristallin-I» d'un dépôt final DHA dans le socle cristallin du nord de la Suisse est comparée avec d'autres études DHA similaires et avec trois analyses du stockage final direct d'éléments combustibles usés afin de prouver le bien fondé les résultats du Kristallin-I.

La similitude entre les concepts de dépôts finals considérés permet une comparaison quantitative entre le projet Kristallin-I, le projet Garantie qui lia précédé et l'analyse japonaise PNC H-3. Cette comparaison, démontre que les différences de comportement du champ proche et de la géosphère son imputables à trois facteurs principaux qui résultent eux-mêmes de la différence de centres de gravité de ces trois analyses et plus particulièrement du stade de maturité plus élevé du programme de recherches géologiques pour le Kristallin-I.

Un examen détaillé des conséquences des différents concepts de dépôt final et des modèles qui sont utilisés dans le Kristallin-I dans les trois analyses d'éléments combustibles usés (SKB 91, TVO 92, AECL 94) permet d'identifier quelques facteurs de qui exercent une influence sur les résultats des analyses de sûreté. L'importance des ces facteurs varie selon les différentes analyses.

Dans l'ensemble, les comparaisons évoquées n'ont pas mis en évidence des erreurs ou déficiences ou évidentes dans l'analyse de sûreté Kristallin-I. En ce qui concerne les conséquences à long terme, les résultats concordent avec les résultats d'autres analyses.

Afin d'augmenter le degré de confiance dans les résultats Kristallin-I, on recourt à des analogues naturels pour démontrer que les prévisions sur les importants processus dans le système de dépôt final sont raisonnables. Les doses et les risques qui pourraient provenir du dépôt final DHA sont comparés avec les doses et les risques sur la santé engendrés par d'autres sources de rayonnement (radiations terrestres, cosmiques, artificielles par exemple) et avec les risques liés aux matières toxiques (le tabac par exemple), aux maladies courantes, infirmités et activités quotidiennes (avion, voiture). De telles comparaisons présentent les résultats du Kristallin-I dans un contexte plus large, les rendant ainsi compréhensibles aussi bien pour les profanes que pour les spécialistes d'autres domaines scientifiques.

Technical Report NTB 93-22

Kristallin-I
Safety Assessment Report

Résumé

Ce rapport présente une description exhaustive de l'analyse de la sûreté radiologique après fermeture d'un dépôt final pour déchets vitrifiés de haute activité (DHA), implanté dans le socle cristallin du Nord de la Suisse. Cette évaluation considère un dépôt final de conception similaire à celle décrite dans le Projet garantie 1985, mais tient en outre compte d'une récente synthèse des informations recueillies lors des investigations géologiques. L'analyse de sûreté, la synthèse géologique et une étude d'exploration constituent ensemble le projet Cristallin 1; les deux dernières études mentionnées font l'objet d'autres rapports. Les objectifs de l'analyse de sûreté Cristallin 1 sont: la réévaluation du socle cristallin du Nord de la Suisse comme roche d'accueil pour un dépôt final pour DHA; l'amélioration de la compréhension du comportement des barrières de sécurité ouvragées et géologiques; l'identification des caractéristiques clés et l'établissement des champs de valeurs acceptables pour les paramètres correspondants; le développement et la mise en application d'une méthodologie plus complète et d'ensembles de modèles et outils de calculs.

L'analyse de sûreté Cristallin 1 utilise une hiérarchie de calculs déterministiques pour investiguer les incertitudes de l'environnement géologique et du comportement du dépôt final. Pour cela on distingue trois types d'incertitudes:

Des éléments de prudence sont introduits à chaque étape. Lors de la modélisation du Scénario de référence quelques caractéristiques FEPs qui pourraient être avantageuses pour la sûreté ne sont pas représentées. Lorsque des modèles alternatifs sont identifiés, celui d'entre eux menant aux conditions les plus sévères est adopté pour les Hypothèses du modèle de référence. Les données sont également sélectionnées avec prudence pour le Cas de référence.

L'interprétation actuelle de la situation géologique indique que les conditions dans le socle cristallin peuvent fournir un environnement adéquat pour un dépôt final sûr pour des déchets DHA vitrifiés. La dose annuelle individuelle de pointe calculée pour le Cas de référence est située à plus de deux ordres de grandeur en-dessous de la limite de 0.1 mSv y^-1 figurant dans les prescriptions suisses et survient plus de 200'000 années après la fermeture du dépôt final. Tous les scénarios, modèles et variations de paramètres calculés mènent également à des doses situées bien en-dessous de celle figurant dans les prescriptions.

Avec le modèle prudent de transport dans la géosphère correspondant au niveau actuel des incertitudes relatives au régime hydrogéologique et aux caractéristiques des éléments aquifères du socle cristallin, les barrières ouvragées constituent l'obstacle principal au relâchement et au transport de radionucléides. En fait les barrières ouvragées, combinées avec la dilution prévue dans l'environnement proche de la surface, suffisent à elles seules pour garantir des doses maximales inférieures à la limite prescrite. Dans ce cas le rôle principal des barrières géologiques est d'assurer un environnement favorisant la longévité et les performances adéquates des barrières ouvragées. Un tel environnement assure une protection mécanique, des conditions géochimiques favorables et un apport d'eau souterraine suffisament modeste. Dans le futur une caractérisation plus détaillée de la roche d'accueil et de ses éléments aquifères pourrait éventuellement permettre une approche moins entachée de conservatisme sur le plan de la modélisation du transport dans la géosphère. On pourrait alors conclure que la roche d'accueil constitue une barrière de sécurité supplémentaire très efficace.

Technical Report NTB 93-21

Model Radioactive Waste Inventory for Swiss Waste Disposal Projects

Résumé

Un inventaire modélisé des déchets radioactifs (MIRA) a été fait pour être utilisé dans les projets suisses de stockage de ces déchets (i.e. construction des dépôts, analyses de sûreté).

L'inventaire modélisé décrit les déchets conditionnés et containerisés qui, selon estimation, seront produits par les 5 centrales nucléaires suisses actuellement en opération (3 GW(e) sur 40 ans), la dernière étant arrêtée en 2024. Les catégories de déchets considérés sont: les déchets d'exploitation, les composantes échangeables du cœur du réacteur qui ne sont pas du combustible, les déchets de démantèlement et les déchets issus du retraitement du combustible usagé. (Pour ces derniers, l'hypothèse faite est celle du retraitement de tout le combustible déchargé). L'inventaire inclus aussi les déchets provenant de la médecine, de l'industrie et de la recherche entre 1984 et 2053 (ceux produits antérieurement ayant été immergés). Les déchets de démantèlement de l'accélérateur de particules du PSI (600 MeV p, 1.5 mA) et de ses annexes, supposés mis hors service en 2034, y sont aussi compris.

Les déchets sont décrits par 80 sortes de déchets, chacune définie par un colis de déchets de caractéristiques moyennes et par le nombre de ces colis produits par année dans le temps. Les activités des radionucléides (en tout 117 isotopes de demi-période > 60 jours), les autres caractéristiques radiologiques, les matériaux du colis, d'autres propriétés, les dessins du colis et de sa configuration interne et les valeurs maximales du colis sont présentés dans une base de données des sortes de déchets constituant le Volume 2. Ces données sont introduites et discutées, après une brève description de l'origine des déchets, dans le Volume 1.

Une répartition provisoire des sortes de déchets entre les 2 types de dépôts «SMA» et «LMA/HAA» a été faite (Volume 1). Elle définit ainsi 3 classes pour les sortes de déchets: déchets faiblement et moyennement radioactifs à vie courte (SMA), moyennement radioactifs à vie longue (LMA) et déchets hautement radioactifs (HAA). Les sommes par classe des volumes de déchets, de leur activités et radiotoxicités ainsi que de leurs matériaux représentent le contenu des dépôts. Les incertitudes sur l'inventaire des dépôts sont analysées et indiquent les réserves en volume à considérer pour les dépôts et la précision des activités pour les analyses de sûreté.

Technischer Bericht NTB 93-20

Inverse Modellierung zur Bestimmung hydrogeologischer Parameter eines Zweiphasensystems

Résumé

Parmi les formations géologiques étudiées en Suisse, en vue d'un stockage potentiel de déchets radioactifs, certaines contiennent du gaz naturel. De plus, à l'intérieur même du dépôt, la production de gaz de corrosion pourrait conduire à la formation d'une zone non saturée affectant les conditions d'entreposage. La caractérisation hydrogéologique du site de stockage nécessite une compréhension des systemes d'écoulements. Leur modélisation est effectuée à l'aide d'un modele numérique d'écoulement à deux composantes sous conditions biphasiques.

Dans cette étude, l'estimation des parametres liés au gaz contenu dans la formation est réalisée par modélisation inverse. Par des techniques d'optimisation, dans le cadre d'un modèle conceptuel donné, les paramètres du modele d'écoulement sont estimés à partir de données expérimentales sur l'état du système.

L'approche théorique permettant l'obtention des paramètres du modèle à partir des données de terrain est présentée. La procédure d'estimation des paramètres proposées est implémentée dans un logiciel de calibration automatique du modèle numérique. Cet outil informatique permet l'identification des principaux paramètres régissant les écoulements souterrains d'eau et de gaz au sein de milieux poreux.

L'approche de modélisation inverse proposée est testée sur des données synthétiques, ainsi que sur les données réelles en provenance du laboratoire du Grimsel. L'applicabilité de la procédure et ainsi également démontrée dans un cadre géologique réeI.

L'estimation de paramètres hydrogéologiques par calibration automatique d'un modèle numérique d'écoulement améliore la compréhension du comportement de systèmes biphasiques, et assure une meilleur qualité des prédictions réalisées à partir du modèle.

Technischer Bericht NTB 93-19

Inverse Modellierung in geklüfteten Grundwasserträgern

Résumé

La connaissance optimale des paramètres hydrogéologiques est requise pour la modélisation des écoulements souterrains d'un aquifère. Une méthode de modélisation inverse est présentée, permettant d'estimer les paramètres du modèle en comparant ses prédictions avec des données expérimentales sur les caractéristiques de l'aquifère. Ainsi, les paramètres obtenus par modélisation inverse améliorent la calibration du modèle.

Un modèle numérique tridimensionnel à éléments finis est utilisé pour l'étude des écoulements transitoires en milieu fracturé. L'approche indirecte – appliquée pour la résolution du problème inverse – le considère dans le cadre de la théorie du maximum de vraisemblance et prend en compte aussi bien les mesures du potentiel et de débit, que l'information a priori relative aux paramètres du modèle. La minimisation de la fonction objective est réalisée à l'aide de différentes méthodes d'optimisation mathématique. Les meilleurs résultats sont obtenus lorsque les méthodes du gradient et de Gauss-Newton sont appliquées de façon séquentielle. Le caractère non linéaire de l'optimisation exige le calcul exact du gradient numérique et de la matrice Jacobienne. Ceux-ci sont calculés respectivement par la méthode adjointe et par dérivation directe des équations aux éléments finis.

La prise en compte de la variabilité spatiale des paramètres du modèle est effectuée à 1'aide d'une méthode classique par zonation, ainsi que de manière ponctuelle par une technique d'interpolation par krigeage. L'introduction de mesures de débit dans la formulation de la fonction objective améliore l'estimation des paramètres du modèle.

Finalement, l'approche proposée est appliquée à l'étude de deux sites pour lesquels des projets internationaux de validation sont en cours. Les résultats obtenus montrent que la modélisation inverse conduit non seulement à une meilleure calibration des paramètres du modèles, mais également à l'identification des structures de l'aquifère.

Technischer Bericht NTB 93-17

Wasserdampfadsorption und spezifische Oberfläche von Tonen

Résumé

Le calcul des surfaces spécifiques d'argiles de calcium à partir de leur teneur en eau, pour une humidité relative de 75 % (KEELING et al., 1980), n'a donné de bons résultats que pour les argiles à surfaces essentiellement intracristallines (smectite). Pour les argiles à surfaces exclusivement externes (illites, kaolinite), les surfaces ainsi calculées étaient plus de deux fois plus élevées que les surfaces déterminées par l'adsorption d'azote (BET).

Le calcul des surfaces spécifiques d'argiles de calcium à partir de leur teneur en eau, pour une humidité relative de 20 %, a révélé de bons équilibres avec les valeurs d'azote-BET mesurées pour les argiles ayant des surfaces principalement externes. Pour les argiles présentant des surfaces essentiellement intracristallines seule la moitié des surfaces effectives a été déterminée.

On ne peut pas déterminer les surfaces spécifiques d'argiles à partir de l'adsorption de l'eau sans savoir si l'on est en présence de surfaces surtout intracristallines ou exclusivement externes. C'est pourquoi une information additionnelle est nécessaire, entre autres la détermination indépendante de la surface externe par l'adsorption d'azote (BET).

Technical Report NTB 93-16

Propagation of a Hyperalkaline Plume into the Geological Barrier Surrounding a Radioactive Waste Repository

Résumé

Une conséquence probable de l'implantation d'un dépôt final pour déchets de faible et moyenne activité dans une formation de marnes valanginiennes sera le relâchement d'un panache hyperalcalin dont les valeurs initiales de pH pourraient atteindre 13 ou plus, entraônant une altération agressive de la roche d'accueil environnante. Des relations de stabilité thermodynamique indiquent que divers minéraux de silicates constituant les roches sont instables dans des solutions fortement alcalines; des altérations significatives des propriétés physiques et chimiques de la roche d'accueil sont par conséquent vraisemblables. En raison de la faible concentration de silice, typique du fluide intersticiel des ciments Portland, une roche d'accueil comportant des silicates doit être dissoute au contact initial avec le panache hyperalcalin. La durée d'existence de ce panache pourrait atteindre des dizaines de milliers d'années, voire davantage, selon la quantité de ciment contenue dans le dépôt final. Un modèle géochimique de transport (MPATH), qui comprend la cinétique de réactions chimiques, est utilisé pour évaluer les altérations de marnes valanginiennes soumises à un environnement de pH élevé et pour prédire la propagation spatiale du panache hyperalcalin en fonction du temps. Les calculs prédisent la dissolution du quartz, de minéraux argileux et de la chlorite ainsi que la précipitation de minéraux du groupe des zéolites tels que l'analcime et la natrolite comme de minéraux siliceux feldspath-K et albite. Selon la composition du fluide intrusif et de la roche d'accueil, on prédit en outre la formation d'hydrates de ciment Portland tels que des silicates de calcium et des hydrates d'aluminates en plus d'ettringite et de sel de friedel. La dissolution de minéraux argileux réduit le pH du panache hyperalcalin à des niveaux situés entre 8 et 10 selon la composition du fluide intrusif et de la roche d'accueil. Pour un transport purement advectif à travers un milieu poreux, négligeant les modifications de porosité et de perméabilité, on calcule une vitesse de migration du front de fort pH d'environ un à deux ordres de grandeur en-dessous de celle de l'eau d'infiltration souterraine. En raison de la précipitation de phases secondaires, une rapide diminution de la porosité de la marne se manifeste toutefois à plusieurs mètres du dépôt. La porosité augmente à l'interface entre la roche d'accueil marneuse et le ciment en raison de la faible concentration de silice dans le fluide intersticiel du ciment.

Technischer Bericht NTB 93-15

Endlager für kurzlebige Abfälle
Vorbericht zur Standortwahl

Résumé

A l'issue d'une évaluation qui s'est étendue sur dix années environ, la Nagra (Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle) est à même de proposer au Conseil fédéral un site pour le dépôt final des déchets à vie courte. Les investigations devraient se poursuivre sur celui-ci et, si son aptitude se confirme, un dépôt final y être aménagé. Le Conseil fédéral se prononcera sur cette proposition dans le cadre de la procédure d'octroi d'une autorisation générale qui sera introduite lorsque les documents de requête correspondants auront été élaborés. La décision du Conseil fédéral devra encore être entérinée par les Chambres fédérales.

Le Wellenberg doit être proposé comme site de dépôt final au Conseil fédéral

Des investigations de même nature ont été réalisées sur les quatre sites étudiés. Sur la base des résultats obtenus, le choix de la Nagra s'est porté sur le Wellenberg dans la commune nidwaldienne de Wolfenschiessen. Comparé aux autres sites, le Wellenberg présente des avantages évidents sur le plan de la preuve de la sûreté à long terme dictée par la géologie, comme sur celui d'une réalisation respectueuse de l'environnement.

Les investigations sont suspendues sur les trois sites non retenus, le Bois de la Glaive, commune d'Ollon (VD), l'Oberbauenstock, commune de Bauen (UR) et le Piz Pian Grand, communes de Rossa et Mesocco (GR). Aucun de ces sites n'a révélé de motif d'exclusion sur le plan de la sûreté; ils sont par conséquent retenus comme sites de réserve jusqu'à la réalisation du dépôt final.

Large procédure d'évaluation

La procédure d'évaluation de sites a en fait déjà été engagée en 1978 par la Nagra. Partant de 100 options initiales, quatre sites potentiels pour trois roches d'accueil différentes ont finalement été retenus suite à une procédure en plusieurs étapes. Le tableau «EVALUATION» (page x) résume cette procédure.

On a besoin de données géologiques et hydrogéologiques pour juger un site. Celles-ci peuvent en partie être trouvées dans des études réalisées antérieurement alors que d'autres devront être élaborées à l'aide de nouvelles investigations particulières. Les informations, existantes, recueillies lors de la réalisation d'ouvrages souterrains (tunnels, galeries), ainsi que les possibilités techniques de sondage (travaux d'exploration) constituent par conséquent des éléments importants pour la sélection d'un site.

Autres connaissances préalables – autres programmes d'investigations

De bonnes à très bonnes connaissances préalables existaient pour les sites du Bois de la Glaive, de l'Oberbauenstock et du Piz Pian Grand, en partie grâce à des ouvrages souterrains existants, alors que les possibilités d'exploration à partir de la surface du sol sont dans certains cas très médiocres. Pour le site du Wellenberg par contre on ne disposait d'aucune information préalable fiable provenant de tunnels et la présence d'une roche d'accueil de volume important ne constituait au départ qu'une hypothèse. Le prix du déficit de connaissances initiales s'est concrétisé dans un programme de sondage nettement plus important que pour les trois autres sites, les conditions topographiques favorables du Wellenberg permettant sa réalisation.

Les investigations prévues sur les sites de l'Oberbauenstock et du Piz Pian Grand ont pu être achevées en 1988 déjà. Il a également été possible d'atteindre en 1993 pour les deux autres sites un niveau de connaissances suffisant pour procéder à une évaluation comparable de leur convenance, même si cela a nécessité des travaux plus importants (Wellenberg) et davantage de temps (procédures d'autorisations au Bois de la Glaive). Le déficit de connaissances initiales au Wellenberg a été compensé par plusieurs forages profonds alors qu'au Bois de la Glaive il a été nécessaire de recourir à une longue procédure d'expropriation temporaire avant de pouvoir entreprendre les travaux nécessaires.

Résultats des investigations

L'évaluation de l'aptitude d'un site fait intervenir divers critères de poids différents. La priorité est attribuée aux critères de sécurité radiologique (sécurité lors de l'entreposage des déchets et sécurité à long terme après fermeture du dépôt). Le non-respect de tels critères constitue un motif d'exclusion. La sécurité à long terme est dictée par la situation géologique: si par exemple pour un site particulier l'implantation des cavernes de stockage ne peut pas être réalisée en dehors des zones de roches défavorables, celui-ci doit être éliminé.

Lors de l'évaluation il faut en outre tenir compte de la faisabilité technique du point de vue génie civil (paramètres géotechniques) ainsi que des aspects de protection de l'environnement et de l'aménagement du territoire (respect des diverses prescriptions environnementales, transports, affectation des zones, agriculture, etc.). Les résultats de l'évaluation sont résumés dans le tableau «CONCLUSIONS» (page xi).

Différences substantielles

Aucun des quatres sites n'a dû être éliminé du processus d'évaluation en raison de sa situation géologique. Il existe toutefois des différences substantielles en ce qui concerne les risques de surprises géologiques négatives lors d'investigations ultérieures: en raison de ses excellentes conditions d'exploration le Wellenberg se présente de façon particulièrement favorable de ce point de vue. Pour l'autre site marneux, l'Oberbauenstock, on estime le volume de roche d'accueil disponible de suffisant à un peu juste: ce manque de réserves pourrait compliquer l'évitement d'éventuelles zones de roches moins favorables.

Au Bois de la Glaive le volume de la roche d'accueil pronostiqué a pu être confirmé, notamment par des mesures gravimétriques; la preuve de l'aptitude de ce site du point de vue sécurité présente toutefois des problèmes. Considérant en outre que l'on dispose de meilleures alternatives, il n'y a pas de raisons d'encourir les risques de corrosion du béton et des métaux résultant de l'agressivité de l'anhydrite, une roche sulfatée.

Il n'y a de même pas de raisons d'accepter les problèmes de transport et les difficiles conditions d'exploration et d'élaboration de pronostics du Piz Pian Grand.

Wellenberg: ses avantages par rapport aux autres sites

L'avantage principal du Wellenberg consiste dans la présence d'un important volume de roche marneuse étanche offrant une grande flexibilité pour implanter de façon optimale les cavernes de stockage final. Ces réserves de volumes permettront, lors de la réalisation du dépôt, d'éviter d'éventuelles zones où la roche serait moins favorable. A cela s'ajoutent de bonnes conditions d'accès par rail et par route. Les conditions géotechniques moins favorables passent de ce fait à l'arrière-plan et le coût de réalisation plus élevé des aménagements souterrains peut être accepté au vu des avantages sur le plan de la sécurité.

En raison de l'exigence d'une comparaison sur pied d'égalité des sites potentiels, on en vient souvent à oublier que la procédure d'évaluation doit avant tout assurer la sélection d'un site adéquat sur le plan de la sécurité. On attribue par conséquent une très grande importance à la preuve de la sûreté à long terme du site sélectionné qui doit être traitée avec le degré d'approfondissement exigé pour la requête d'autorisation générale.

Grâce aux conditions d'exploration favorables au Wellenberg il a été possible d'atteindre un haut niveau de connaissance de ce site, ce qui a permi de prouver sa sûreté de façon fiable et par conséquent de répondre largement à cette exigence capitale.

Respect des conditions du Conseil fédéral et des exigences politiques

La sélection du site a été faite en tenant compte de la condition du Conseil fédéral, «livrer des résultats géologiques aussi comparables que possible», et l'exigence politique d'un traitement équivalent des sites. Le niveau de connaissances atteint pour chaque site permet une évaluation comparable de leurs caractéristiques sur le plan des sciences de la terre comme de celui des autres critères de sélection. Cela a été fait en tenant compte des connaissances préalables différentes pour chacun d'eux avant le début des travaux.

Le degré d'acceptation politique, variable d'un site à l'autre, a entraîné des pertes de temps en procédures juridiques. Il n'a toutefois pas été nécessaire de renoncer à un site pour des raisons politiques. Afin d'entreprendre au Bois de la Glaive les investigations concrètes exigées par le Conseil fédéral, la Nagra a eu besoin de plus de cinq ans pour réaliser, sur le plan juridique ainsi que par négociation avec la Commune, les conditions nécessaires à l'exécution des travaux de terrain.

Limitation aux déchets radioactifs à vie courte

Le dépôt final prévu n'accueillera que des déchets de faible et moyenne activité à vie courte. Ceux-ci comprennent notamment les déchets provenant de l'exploitation des centrales nucléaires suisses et de leur démantèlement ultérieur ainsi que ceux issus de la médecine, de l'industrie et de la recherche. Leur activité est déterminée par des radionucléides dont la demi-vie n'excède pas 30 années, leur teneur en radionucléides de longue vie étant limitée à un niveau inoffensif du point de vue sécurité.

Un système de contrôle de qualité intégrai assurera qu'aucun déchet non-conforme ne pourra être entreposé dans le dépôt.

Le contrôle du dépôt final est prévu

La loi exige qu'un dépôt final souterrain doive être sûr sans surveillance. La Nagra prévoit néanmoins des possibilités de contrôle du dépôt final. Les cavernes pleines et dûment colmatées peuvent être surveillées aussi longtemps que la galerie d'accès reste ouverte; la région aux alentours du dépôt final pourra toujours être contrôlée sans aucune restriction. Une surveillance ne remplace pas un concept de sûreté insuffisant; elle ne joue pas de rôle actif pour la sécurité et ne représente en réalité que l'ultime moyen visible apte à prouver aux générations futures que le dépôt final a été correctement réalisé. Une récupération des déchets reste en principe possible. Par souci de sécurité à long terme on ne prévoit toutefois pas de dispositions pour assurer une récupération des déchets techniquement simple et économique: on accepte consciemment qu'elle nécessiterait des moyens importants.

Comment les choses se poursuivront­elles?

Pour commencer la Nagra prévoit achever les travaux de rédaction des exhaustifs rapports scientifiques en cours, afin que les autorités de sécurité de la Confédération puissent en évaluer les conclusions. Dans le courant de 1994 les documents nécessaires pour la demande d'octroi d'autorisation générale seront élaborés et la requête correspondante déposée. Au préalable diverses démarches juridiques indispensables devront encore être entreprises, notamment la fondation d'une Société de construction.

Technical Report NTB 93-14

Methodology for Deriving Hydrogelogical Input Parameters for Safety-Analysis Models - Application to Fractured Crystalline Rocks of Northern Switzerland

Résumé

La Suisse fait partie des nombreux pays qui, disposant de l'énergie nucléaire, cherchent à identifier les types de roches et les localisations appropriés à un stockage souterrain des déchets nucléaires. Un défi commun à tous ces programmes consiste à fournir aux ingénieurs de projet et aux analystes de la sûreté une base de données hydrogéologiques raisonnablement représentative, et qui synthétise non seulement les informations utiles provenant des observations directes sur site, mais également les conclusions et modélisations découlant de ces informations. On a alors besoin d'une estimation du flux volumétrique à travers la roche et de la distribution de ce flux en voies d'écoulement discrètes entre le dépôt final et la biosphère. Ces flux ne sont pas directement mesurables, mais doivent être évalués, sur la base des différentes conditions hydrogéologiques possibles attendues dans la zone étudiée.

La méthodologie décrite dans ce rapport utilise des modèles conceptuels et numériques à des échelles différentes, afin de constituer une base de données d'entrée. Cette méthodologie incorpore une approche novatrice, appelée approche géométrique, dans laquelle les observations sur site et les incertitudes qui s'y rapportent, associées à une représentation conceptuelle des éléments qui affectent le plus le régime des eaux souterraines, ont été rigoureusement utilisées pour générer les différents scénarios des conditions hydrogéologiques de la géosphère. Dans cette approche, la fourchette des résultats reflète directement les incertitudes sur les données d'entrée.

A titre d'exemple, cette méthode a été utilisée pour l'obtention du jeu de données hydrogéologiques pour le socle cristallin du Nord de la Suisse. Les différentes étapes en sont développées ci-après.

Le modèle conceptuel du système de circulation des eaux souterraines dans le socle cristallin du Nord de la Suisse comprend des descriptions de la structure hydrogéologique et de la circulation des eaux souterraines. Les roches cristallines sont structurées en blocs séparés par des zones de failles aquifères majeures. Ces blocs comportent, à petite échelle, des systèmes aquifères dont les propriétés transmissives diminuent avec la profondeur, donnant ainsi un domaine supérieur relativement perméable (d'une épaisseur d'environ 500 mètres) et un domaine sous-jacent faiblement perméable. Dans la région étudiée, les eaux souterraines s'écoulent d'une zone d'infiltration principale située au sud de la Forêt Noire, en Allemagne, vers la zone principale d'exfiltration située le long du Rhin. A une beaucoup plus petite échelle, la circulation des eaux souterraines dans le domaine faiblement perméable a lieu principalement dans un réseau complexe de failles aquifères ou d'éléments transmissifs.

Des modèles numériques de circulation des eaux à une échelle régionale et à une échelle locale ont été développés afin de décrire les zones d'infiltration et d'exfiltration, ainsi que les voies d'écoulement générales des sites potentiels vers les régions d'exfiltration. La modélisation conceptuelle de l'écoulement régional s'appuie sur le modèle à l'échelle régionale. Le modèle à l'échelle locale utilise une approche de modélisation hybride dans laquelle chacune des unités hydrogéologiques principales est traitée comme un milieu poreux équivalent, tandis que les zones de failles aquifères majeures sont décrites explicitement. Les résultats de la modélisation montrent que les caractéristiques de la circulation des eaux souterraines à l'échelle locale dépendent de façon significative de la fréquence d'occurrence des failles aquifères majeures. Deux scénarios ont été testés: l'un tient compte d'une fréquence élevée de failles (scénario complet), l'autre d'une fréquence faible. Des distributions du gradient hydraulique ont été générées pour chacun de ces scénarios.

Une modélisation à l'échelle du bloc, ou à l'échelle du dépôt final, a été effectuée afin d'évaluer la distribution de l'écoulement dans les éléments transmissifs en fonction de leur géométrie et de leurs propriétés hydrauliques. Le but est d'évaluer la fourchette des longueurs de voies d'écoulement et des débits, du dépôt final jusqu'aux zones de failles aquifères majeures qui sont supposées conditionner la géométrie de ce dépôt. Les différentes venues d'eau observées dans les forages sont supposées correspondre aux les éléments transmissifs, principales voies d'écoulement de l'eau dans le domaine faiblement perméable.

Le modèle numérique discontinu NAPSAC a été utilisé pour intégrer les informations statistiques des forages en une structure stochastique d'éléments transmissifs discrets. Le modèle NAPSAC permet l'introduction de toutes les propriétés géométriques et hydrauliques des éléments transmissifs, propriétés supposées influencer la distribution des écoulements des eaux souterraines à l'échelle du bloc. Les incertitudes sont prises en compte en générant un grand nombre de distributions possibles d'éléments transmissifs. Ces résultats ont permis de déterminer l'intersection des éléments transmissifs simulés avec les tunnels du dépôt final. Pour les éléments transmissifs coupant un segment de tunnel, on a obtenu les distributions des propriétés géométriques et hydrauliques suivantes d'éléments: nombre, longueur du tracé, transmissivité, conductance, et, voies d'écoulement effectives avec longueur entre le tunnel et les limites du bloc.

La distribution de la taille des éléments transmissifs est une des principales inconnues. Après une analyse de sensibilité, il a été démontré que les caractéristiques géométriques et hydrauliques des éléments transmissifs sont relativement indépendantes de cette distribution. Toutefois, le régime général de l'écoulement à l'intérieur d'un bloc dépend de la connectivité des éléments transmissifs, celle-ci étant une fonction de la taille.

Une approche géométrique a été développée pour évaluer la circulation de l'eau à l'échelle du bloc. Dans cette approche, on a multiplié directement les gradients provenant du modèle hybride à l'échelle locale par la conductivité individuelle des éléments transmissifs, ceci afin de générer les différents flux volumiques possibles dans chacun des éléments transmissifs. Les paramètres spécifiques obtenus sont: l'écoulement à travers un seul élément transmissif, l'écoulement normalisé à travers les éléments transmissifs individuels, l'écoulement total à travers un tronçon de tunnel d'une longueur de 500 mètres et l'écoulement total à travers le dépôt final. Après comparaison, l'approche géométrique a donné des résultats pessimistes par rapport aux résultats de la simulation dynamique des écoulements, appelée approche dynamique et utilisant la même structure géométrique. Les résultats géométriques et hydrogéologiques ont été combinées pour fournir le jeu de données utilisé actuellement dans l'analyse de sûreté d'un dépôt final dans les roches cristallines du Nord de la Suisse.

L'approche géométrique diffère de la modélisation hydrodynamique standard en ce sens qu'elle assume que la force de mise en mouvement (gradient), telle qu'elle est déterminée dans le modèle à échelle locale, n'est pas influencée par la variation des paramètres hydrauliques à l'échelle du bloc. La méthode géométrique fournit des valeurs d'écoulement des eaux souterraines indiscutablement conservatrices (pessimistes), et sa simplicité d'implémentation est un avantage. Cette approche constitue ainsi un compromis satisfaisant entre une approche plus complexe (aux résultats réalistes mais incertains) et une approche simple (aux résultats plus fiables d'un point de vue pessimiste).

Technical Report NTB 93-13

Scenario Development for Kristallin-I

Résumé

Ce rapport décrit le développement de scénarios pour l'analyse de sûreté «Kristallin-I», qui est une évaluation de la sûreté radiologique après fermeture d'un dépôt final pour déchets radioactifs de haute activité vitrifiés, situé dans le socle cristallin du nord de la Suisse.

Le rapport:

Technical Report NTB 93-12

Geology of the Crystalline Basement of Northern Switzerland and Derivation of Geological Input Data for Safety Assessment Models

Résumé

Le socle cristallin du nord de la Suisse a été étudié dans 6 forages profonds réalisés par la Nagra et dans 16 forages plus anciens, ainsi que par des investigations géophysiques, géologiques et hydrogéologiques régionales, aussi bien sur la couverture sédimentaire que sur les affleurements du socle, en Forêt Noire. Sous la couverture sédimentaire du nord de la Suisse, le socle est constitué de gneiss hautement métamorphisés (principalement des métapélites et des paragneiss issus de grauwackes), qui ont subi l'intrusion des granites et des roches filonniennes varisques (aplites, pegmatites, porphyres granitiques ou rhyolitiques, lamprophyres). L'évolution tardi à postvarisque est caractérisée par une série de phases hydrothermales d'origine tectonique, c'est à dire d'événements de déformation cassante (failles, diaclases) suivis d'une altération hydrothermale due à l'interaction de la roche avec les fluides circulant dans les cassures. Les phases à haute température du Carbonifère tardif ont provoqué, le long de ces cassures, une altération de la roche encaissante en un faciès de type schistes verts (principalement albitisation/séritisation des plagioclases et chloritisation de la biotite). Les phases à basse température du Permien inférieur, quant à elles, ont provoqué surtout la formation d'argiles (les plagioclases se transforment en illite, illite/smectite). Les événements ultérieurs comprennent une altération en kaolinite essentiellement, indiquant une déformation cassante relativement modeste, la formation de druses dans les zones de faible résistance comme les zones cataclastiques, la précipitation de calcite dans les fissures et la formation de veines métallifères.

Les diagraphies de température et de salinité dans les forages ont fourni la principale méthode de détection de points de flux d'eau. On a détecté en tout 138 de ces points dans le socle cristallin des 6 forages profonds de la Nagra. L'analyse des structures à petite échelle, de la minéralogie et de la porosité des carottes au voisinage des points de flux d'eau a permis de définir 3 types régionaux de structures ou milieux aquifères, soit

On n'a observé aucune différence importante entre les structures aquifères des granites et ceux des gneiss. Le schéma régional de classification des structures aquifères obtenu à partir des données des forages est assez comparable à celui de la Forêt Noire, élaboré à partir d'observations sur affleurements ou en tunnel. Une différence toutefois est la présence en Forêt Noire d'amas de veines métallifères perméables. De tels amas n'ont pas été observés avec la même ampleur dans le nord de la Suisse, soit qu'ils ne sont pas présents, soit qu'ils n'ont pas été rencontrés en raison du programme d'investigations limité.

Tandis que la fréquence d'occurence relative des structures aquifères ne varie pas avec la profondeur, leur conductivité hydraulique est une fonction de la profondeur. Les premiers 350 à 650 m du socle cristallin ont révélé une conductivité hydraulique supérieure à 10-9 m/s dans tous les forages, tandis que les parties plus profondes montrent soit des valeurs inférieures (p. ex. à Böttstein), soit des valeurs semblables (p. ex. à Kaisten).

Dans les modèles géologiques conceptuels, on représente de manière simplifiée la géométrie à petite échelle des structures aquifères, c'est à dire la distribution spatiale des porosités efficaces (fissures ouvertes, vacuoles, druses), des remplissages de failles ou fissures (p. ex. matrices cataclastiques, minéralisations de diaclase) et des lithologies des roches encaissantes (p. ex. auréoles d'altération le long des fissures, roches intactes). Ces modèles fournissent, avec les données sur la minéralogie et la porosité ouverte de tous les domaines lithologiques, des données d'entrée directes pour la quantification du transport des radioéléments à travers la géosphère par convection, diffusion dans la matrice, adsorption et désintégration radioactive.

Technical Report NTB 93-10

Grimsel Test Site
Investigation of Hydraulic Parameters in the Saturated and Unsaturated Zone of the Ventilation Drift

Résumé

Le présent rapport documente les résultats des investigations de la Cédra dans le tunnel de ventilation durant la phase 3 (1991 – 1993) sur le site du laboratoire souterrain du Grimsel. Les études furent axées sur des sujets liés à la zone non saturée se formant au pourtour des tunnels sous l'effet de la ventilation.

La zone non saturée fut décrite grâce à des mesures ponctuelles du potentiel hydraulique et de la saturation en eau. Le potentiel hydraulique fut mesuré avec des psychromètres à thermocouple et le contenu en eau grâce à la technique "time­domain reflectometry". Ces procédés de mesure ont tous deux été adaptés au milieu cristallin peu perméable. Les mesures furent effectuées en phase de saturation comme de désaturation de la matrice rocheuse; aucun effet irréversible dû à la ventilation du tunnel ne put être mis en évidence.

Une méthode originale basée sur des mesures discrètes fut développée pour estimer le flux d'eau des sections peu perméables de la roche vers le tunnel. Le flux de vapeur à la surface du tunnel est calculé à partir de mesures différentielles de température et d'humidité relative dans une cuvette de mesure (évapomètre). Les résultats servirent à estimer le bilan de flux d'eau pour la première section du tunnel de ventilation; une comparaison avec les résultats des tests de ventilation classiques de la phase 2 montrèrent que le flux est légèrement inférieur (facteur 2 environ).

Une première étude fut entreprise avec pour objectif la mesure de la moyenne et de la variabilité du flux d'eau vers la section isolée du tunnel, en postulant une distribution géostatistique des points discrets de mesure du flux. L'étude démontra que, se basant sur un faible nombre de mesures régulièrement distribuées en fonction des unités structurelles du tronçon de tunnel, il est possible de calculer la moyenne du flux d'eau avec une erreur de moins de 20 %.

Technischer Bericht NTB 93-09

Kristall in-I
Gesamtsynthese der regionalen Untersuchungen zur Endlagerung hochaktiver Abfälle im kristallinen Grundgebirge der Nordschweiz

Résumé

L'actuelle stratégie de la Nagra prévoit l'élimination des déchets de haute activité et de moyenne activité à vie longue dans un dépôt final aménagé dans une formation géologique profonde. Le sous-sol cristallin du nord de la Suisse a été identifié pour servir de roche d'accueil potentielle à un dépôt final de ce type. En 1981, un plan devant se dérouler en trois phases a été élaboré et entrepris en vue de la caractérisation géologique. Le programme Cristallin-I comprend une synthèse des résultats des recherches régionales de terrain de la Phase l, recherches qui ont d'ailleurs été récemment terminées. Cette synthèse se base largement sur le concept de dépôt final qui avait été présenté dans le Projet Garantie 1985 (PG'85; Nagra 1985). En 1988, les autorités suisses chargées de la sûreté des installations ont présenté leur expertise du Projet Garantie; pour elles, PG'85 a démontré la faisabilité technique fondamentale de ce dépôt final et montré en plus que le concept de stockage final présenté pourrait garantir une sûreté suffisante pour les déchets vitrifiés de haute activité (DHA). Mais les données géologiques disponibles à l'époque étant limitées, les autorités ont exigé une preuve de site plus convaincante pour les possibilités de stockage final en Suisse. Dès 1988, on a donc procédé à des recherches sur des formations sédimentaires, simultanément aux études sur la roche d'accueil cristalline.

Le programme Cristallin-I poursuit les principaux objectifs suivants:

 Ce rapport donne une vue exhaustive de l'ensemble du projet. Il est complété par deux rapports techniques de synthèse, l'un contenant les résultats des études géologiques (Thury et al. 1994), l'autre documentant l'analyse de sûreté qui lui est liée (Nagra 1994). Ces rapports de synthèse se fondent quant à eux sur de nombreuses publications plus spécialisées, parues pour la plupart dans la série des rapports techniques de la Nagra (NTB).

La sélection du socle cristallin du nord de la Suisse comme roche d'accueil potentielle s'est faite sur la base de critères tels que la bonne prévisibilité à long terme des conditions géologiques, les propriétés hydrogéologiques potentiellement favorables, la faible sismicité, l'absence de ressources naturelles exploitables, ainsi que les caractéristiques mécaniques et techniques (construction) favorables de la roche. La caractérisation régionale réalisée au cours de la Phase I a compris d'importantes analyses sismiques ainsi que la réalisation de sept forages profonds (1300 à 2500 m), analysés en détail. La cartographie géologique et les investigations hydrogéologiques et hydrochimiques ont été réalisées dans la région de recherche et à côté, dans le sud de la Forêt-Noire où le socle cristallin affleure.

Les progrès réalisés depuis la parution du PG'85 sont évidents tant au niveau de la meilleure compréhension géologique du socle dans les zones concernées, qu'à celui de la représentation des informations ainsi acquises dans une base de données géologiques en vue de l'analyse de sûreté. Ils concernent notamment:

 Par ailleurs, le rapport de géosynthèse intègre toutes les informations clés obtenues jusqu'à présent, qui dans leur ensemble accroissent la confiance dans les concepts développés dans diverses branches techniques (tectonique, hydrogéologie, géochimie, etc.).

Sur la base de la structure géologique escomptée, une certaine conception du dépôt final a été définie: des zones de galerie destinées à l'emmagasinage des DHA sont aménagées dans le socle cristallin de faible perméabilité, entre les perturbations régionales subverticales. Pour l'inventaire de référence par exemple (déchets provenant de l'exploitation des centrales nucléaires de 3 GW(e) existantes, prévue sur une durée de 40 ans), il suffirait de disposer de trois zones de dépôt aménagées dans des blocs rocheux d'environ 0.3 km². A une profondeur référence d'environ 1000 m au-dessous de la surface du sol, les galeries de stockage seraient recouvertes par 100 m au moins de roche d'accueil faiblement perméable, plusieurs centaines de mètres de roche cristalline plus fortement perméable et quelques centaines de mètres de roche sédimentaire. La conception de ce dépôt final comprend aussi des silos pour le stockage définitif des déchets de moyenne activité à vie longue, ce qui n'a toutefois pas fait l'objet d'études plus poussées dans le cadre du programme Cristallin-I.

La planification stratégique de l'élimination des déchets en Suisse tient compte aussi d'autres scénarios de production d'énergie nucléaire, ainsi que de l'option du stockage final direct des futurs éléments combustibles usés, ce qui n'a toutefois pas fait l'objet d'études plus poussées dans le cadre de la synthèse du programme Cristallin-I.

Comme on l'a présenté dans PG'85, les DHA vitrifiés seraient confinés dans une coquille en acier massif, placée dans un conteneur en acier inoxydable, lui-même emmagasiné dans des galeries horizontales, remplies de bentonite hautement compactée. Depuis le PG'85, les méthodes et bases de données utilisées pour l'analyse de sûreté de ce concept de dépôt final ont été quelque peu améliorées, notamment par:

Partant d'hypothèses de modèles et de données légèrement pessimistes (le cas de référence), une analyse indique que le relâchement maximum des radionucléides, dû surtout au Cs-135, serait de deux ordres de grandeur de moins que la valeur prescrite dans les directives, et inférieur de trois à quatre ordres de grandeur au taux d'irradiation naturel en Suisse. On ne prévoit en effet pas de relâchement au cours des 10'000 premières années; les faibles relâchements susceptibles d'apparaître n'atteindraient leur maximum qu'au bout de plus de 100'000 ans.

Le comportement global du système de dépôt final est dominé par le champ proche – la roche d'accueil contribue de manière essentielle à la protection physique des barrières techniques et garantit un écoulement relativement faible des eaux souterraines à travers le dépôt final. Dans le cas de référence, on suppose, sur la base de données restreintes, une description très pessimiste des structures dans lesquelles l'eau souterraine s'écoule à travers le socle cristallin – d'autres descriptions indiquent que la géosphère pourrait aussi jouer un rôle important en tant que barrière.

On tient compte de l'incertitude du comportement à long terme du système de dépôt final, en analysant toute une série d'autres scénarios possibles. On définit notamment un scénario robuste, pour lequel on dispose, sur la base d'hypothèses très pessimistes, d'estimations limites sur les effets des paramètres et des processus. Même la combinaison extrêmement pessimiste de paramètres et hypothèses de modèles pessimistes eux aussi, dans le cadre de ce scénario, ne conduit pas à des doses qui dépassent les valeurs prescrites par les autorités.

Il ressort des résultats du projet Cristallin-I que le socle cristallin est une option d'accueil que l'on a retenue pour le dépôt final DHA. Une stratégie d'investigation a donc été mise au point pour les Phases Il et III de la caractérisation du site depuis la surface et depuis le sous-sol. Pour commencer, cela comprend des analyses sismiques de résolution élevée et une série de forages inclinés, permettant de clarifier encore les questions clés concernant l'extension latérale de blocs adéquats à l'intérieur du socle cristallin. Vu la prochaine date la plus importante du programme DHA – Projet Preuve de l'élimination d'ici l'an 2000 – il est prudent de minimiser les risques de retard ou de complications géologiques en concentrant la Phase Il sur le site d'un forage profond existant, où l'on s'attend à trouver des conditions locales favorables (par exemple Leuggern ou Böttstein).

La méthodologie et les bases de données mises au point dans le projet Cristallin-I forment une infrastructure destinée à l'analyse d'autres types de déchets, qui seraient emmagasinés dans un dépôt final profond DHA (éléments combustibles et divers types de déchets de moyenne activité à vie longue), ainsi qu'à l'évaluation des possibilités de l'argile à Opalinum considérée comme roche d'accueil potentielle. Le cas de référence du projet Cristallin-I sert à comparer le comportement attendu de différentes combinaisons de types de déchets et de roche d'accueil.

La documentation de la compréhension du système dans le cadre du développement du scénario permet d'identifier des incertitudes pouvant être importantes. Cela sert de base à l'élaboration d'une liste plus détaillée d'objectifs de recherche. L'analyse de sensibilité réalisée dans le cadre de l'analyse de sûreté du programme Cristallin-I permet d'évaluer l'importance relative de paramètres individuels, ce qui est à la base des priorités de recherche posées. La documentation technique de Cristallin-I est aussi à la base d'aspects d'information pouvant être accessibles à un public plus large. L'information de la population des régions de recherche prend toujours plus d'importance, vu que le programme DHA passe à la phase de la caractérisation du site, tant pour l'option du socle cristallin que pour celle de l'argile à Opalinum. Pour promouvoir l'acceptation publique, les procédures utilisées doivent être aussi transparentes que possible. Planifié dans cette optique, le projet Cristallin-I doit fonder les futures études de ce type.

En perspective de I'évolution à long terme d'une stratégie DHA nationale, la synthèse Cristallin-I a quelques points clés, notamment la confirmation du fait que la roche est suffisamment prometteuse et que donc d'autres investigations sont envisageables et qu'on peut procéder à la sélection des meilleurs sites. Mais il est important de noter que, même si les recherches donnent des résultats très positifs, le site spécifique choisi a peu de chance d'être le site qui sera retenu pour le dépôt final. Au niveau local, I'amélioration de I'accès au puits conduirait certainement à de nouvelles zones pour le puits. Au niveau régional, les longs espaces de temps disponibles pour la réalisation signifient qu'il n'est pas exclu de faire des comparaisons avec d'autres sites du socle cristallin; au niveau national, il est par ailleurs possible de construire un dépôt final dans I'argile; et au niveau international, c’est bien sûr la possibilité d'une collaboration qui s'impose. Bien que le programme Cristallin-I et le prochain Projet Preuve de I'élimination 2000 ne permettent certainement pas la réalisation immédiate ni même prochaine d'un dépôt final DHA, leur objectif consiste néanmoins à fournir à la population suisse la preuve convaincante et complète que nous pouvons, si nécessaire, construire le dépôt final DHA à I'intérieur de nos propres frontières, ce qui reste un élément clé de la stratégie à long terme que nous poursuivons en matière de gestion des déchets radioactifs.

Technical Report NTB 93-08

Sorption Databases for the Cementitious Near-Field of a UILW Repository for Performance Assessment

Résumé

Le dépôt final pour déchets de faible et moyenne activité à vie courte (DFMA) contient en poids environ 95 % de béton, env. 4 % d'acier et env. 1 % de déchets constitués de composés organiques de poids moléculaires élevés. La sorption de radionucléides par le béton représente l'un des plus importants mécanismes de retardation dans les cavernes de stockage final. Les caractéristiques de sorption de la pierre de ciment, sous conditions prévalant dans un dépôt final, c.-à-d. du matériau de sorption majeur des radionucléides significatifs pour la sécurité dans le béton, sont présentées dans ce rapport sous forme d'ensembles de données qui peuvent être utilisés directement dans les analyses de sûreté.

Divers phénomènes influençant la sorption des radionucléides dans les cavernes de stockage final affectent la pierre de ciment. De l'extérieur ce sera la lixiviation de la pierre de ciment par la circulation d'eau souterraine. De l'intérieur cela sera la dissolution, dans l'eau intersticielle du ciment, de composants de déchets qui d'une part réagissent avec certains radionucléides et de ce fait peuvent modifier leurs caractéristiques de sorption et d'autre part réagissent avec la pierre de ciment et peuvent par conséquent modifier sa dissolution.

Dans le présent rapport il a été tenu compte des processus qui influencent la sorption sur la pierre de ciment dans les cavernes de stockage sous forme de divers ensembles de données. La dégradation (lixiviation) de la pierre de ciment a été appréhendée par trois étapes de désintégration caractéristiques. L'état redox de la pierre de ciment a été considéré par ses deux extrêmes (oxydant et réducteur). L'effet d'agents complexants a été représenté dans le cadre de 10 groupes de substances. Ces groupes sont constitués pour moitié de divers composés organiques de poids moléculaires élevés qui apparaissent en grandes quantités dans les déchets et qui se désintègrent en composés de faibles poids moléculaires dans les cavernes de stockage final. A côté de ces 5 groupes de substances on a retenu 5 composés de faibles poids moléculaires que l'on trouve en grandes quantités ou qui présentent une forte aptitude à former des complexes avec les radionucléides.

Les coefficients de distribution des radionucléides dans la pierre de ciment contenus dans le présent rapport se basent pour une grande partie sur des résultats de mesures faites sous conditions représentatives du stockage final. Cela concerne principalement la pierre de ciment sans agents complexants. Le choix des coefficients de distribution tirés de travaux originaux est expliqué, permettant ainsi de retracer l'origine des données. Lorsque les informations souffraient de lacunes, les hypothèses introduites sont présentées de façon explicite. Pour les radionucléides significatifs du point de vue de la sûreté et pour lesquels on manque pour l'heure encore de valeurs publiées, les coefficients de distribution ont été choisis par analogie chimique avec d'autres éléments chimiques.

Technical Report NTB 93-07

Chemistry of Reference Waters of the Crystalline Basement of Northern Switzerland for Safety Assessment Studies

Résumé

La connaissance du chimisme des eaux souterraines des formations envisagées comme roches d'accueil pour le dépôt final de déchets radioactifs est nécessaire pour évaluer le comportement de tels dépôts; il en est de même pour la réalisation d'essais en labora­toire. Deux sites potentiels dans le cristallin du Nord de la Suisse sont à l'étude. Ce rapport présente le chimisme des eaux souterraines de ces deux sites qui servira de réfé­rence pour ces évaluations.

Le site occidental se trouve dans la region définie par les forages de Kaisten, Leuggern, Böttstein et Zurzach. L'eau de reference correspondante est de type Na-SO₄-(CI-HCO₃) avec une minéralisation totale de 1.0 g/l. Sa composition est basée sur des échantillons préléves dans les forages de Leuggern, Böttstein et Zurzach. L'eau de Kaisten est plus saline (1.3 g/l). Les plages de concentration pour l'eau de référence incluent toutefois les valeurs de Kaisten. Des échantillons et des analyses de haute qualité provenant en particulier de prélèvements effectués durant de longues périodes a Zurzach et à Leuggern définissent les domaines de concentration de nombreux éléments traces. La définition de cette eau présuppose une saturation en calcite, barite, fluorite, calcédoine et kaolinite. Le potentiel rédox (pe) de référence est basé sur l'hypothèse que le fer est contrôlé par le minéral goethite. Il est en accord avec d'autres indicateurs rédox tels que la mesure du potentiel de l'électrode Pt et le rapport de l'As(V) dissous à l'As (Ill).

Le site potentiel oriental est caractérisé par le forage de Siblingen. L'eau de référence est ici de type Na-HCO₃-SO₄-(Cl) avec une minéralisation totale d'environ 0.5 g/l. Seuls trois échantillons prélevés durant les travaux de forage sont disponibles pour caractériser cette eau qui par conséquent ne peut être définie avec autant de détails et de précision que celle du site occidental. Sa défimition présuppose une saturation en calcite, barite et fluorite. Les échantillons ne permettent qu'une definition approximative de son potentiel rédox et de sa concentration en métaux sensibles à ce potentiel comme le Fe, le Mn et l'u. Pour la plupart, les données relatives aux éléments traces ne sont pas disponibles.

De faibles quantités d'eaux beaucoup plus salines ont été trouvées en deux points situés dans le domaine des eaux de référence occidentales. Un échantillon d'une eau de type Na-(Ca)-Cl-(SO₄) a été prélevé à 1326 ID de profondeur à Bottstein, et d'une eau de type Na-Ca-SO₄ à 923 m à Leuggern. Ces eaux présentent une minéralisation totale de respectivement 13 et 5 g/l et leurs compositions chimiques figurent dans le rapport. Elles représentent probablement des valeurs extrêmes du domaine de variation des eaux qui pourraient être rencontrées dans certaines parties d'un dépot final dans le cristallin.

Technical Report NTB 93-06

Sorption Databases for Crystalline, Marl and Bentonite for Performance Assessment

Résumé

Dans un dépôt final pour déchets radioactifs de haute activité (DHA), les fûts de déchets seront entourés de bentonite compactée (référence MX-80). Le socle cristallin du nord de la Suisse a été étudié comme site possible. Le dépôt final prévu au Wellenberg pour les déchets de faible et moyenne activité (DFMA) à vie courte se trouve dans les marnes du Valanginien. Le présent rapport fournit les données sur les propriétés de sorption des radioéléments déterminants pour les analyses de sûreté en condition de dépôt final dans les roches cristallines du nord de la Suisse, les marnes du Valanginien au Wellenberg et dans la bentonite compactée. Ces données peuvent être utilisées directement pour les analyses de sûreté.

L'hétérogénéité du milieu cristallin et des marnes du Valanginien, en ce qui concerne les propriétés de sorption, est prise en compte dans plusieurs séries de données. Dans le milieu cristallin, on a distingué 13 compositions minéralogiques différentes et deux types d'eau souterraine dans les systèmes de circulation d'eau. Dans les marnes du Valanginien, on a distingué 5 compositions minéralogiques différentes et deux types d'eau souterraine dans les systèmes de circulation d'eau.

Comme on ne dispose que de peu de mesures de sorption pour les différents types de roche du milieu cristallin et des marnes du Valanginien, on a utilisé en premier lieu des données de sorption des différents minéraux qui composent ces roches. Pour ces minéraux, il existe des données de sorption de la plupart des radioéléments qui sont déterminants pour les analyses de sûreté. Ces données sont traduites dans le présent rapport en volumineuses séries de coefficients de répartition par élément. Les coefficients de répartition ont été établis en fonction de l'abondance pondérale relative des différents minéraux dans les roches.

Les séries de données de sorption pour les analyses de sûreté comportent pour chaque élément chimique et pour chaque type de roche une valeur réaliste et une valeur pessimiste du coefficient de répartition Kd. La valeur réaliste correspond à l'estimation la plus plausible dans les conditions de référence spécifiées pour la phase solide et la phase liquide. La valeur pessimiste correspond à l'estimation la plus plausible en utilisant des paramètres qui s'éloignent défavorablement des conditions de référence spécifiées pour la phase solide et la phase liquide. Pour les éléments sensibles aux conditions redox, ces dernières sont un paramètre critique qui peut s'éloigner sensiblement des conditions de référence. Pour de nombreux éléments chimiques, le pH est un paramètre critique, et pour d'autres c'est plutôt la présence de traces de certaines substances solides.

On compare les séries de données de sorption présentées dans ce rapport, pour les analyses de sûreté dans le socle cristallin du nord de la Suisse et pour la bentonite compactée, avec celles fournies par les projeteurs et exploitants de dépôts finals en Finlande, en Suède et au Japon (pour la bentonite seulement).

Technical Report NTB 93-05

Hydrological Investigations at Wellenberg:
Hydraulic Packer Testing in Boreholes SB3, SB4 and SB6
Methods and Field Results

Résumé

Le site du Wellenberg, situé en Suisse centrale dans le canton de Nidwald, est étudié comme site possible pour l'implantation d'un dépôt final de déchets radioactifs. Cinq forages profonds ont été réalisés sur ce site. Le présent rapport décrit les essais hydrauliques exécutés avec des obturateurs dans trois de ces forages (SB3, SB4 et SB6) entre juin 1990 et décembre 1991.

63 essais en tout, avec obturateurs simples et doubles, ont été réalisés et analysés. L'objectif principal de ces essais était la détermination des pressions hydrauliques et des conductivités hydrauliques. 14 essais ont été principalement planifiés et réalisés pour le prélèvement d'échantillons d'eaux souterraines. On a tenu compte de la présence présumée de méthane dans la roche in situ lors de la planification, puis de la réalisation et de l'interprétation des essais.

L'équipement engagé pour ces essais comprenait un «testtool hydrologique» du type Baker/Lynes. Une pompe Moineau servait de pompe principale dans l'équipement de pompage souterrain lors des essais de prélèvement. Pour les essais d'injection on a utilisé des pompes Grundfos et Shimadzu.

Comme on escomptait des venues de gaz méthane durant les essais, on a utilisé un séparateur de gaz horizontal. On disposait en outre d'un système de mesure de débit qui était connecté à l'équipement d'acquisition électronique des données.

L'analyse des données fournies par les essais de pressions transitoires a été faite à l'aide des logiciels «Interpret» et «Interpret/2» en vue de leur évaluation. On a porté une attention toute spéciale à l'utilisation de la méthode d'analyse, basée sur le débit constant pour l'analyse des séquences discontinues d'essais (tels qu'essais «sIug» et «pulse») ainsi que pour les séquences d'essais avec pression d'alimentation en surface constante. Les faibles conductivités hydrauliques dans les intervalles des formations rocheuses mesurées peuvent aboutir à des conclusions multiples lors de l'évaluation des essais. On a réalisé des analyses de sensibilité pour des intervalles d'essais sélectionnés afin d'estimer le domaine d'erreurs possibles lors de l'évaluation des mesures. On a étudié l'influence de l'histoire du forage et des paramètres d'entrée sur le résultat des analyses.

Des analyses préliminaires ont été faites pour chaque intervalle étudié. Des évaluations détaillées ont été réalisées pour 28 intervalles sélectionnés qui sont chacune documentée dans un rapport particulier. Les résultats des deux méthodes d'analyses (préliminaire et détaillée) sont présentés dans ce rapport. Les données représentatives, avec analyses et résultats de tous les essais réalisés figurent en annexe.

Les conductivités hydrauliques déterminées pour la marne valanginienne varient entre 10^-13 et 10^-7 m/s. Des valeurs plus élevées (jusqu'à 10^-6 m/s) ont été mesurées dans les zones supérieures des forages SB3 et SB4, en partie dans les formations marneuses et les masses de glissement. Des conditions artésiennes prévalaient dans la partie supérieure de tous les forages ainsi que dans la région la plus basse du forage SB3. Les niveaux piézometriques équivalents d'eau douce de grandes sections des forages SB3 et SB4 se situaient à plusieurs centaines de mètres en-dessous de la surface du sol.

La présence de gaz dans la formation de marne valanginienne a été confirmée mais les volumes rencontrés furent toutefois beaucoup plus modestes que prévu initialement.

Technical Report NTB 93-04

TAME – The Terrestrial-Aquatic Model of the Environment:
Model Definition

Résumé

TAME, le Terrestrial-Aquatic Model of the Environment, est un nouveau modèle ordinatique utilisé dans l'analyse de l'impact radiologique du relâchement des radionucléides dans la biosphère, suite au stockage des déchets dans les dépôts ultimes souterrains. Basé sur des exigences réglementaires, le but des calculs en est la détermination de la dose maximale annuelle reçue par un individu membre d'une population hypothétique habitant la biosphère. TAME calcule également les valeurs intermédiaires et finales de la dose en fonction du temps pour onze voies d'exposition, les concentrations dans les denrées alimentaires et la distribution des radionucléides dans la biosphère modélisée.

Ce document donne une description complète des représentations mathématiques de la biosphère dans TAME. Celles-ci sont basées sur l'examen détaillé de la structure conceptuelle sous-jacente du modèle considéré. Des cas-tests permettent, d'une part d'illustrer le comportement des modèles conceptuels et mathématiques, d'autre part de mettre en lumière les domaines où les simplifications utilisées pour définir la biosphère considérée doivent être révisées dans les applications futures. On montre que la valeur finale des doses est peu sensible aux hypothèses simplificatrices du modèle, faites pour décrire la biosphère dans les calculs des cas-tests.

TAME comprend deux sous-modèles distincts: l'un représente le transport des radionucléides dans l'environnement proche de la surface; l'autre calcule les doses reçues par les habitants de la biosphère. Le premier sous-modèle provient d'un examen détaillé des exigences de modélisation pour de telles applications. Il s'appuie sur la compréhension de toutes les caractéristiques, évènements et processus (FEPs) relatifs aux biosphères suisses, tant en ce qui concerne la biosphère actuelle, que les états possibles des futures biosphères. Le bilan de masse pour les flux des matériaux solides et d'eau sont utilisées pour déterminer des faux de transport entre les compartiments de la biosphère. Le calcul de la dose est basé sur des représentations existantes des voies d'exposition. Il tient compte de l'expérience à la fois en Suisse et à l'étranger.

Les deux sous-modèles sont entièrement décrits. Des bases de données par défaut (c'est­-à-dire celles qui ne sont pas fortement liées au site) sont inclues pour les calculs des cas-tests. La comparaison des performances de TAME avec les résultats fournis par les modèles de biosphère utilisés précédemment en Suisse permet de démontrer le fonctionnement correct de ce nouveau modèle, dans un domaine de validité comparable à celui des anciens modèles, et d'illustrer ses avantages lorsque toute la base de données de TAME est utilisée.

Technical Report NTB 93-03

Natural Analogue Studies in the Geological Disposal of Radioactive Wastes

Résumé

1 Introduction
1.1  The concept of geological disposal
1.2  What is a natural analogue?
1.3  Reasoning by analogy
1.4  Perception of natural analogue studies
1.5  Previous natural analogue reviews
1.6  Scope of the book

2 The disposal concepts
2.1  Swiss disposal concept
2.2  Swedish disposal concepts
2.3  British disposal concept

3 Selecting analogue studies
3.1  Chemical analogues
3.2  Natural analogue environments

4 Analogues of Repository Materials
4.1  Glasses
4.2  Spent fuel
4.3  Metals
4.4  Bentonite
4.5  Concretes and cements
4.6  Bitumen
4.7  Cellulose
4.8  Polymers and resins

5 Radionuclide release and transport
5.1  Radionuclide solubility and speciation
5.2  Retardation processes
5.3  Matrix diffusion
5.4  Radiolysis
5.5  Redox fronts
5.6  Colloids
5.7  Microbiological activity
5.8  Gas generation and migration

6 Applying natural analogue information
6.1  Natural analogues in published performance assessments
6.2  The reality of analogue application
6.3  How natural analogues should be used in performance assessment
6.4  Non-performance assessment applications

7 Status of natural analogue studies
7.1  Natural analogues of repository materials
7.2  Natural analogues of radionuclide release and transport processes
7.3  Summary

8 Conclusions

A.14  Inchtuthil

Technischer Bericht NTB 93-02

Endlager für kurzlebige schwach- und mittelaktive Abfälle (Endlager SMA)
Vergleichende Beurteilung der Standorte Bois de la Glaive, Oberbauenstock, Piz Pian Grand und Wellenberg

Résumé

A l'issue d'une évaluation qui s'est étendue sur dix années environ, la Nagra (Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle) a proposé en été 1993 au Conseil fédéral un site pour le dépôt final des déchets à vie courte. Les investigations devraient se poursuivre sur celui-ci et, si son aptitude se confirme, un dépôt final y être aménagé. Le Conseil fédéral se prononcera sur cette proposition dans le cadre de la procédure d'octroi d'une autorisation générale qui sera introduite lorsque les documents de requête correspondants auront été élaborés. La décision du Conseil fédéral devra encore être entérinée par les Chambres fédérales.

Le Wellenberg proposé comme site de dépôt final

Des investigations de même nature ont été réalisées sur les quatre sites étudiés. Sur la base des résultats obtenus, le choix de la Nagra s'est porté sur le Wellenberg dans la commune nidwaldienne de Wolfenschiessen. Comparé aux autres sites, le Wellenberg présente des avantages évidents sur le plan de la preuve de la sûreté à long terme, dictée par la géologie, comme sur celui d'une réalisation respectueuse de l'environnement.

Les investigations sont suspendues sur les trois sites non retenus, le Bois de la Glaive, commune d'Ollon (VD), l'Oberbauenstock, commune de Bauen (UR) et le Piz Pian Grand, communes de Rossa et Mesocco (GR). Aucun de ces sites n'a révélé de motif d'exclusion sur le plan de la sûreté; ils sont par conséquent retenus comme sites de réserve jusqu'à la réalisation du dépôt final.

Large procédure d'évaluation

La procédure d'évaluation de sites a en fait déjà été engagée en 1978 par la Nagra. Partant de 100 options initiales, quatre sites potentiels pour trois roches d'accueil différentes ont finalement été retenus suite à une procédure en plusieurs étapes. Le tableau «EVALUATION» (page XIII) résume cette procédure.

On a besoin de données géologiques et hydrogéologiques pour juger un site. Celles-ci peuvent en partie être trouvées dans des études réalisées antérieurement alors que d'autres devront être élaborées à l'aide de nouvelles investigations particulières. Les informations existantes, recueillies lors de la réalisation d'ouvrages souterrains (tunnels, galeries), ainsi que les possibilités techniques de sondage (travaux d'exploration) constituent par conséquent des éléments importants pour la sélection d'un site.

Autres connaissances préalables – autres programmes d'investigations

De bonnes à très bonnes connaissances préalables existaient pour les sites du Bois de la Glaive, de l'Oberbauenstock et du Piz Pian Grand, en partie grâce à des ouvrages souterrains existants, alors que les possibilités d'exploration à partir de la surface du sol sont dans certains cas très médiocres. Pour le site du Wellenberg par contre on ne disposait d'aucune information préalable fiable provenant de tunnels et la présence d'une roche d'accueil de volume important ne constituait au départ qu'une hypothèse. Le prix du déficit de connaissances initiales s'est concrétisé dans un programme de sondage nettement plus important que pour les trois autres sites, les conditions topographiques favorables du Wellenberg permettant sa réalisation.

Les investigations prévues sur les sites de l'Oberbauenstock et du Piz Pian Grand ont pu être achevées en 1988 déjà. Il a également été possible d'atteindre en 1993 pour les deux autres sites un niveau de connaissances suffisant pour procéder à une évaluation comparable de leur convenance, même si cela a nécessité des travaux plus importants (Wellenberg) et davantage de temps (procédures d'autorisations au Bois de la Glaive). Le déficit de connaissances initiales au Wellenberg a été compensé par plusieurs forages profonds alors qu'au Bois de la Glaive il a été nécessaire de recourir à une longue procédure d'expropriation temporaire avant de pouvoir entreprendre les travaux nécessaires.

Résultats des investigations

L'évaluation de l'aptitude d'un site fait intervenir divers critères de poids différents. La priorité est attribuée aux critères de sécurité radiologique (sécurité lors de l'entreposage des déchets et sécurité à long terme après fermeture du dépôt). Le non-respect de tels critères constitue un motif d'exclusion. La sécurité à long terme est dictée par la situation géologique: si par exemple pour un site particulier l'implantation des cavernes de stockage ne peut pas être réalisée en dehors des zones de roches défavorables, celui-ci doit être éliminé.

Lors de l'évaluation il faut en outre tenir compte de la faisabilité technique du point de vue génie civil (paramètres géotechniques) ainsi que des aspects de protection de l'environnement et de l'aménagement du territoire (respect des diverses prescriptions environnementales, transports, affectation des zones, agriculture, etc.). Les résultats de l'évaluation sont résumés dans le tableau «CONCLUSIONS» (page XIV).

Différences substancielles

Aucun des quatres sites n'a dû être éliminé du processus d'évaluation en raison de sa situation géologique. Il existe toutefois des différences substancielles en ce-qui concerne les risques de surprises géologiques négatives lors d'investigations ultérieures: en raison de ses excellentes conditions d'exploration le Wellenberg se présente de façon particulièrement favorable de ce point de vue. Pour l'autre site marneux, l'Oberbauenstock, on estime le volume de roche d'accueil disponible de suffisant à un peu juste: ce manque de réserves pourrait compliquer l'évitement d'éventuelles zones de roches moins favorables.

Au Bois de la Glaive le volume de la roche d'accueil pronostiqué a pu être confirmé, notamment par des mesures gravimétriques; la preuve de l'aptitude de ce site du point de vue sécurité présente toutefois des problèmes. Considérant en outre que l'on dispose de meilleures alternatives, il n'y a pas de raisons d'encourir les risques de corrosion du béton et des métaux résultant de l'agressivité de l'anhydrite, une roche sulfatée.

Il n'y a de même pas de raisons d'accepter les problèmes de transport et les difficiles conditions d'exploration et d'élaboration de pronostics du Piz Pian Grand.

Wellenberg: ses avantages par rapport aux autres sites

L'avantage principal du Wellenberg consiste dans la présence d'un important volume de roche marneuse étanche offrant une grande flexibilité pour implanter de façon optimale les cavernes de stockage final. Ces réserves de volumes permettront, lors de la réalisation du dépôt, d'éviter d'éventuelles zones où la roche serait moins favorable. A cela s'ajoutent de bonnes conditions d'accès par rail et par route. Les conditions géotechniques moins favorables passent de ce fait à l'arrière-plan et le coût de réalisation plus élevé des aménagements souterrains peut être accepté au vu des avantages sur le plan de la sécurité.

En raison de l'exigence d'une comparaison sur pied d'égalité des sites potentiels, on en vient souvent à oublier que la procédure d'évaluation doit avant tout assurer la sélection d'un site adéquat sur le plan de la sécurité. On attribue par conséquent une très grande importance à la preuve de la sûreté à long terme du site sélectionné qui doit être traitée avec le degré d'approfondissement exigé pour la requête d'autorisation générale.

Grâce aux conditions d'exploration favorables au Wellenberg il a été possible d'atteindre un haut niveau de connaissance de ce site, ce qui a permi de prouer sa sûreté de façon fiable et par conséquent de répondre largement à cette exigence capitale.

Respect des conditions du Conseil fédéral et des exigences politiques

La sélection du site a été faite en tenant compte de la condition du Conseil fédéral, «livrer des résultats géologiques aussi comparables que possible», et l'exigence politique d'un traitement équivalent des sites. Le niveau de connaissances atteint pour chaque site permet une évaluation comparable de leurs caractéristiques sur le plan des sciences de la terre comme de celui des autres critères de sélection. Cela a été fait en tenant compte des connaissances préalables différentes pour chacun d'eux avant le début des travaux.

Le degré d'acceptation politique, variable d'un site à l'autre, a entraîné des pertes de temps en procédures juridiques. Il n'a toutefois pas été nécessaire de renoncer à un site pour des raisons politiques. Afin d'entreprendre au Bois de la Glaive les investigations concrètes exigées par le Conseil fédéral, la Nagra a eu besoin de plus de cinq ans pour réaliser, sur le plan juridique ainsi que par négotiation avec la Commune, les conditions nécessaires à l'exécution des travaux de terrain.

Limitation aux déchets radioactifs à vie courte

Le dépôt final prévu n'accueillera que des déchets de faible et moyenne activité à vie courte. Ceux-ci comprennent notamment les déchets provenant de l'exploitation des centrales nucléaires suisses et de leur démantèlement ultérieur ainsi que ceux issus de la médecine, de l'industrie et de la recherche. Leur activité est déterminée par des radionucléides dont la demi-vie n'excède pas 30 années, leur teneur en radionucléides de longue vie étant limitée à un niveau inoffensif du point de vue sécurité.

Un système de contrôle de qualité intégral assurera qu'aucun déchet non-conforme ne pourra être entreposé dans le dépôt.

Le contrôle du dépôt final est prévu

La loi exige qu'un dépôt final souterrain doit être sûr sans surveillance. La Nagra prévoit néanmoins des possibilités de contrôle du dépôt final. Les cavernes pleines et dûment colmatées peuvent être surveillées aussi longtemps que la galerie d'accès reste ouverte; la région aux alentours du dépôt final pourra toujours être contrôlée sans aucune restriction. Une surveillance ne remplace pas un concept de sûreté insuffisant; elle ne joue pas de rôle actif pour la sécurité et ne représente en réalité que l'ultime moyen visible apte à prouver aux générations futures que le dépôt final a été correctement réalisé. Une récupération des déchets reste en principe possible. Par souci de sécurité à long terme on ne prévoit toutefois pas de dispositions pour assurer une récupération des déchets techniquement simple et économique: on accepte consciemment qu'elle nécessiterait des moyens importants.

Comment les choses se poursuivront-elles?

Dans le courant de 1994 les documents nécessaires pour la demande d'octroi d'autorisation générale seront élaborés et la requête correspondante déposée. Au préalable diverses démarches juridiques indispensables devront encore être entreprises, notamment la fondation d'une Société de construction et d'exploitation avec siège dans la Commune du site. En outre les questions d'indemnisation pour les contributions à l'intérêt général devront être réglées et fixées par contrats. On escompte une durée de l'ordre de quatre ans pour la procédure d'autorisation fédérale. Si tout se passe de façon optimale la réalisation du dépôt final pourrait être entreprise avant la fin du siècle.

Technical Report NTB 93-01

Geology and Hydrogeology of the Crystalline Basement of Northern Switzerland

Résumé

Ce rapport présente les résultats du programme régional d'investigations géologiques que la Société coopérative nationale pour l'entreposage de déchets radioactifs (Cédra) a réalisé dans le nord de la Suisse en vue d'examiner l'aptitude du socle cristallin à abriter un dépôt final pour déchets de haute activité et de moyenne activité à vie longue. Ce programme qui s'est étendu de 1981 à 1993 comprenait:

Les résultats des investigations ont été analysés en détail. Ils ont été publiés dans plus de 100 rapports techniques de la Cédra. Le présent rapport fait la synthèse de ces travaux.

La situation géologique dans la partie centrale du nord de la Suisse est le résultat de l'évolution géologique que l'on peut suivre sur plus de 400 millions d'années. Les événements les plus déterminants se situent au Paléozoïque et au Tertiaire. L'orogenèse varisque a laissé une profonde marque structurelle et métamorphique/ hydrothermale dans le socle cristallin, accompagnée d'activités plutoniques et volcaniques. Depuis lors le socle n'a plus été modifié de façon importante sur les plans lithologique et structurel. Le fossé permo-carbonifère du nord de la Suisse s'est développé durant la phase tardive de l'orogenèse varisque jusqu'à il y a environ 245 millions d'années. Après une période de 200 millions d'années relativement calme sur le plan tectonique, la région a subi un réaménagement au Tertiaire, à savoir la formation du fossé rhénan supérieur, le soulèvement de la Forêt Noire et le développement du Jura plissé.

La situation tectonique et structurelle du socle cristallin ne peut être cartographiée en raison de sa couverture sédimentaire, et elle ne peut être appréhendée que de façon incomplète avec les techniques d'exploration disponibles à ce jour. Une caractérisation déterministe n'est par conséquent pas possible. Il a fallu pour cette raison élaborer un modèle schématique des failles importantes, sur la base d'indications de surface relevées dans la partie méridionale de la Forêt Noire voisine, ainsi que d'informations tirées de forages et d'investigations sismiques dans le nord de la Suisse. Le modèle a servi de base pour l'établissement d'un modèle hydrogéologique local et pour l'étude des possibilités d'exploration.

Par l'analyse détaillée des carottes de forage dans les zones d'arrivées d'eau, la circulation des eaux dans le cristallin peut être attribuée aux discontinuités structurelles et lithologiques (systèmes de circulation d'eau) suivantes:

Les zones de failles présentant d'importantes circulations d'eau peuvent être considérées comme des accumulations locales de zones cataclastiques accompagnées de fissures ouvertes. En raison des transformations hydrothermales pénétratives du cristallin, la roche présente de façon générale, dans les environs immédiats des systèmes de circulation d'eau, une microporosité plus élevée ainsi que des minéraux argileux d'origine hydrothermale, constituant ainsi une situation favorable pour la rétention de radionucléides.

Du point de vue hydrogéologique, le cristallin peut être subdivisé en une zone supérieure plus perméable, épaisse de plusieurs centaines de mètres, d'une conductivité hydraulique moyenne de l'ordre de K = 1 E-7 m/s, et en une zone inférieure, moins perméable avec K < 1 E-10 m/s. Des failles subverticales, présentant d'importantes circulations d'eau, traversent ces deux unités hydrogéologiques superposées. Le profond fossé permo-carbonifère du nord de la Suisse constitue une barrière hydraulique séparant les eaux souterraines du cristallin du Plateau suisse, qui se sont probablement infiltrées dans les Alpes, des eaux souterraines du cristallin situé au nord du fossé permo-carbonifère, qui se sont infiltrées dans la partie méridionale de la Forêt Noire et dont le Rhin constitue l'exutoire.

Les eaux souterraines du cristallin peuvent être subdivisées en quatre groupes sur la base de leur composition chimique et isotopique: eaux souterraines bicarbonatées calciques, peu minéralisées (minéralisation < 0.2 g/I) dans la Forêt Noire, eaux souterraines bicarbonatées sodiques et sulfatées (minéralisation vers 0.5 g/I) dans la région du forage de Siblingen, infiltrées lors d'une période de climat froid (il y a 10'000 ans au moins), eaux souterraines sulfatées sodiques (minéralisation 0.9 -1.4 g/I) dans la région de Zurzach-Leuggern-Böttstein-Kaisten, infiltrées avant la dernière période glaciaire (il y a 70'000 ans au moins) ainsi que des eaux très minéralisées, vraisemblablement en partie des eaux souterraines salines très anciennes, dans les zones peu perméables du cristallin (Böttstein, Leuggern, Weiach) ou à proximité du fossé permo-carbonifère (Säckingen, Schafisheim). Les eaux souterraines peu minéralisées, ainsi qu'une partie des eaux souterraines salines, montrent une évolution chimique à l'intérieur du cristallin (Weiach, Leuggern), alors que les autres eaux salines contiennent une composante d'origine sédimentaire (Schafisheim, Säckingen, év. Böttstein). De façon générale, la situation hydrochimique offre une image cohérente avec le champ de circulation régional des eaux souterraines dans le cristallin déduit des modèles hydrogéologiques.

L'évolution géologique et climatique à long terme du nord de la Suisse est discutée sur la base de différents scénarios possibles. Leur élaboration se fonde d'une part sur les connaissances relatives à l'histoire tectonique de la région et d'autre part sur des informations néotectoniques. On table sur une continuation du soulèvement de la partie méridionale de la Forêt Noire (dôme). Il s'en suit un déplacement du cours du Rhin vers le sud, localement jusqu'à 2 km en un million d'années. On évalue la profondeur de l'érosion du Rhin résultant de ce soulèvement à 200 m au maximum dans la région de Koblenz. Des mouvements différentiels de 100 m au maximum par million d'années sont pronostiqués le long de failles de premier ordre (par ex. la faille de Vorwald). Les mouvements le long de failles plus modestes (zones cataclastiques) devraient être limités à moins de 1 m durant le même laps de temps.

Les données géologiques pour la chaîne de modèles de l'analyse de sûreté ont été tirées des résultats du programme régional d'investigation, et sont présentées sous forme de modèles conceptuels comprenant une fourchette de paramètres et dont les incertitudes sont commentées. L'ensemble des informations comprend des données hydrogéologiques (flux d'eau à travers un dépôt final, distribution du flux entre les différents systèmes de circulation, potentiel de dilution des aquifères proches de la surface et des rivières), des modèles conceptuels des systèmes de circulation des eaux avec les données correspondantes relatives à leur géométrie, minéralogie et porosité, une estimation de la situation hydrochimique "in situ" (eaux de référence), des données concernant la concentration et la composition des colloïdes dans les eaux souterraines, ainsi que des paramètres géotechniques relatifs à la réalisation et la disposition du dépôt final.

Dans le cadre d'une étude d'explorabilité, un concept d'investigations a été élaboré. Ce concept doit permettre de localiser les zones de failles subverticales aquifères ainsi que l'extension de blocs cristallins peu perméables adéquats entre ces failles, qui sont tous deux déterminants pour l'implantation d'un dépôt final. En plus d'investigations par sismique réflexion, ce concept prévoit un forage vertical et quatre forages obliques, foncés à partir d'un même point, dans lesquels pourront être réalisés des tests hydrauliques ainsi que des tomographies par sismique entre les forages de même qu'entre forages et surface du sol. Des analyses statistiques ont montré que si le modèle des failles importantes du nord de la Suisse représente la situation réelle dans le socle cristallin, il existe de bonnes chances pour qu'à l'aide du concept mentionné ci­dessus on puisse trouver au moins un bloc d'extension adéquate afin d'accueillir une partie au moins d'un dépôt final. Lors d'une phase d'investigations ultérieure il faudra, le cas échéant, réaliser encore d'autres forages avant que l'on puisse entreprendre la caractérisation du cristallin en sous-sol à partir d'un puits et de galeries d'exploration.

La synthèse géologique a montré que le cristallin comporte des zones potentiellement adéquates à une profondeur acceptable dans deux régions du nord de la Suisse. Les possibilités de sites les plus prometteuses se situent à l'intérieur d'une bande large de quelques kilomètres au sud du Rhin (zone ouest: Kaisten-Leuggern-Böttstein). Une zone de sites potentiels de seconde priorité se trouve dans le canton de Schaffhouse (zone est: Siblingen). Cette dernière zone est moins bien caractérisée. Sur la base des résultats actuellement disponibles, il n'est pas recommandé d'y poursuivre d'autres investigations pour le moment. Considérant les conditions spécifiques du projet helvétique de stockage final de déchets de haute radioactivité, une campagne de sismique 3D dans la région de Böttstein-Leuggern et des forages inclinés selon le concept ci-dessus sur un des anciens sites de forage de Leuggern ou de Böttstein sont proposés lors d'une prochaine phase d'investigations. Ces forages ont en effet déjà permis d'identifier d'importants tronçons de cristallin peu perméable pouvant être considérés comme adéquat pour un dépôt final.

Technical Report NTB 92-14

Mechanical Behaviour of High Level Nuclear Waste Overpacks under Repository Loading and During Welding

Résumé

Un des concepts pour l'entreposage définitif des déchets hautement radioactifs en Suisse consiste en un dépôt à une profondeur d'environ 1200 m dans le socle granitique de la Suisse septentrionale. On tient beaucoup dans ce concept aux barrières multiples qui doivent retarder le retour des radionucléides vers la biosphère et ainsi réduire leur concentration à un niveau acceptable dans la biosphère. En plus des barrières naturelles (rocher d'hôte et couches de sédiments superposées), les barrières artificielles suivantes ont été prévues: la forme vitrifiée des déchets hautement radioactifs eux-mêmes et un conteneur placé horizontalement dans l'axe du dépôt. Le conteneur est entouré de bentonite comprimée. Le conteneur doit rester étanche pendant au moins 1000 ans et isoler les radionucléides des eaux souterraines. Le remplissage en bentonite doit réduire le transport de l'eau et des particules dissoutes entre les déchets et le rocher d'hôte.

La première partie du travail présenté porte sur la participation au projet COMPAS (COntainer Mechanical Performance ASsessment). Ce projet a été exécuté en relation avec le Programme d'Energie Atomique 'Radioactive Waste Management and Disposal' de la Communauté Européenne; il se concentre sur le comportement mécanique des conteneurs d'entreposage pour les déchets hautement radioactifs. Le projet COMPAS poursuit deux buts. Le premier est de prouver que l'on peut concevoir un conteneur capable de résister aux charges géologiques dans un dépôt en grande profondeur. Le deuxième est de trouver une méthode analytique permettant de prédire le comportement des conteneurs non seulement sous cette charge géologique mais aussi sous une charge correspondant à des conditions extrêmes. Dans le projet COMPAS, un grand poids a été donné aux calculs de prédiction. Dans ce sens, les données nécessaires à un contrôle des calculs ont été préparées. Ces données ont été établies sur la base d'expériences sur modèles allant de modèles simples de forme d'anneaux jusqu'à des modèles réels et à l'échelle de forme du conteneur de la Nagra par exemple. Notre intérêt à une participation au projet COMPAS résidait dans la vérification des programmes d'éléments finis appliqués aux expériences, ces expériences ayant montré des problèmes importants à résoudre pour la conception des conteneurs.

La deuxième partie de ce travail concerne le sujet général de la fissuration par corrosion sous contrainte du conteneur de la Nagra pour l'entreposage définitif des déchets hautement radioactifs vitrifiés. Les calculs réalisés (Steag & Motor-Columbus 1984) pour le dimensionnement du conteneur fabriqué à partir d'acier coulé GS-40 montrent pour les contraintes un facteur de sécurité de 5 par rapport à la limite élastique en tension. Des questions concernant la fissuration par corrosion sous contrainte doivent cependant toujours être posées si l'on s'attend à de grandes contraintes en tension, même s'il s'agit d'un acier à basse limite élastique avec une bonne résistance potentielle contre ce type de corrosion. A la Nagra, un projet a été initié sur ce thème avec les buts suivants:

Le point (2) est l'objet de la deuxième partie de ce travail. Après une description des priorités de l'acier coulé GS-40, le modèle unidimensionnel FIBRE sera discuté. Ce modèle devrait donner un aperçu sur les paramètres impliqués dans les calculs thermomécaniques des procédés de soudage. Les calculs thermomécaniques pour la détermination des contraintes résiduelles de soudure avec la méthode des éléments finis seront alors décrites. On présentera le déroulement des calculs, la vérification des modèles proposés pour le matériau pour ses propriétés aux hautes températures, le soudage par couches multiples et la réduction des contraintes résiduelles de soudure.

Les calculs sont faits avec le programme commercial d'éléments finis ADINA (ADINA 1984). Les résultats d'ADINA ont été utilisés comme données d'entrée au processeur ORVIRT (Bass & Bryson 1983) pour les calculs de mécanique des fissures. Il est apparu clairement pendant les travaux de simulation de soudage que la description du comportement du matériau à hautes températures nécessitait un propre modèle. Ce modèle a été introduit dans le programme d'éléments finis SOLVIA (SOLVIA 1987). SOLVIA a été déduit de la version 84 du programme ADINA.

Le travail présenté permet de tirer les conclusions suivantes:

Technical Report NTB 92-13

Characterisation of PWR Cladding Hulls from Commercial Reprocessing

Résumé

Dans le cadre du programme de caractérisation "COQUENSTOCK" de la C.E. et de la collaboration CEA-Nagra, l'IPS a reçu 2 kg de débris de coques et pièces métalliques associées provenant de l'usine de retraitement UP2-400 à la Hague pour réaliser ses propres investigations radiochimiques.

Les matériaux contaminés et activés provenaient d'un élément de combustible du réacteur à eau sous pression d'Obrigheim (Allemagne) présentant un taux de combustion moyen de 30 GWd/tU. Le combustible de l'élément cisaillé avait été dissous dans un appareillage statique et rincé.

En raison de leur signification pour les analyses de sûreté d'un dépôt final, l'accent des travaux s'est porté sur la détermination des isotopes α et des concentrations d'actinides ainsi que de leur distribution spatiale à la surface extérieure et intérieure des gaines de combustible.

L'activité principale des déchets de gainages est due à la présence de produits d'activation typiques de l'inconel et de l'acier inoxydable utilisés pour les pièces de structure des éléments de combustible. Après une durée de refroidissement de 5 ans, la dose γ de ces pièces de structure est en moyenne de plus d'un facteur 30 comparée à celle des coques en zircaloy-4 (Table a, page IV). Les activités dues au Co-60 varient toutefois considérablement et reflètent les différences de teneur en Co-59 des matériaux de structure avant irradiation. En ce qui concerne les coques en zircaloy, c'est le Sb-125 issu de l'étain, un élément d'alliage du zircaloy, et les produits de fission qui dominent (Table b, page V). Ces derniers contaminent aussi de façon significative les éléments de structure dans le bain de dissolution.

Les analyses isotopiques, après dissolution chimique des gaines de zircaloy, ont livré des teneurs en uranium entre 400 et 2'150 mg U/kg Zry, la moyenne étant de 1'130 ppm. Pour toutes ces concentrations on trouve un rapport de poids Pu/U relativement constant de 1:85. Il faut en outre relever la constance de la composition isotopique de l'U et du Pu, malgré des taux de combustion axiaux légèrement variables (facteur de forme = 1.15). De plus, la composition isotopique du Pu sur le zircaloy indique une tendance que l'on n'attendrait guère d'un combustible adhérent non-dissout, ce qui conduit à considérer les processus de déposition durant la dissolution du combustible comme déterminants pour la contamination α des coques.

Les mesures de spectrométrie α ont montré qu'en sus des isotopes du Pu les radionucléides Am-241 et Cm-244 contribuent pour plus de 30 % à l'activité α globale moyenne de 6,7 mCi/kg Zry (= 250 MBq/kg Zry) (Table b, page V).

La distribution des activités à l'extérieur et à l'intérieur des gaines en zircaloy a été étudiée par autoradiographie α et spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS). Les surfaces de zircaloy sont contaminées sans lacunes, à l'intérieur comme à l'extérieur. La surface extérieure présente une contamination relativement régulière résultant du processus de dissolution et de rinçage, alors que l'on relève souvent sur la face côté combustible des zones de très forte contamination. On remarque que ces dépôts a très concentrés, qui sont des résidus piégés et séchés, apparaissant particulièrement sur les coques fortement déformées, sont relativement peu adhérents.

Des analyses qualitatives par SIMS de profils en profondeur ont montré que l'uranium n'était pratiquement présent qu'en surface et, dans une très faible mesure seulement, dans la fine couche d'oxyde. Les produits de fission, par contre, pénètrent plus loin dans la face intérieure en raison de leur énergie de recul. Cette activité β et γ implantée non-négligeable ne peut guère être éliminée par rinçage. La contamination primaire alpha sur la surface intérieure a été largement éliminée par l'efficace procédée de dissolution du combustible. Un processus de rinçage plus approprié, tenant compte de la déformation des gaines et de la surface partiellement rugueuse, pourrait permettre aussi d'éliminer une bonne partie de la contamination secondaire produite dans le dissolveur. Sur la surface extérieure, la distribution des concentrations est presque homogène et correspond à ce que l'on peut attendre d'une contamination uniquement secondaire.

Le mécanisme de contamination des produits de fission étant différent en partie de celui des actinides, il est compréhensible qu'il n'existe qu'une très faible corrélation entre eux. Il en résulte que le Cs-137 se prête plutôt mal comme nucléide significatif pour la caractérisation de débris de coques en ce qui concerne les matériaux fissiles adhérents.

Technischer Bericht NTB 92-11

Hochpermeable, zementgebundene Verfüllmörtel für SMA-Endlager

Résumé

Il y a formation de gaz dans un dépôt final pour déchets de faible et moyenne activité, notamment en raison de phénomènes de corrosion. Ces gaz doivent pouvoir s'échapper du dépôt final afin de prévenir des dégâts par surpression. Un matériau de remplissage à base de ciment doit, entre autres choses, pouvoir remplir cette fonction. Diverses compositions de matériaux à base de ciment ont été étudiées dans ce but, afin de déterminer leur influence sur la porosité et la perméabilité. Parallèlement on a étudié les caractéristiques de bétons frais (propension à se répandre, teneur en pores d'air, densité), le dégagement de chaleur d'hydratation et les caractéristiques du béton solidifié (retrait et fluage, résistance, module d'élasticité). Lors de la caractérisation de la perméabilité des matériaux à base de ciment, les paramètres suivant se sont révélés être importants:

En modifiant la composition de matériaux à base de ciment on peut varier leur perméabilité de dix puissances de dix. Dans les échantillons présentant des agrégats compacts, le transport de fluides se développe dans la matrice ainsi qu'à la surface de contact entre agrégats et matrice. L'utilisation d'agrégats poreux peut faire croître la perméabilité de plus de deux puissances de dix. Si la matrice est toutefois très compacte, la porosité des agrégats n'affecte pas la perméabilité. Une élévation du volume de la matrice et de la surface de contact augmente la perméabilité. Les mortiers légers représentent par conséquent des mortiers de remplissage particulièrement perméables. Les granulométrie présentent toutefois des perméabilités encore plus élevées parallèlement à de meilleures caractéristiques mécaniques. Comparés aux mélanges usuels ils présentent toutefois de moins bonne caractéristiques d'écoulement (distance d'écoulement = 40 cm). Le mélange de uniforme 2/3 présentant un rapport ciment : eau : agrégats de 1,00 : 0,40 : 5,33 constitue un matériau de remplissage adéquat. Lorsque ce mélange est peu compacté, il présente une perméabilité de 4 × 10^-12 m² et une résistance à la compression monoaxiale cylindrique de 16 N/mm² après 28 jours.

Le conditionnement des échantillons influence la perméabilité de façon déterminante. Le degré de saturation et la structure des matériaux à base de ciment varie en fonction de l'humidité ambiante. Avec des taux de saturation élevés il ne reste plus de canaux de pores libres dans l'échantillon par lesquels des gaz peuvent circuler. Pour que s'établisse une circulation de gaz, sa pression doit être au moins égale à la pression de gonflement. Plus la pression de gonflement est faible, plus forte sera l'extraction d'eau des échantillons lors de l'instauration d'une circulation de gaz. La pression de gonflement, comme la perméabilité, dépendent de la structure des pores. Les échantillons de perméabilité élevée présentent de faibles pressions de gonflement. La perméabilité croît fortement lors d'une diminution de la saturation. Lorsqu'une circulation de gaz s'établit à la pression de gonflement, une variation ultérieure de la saturation provoque dans des échantillons peu poreux une plus grande modification de perméabilité que dans des échantillons très poreux. Un stockage humide provoque, outre une saturation élevée, aussi un compactage de la structure. Les échantillons particulièrement poreux exhibent une moindre diminution de perméabilité avec le temps que les échantillons compacts. La perméabilité décroît de façon hyperbolique avec le temps.

La perméabilité à l'eau dans le domaine < 10^-13 m² est inférieure ou égale à la perméabilité aux gaz. La différence croît lorsque la perméabilité diminue.

On a étudié l'influence de la distribution de la dimension des pores sur les paramètres de transport de matériaux à base de ciment à l'aide de simulations sur réseaux tridimenssionnels. La perméabilité aux gaz, la pression de gonflement et l'extraction d'eau peuvent être simulés d'une façon correspondant bien aux résultats des essais.

Technical Report NTB 92-10

Stripa Project
Annual Report 1991

Résumé

Le projet de Stripa est un projet de l'Agence de l'OCDE pour l'Energie Nucléaire. C'est dans le cadre d'une troisième phase de ce projet allant de 1986 à 1991, que des travaux de recherches sont réalisés avec une participation internationale, dans un laboratoire souterrain de Suède. Il s'agit d'effectuer les travaux ci-dessous, en mettant en application ce que l'on a appris au cours des précédentes phases 1 et 2:

Technical Report NTB 92-09

Time-space continuum description of fluid rock interaction in permeable media

Résumé

On a mis au point le modèle MPATH (Multiple Reaction Path Model) pour modéliser des processus couplés dans des systèmes géologiques et techniques. D'importantes applications de MPATH consistent à modéliser l'influence qu'exerce le ciment d'un dépôt final sur la roche d'accueil environnante, ou encore l'oxydation de la pyrite dans la roche d'accueil au cours de l'exploitation d'un dépôt final. Ces applications font l'objet de différents rapports. Celui-ci décrit les bases de MPATH.

MPATH permet de résoudre les équations du transport de masse pour le transport par pure advection d'un système à plusieurs composantes, dans un milieu poreux homogène et sur des espaces de temps géologiques, compte tenu des réactions minérales. La solution des équations du transport de masse repose sur une approximation quasi stationnaire, pour laquelle l'évolution temporelle du système géochimique ainsi que les réactions chimiques dans le système à plusieurs composantes sont représentées par une série d'états stationnaires ou de chemins de réaction. Cela, en vue de la solution numérique des équations du transport de masse dans une dimension spatiale, compte tenu des réactions (irréversibles) de précipitation et de solution, ainsi que des réactions réversibles et irréversibles dans la phase aqueuse. Une représentation discrète susceptible d'adaptation permet de détecter les différentes zones de réaction sur des espaces de temps géologiques, bien qu'elles se déplacent à des vitesses extrêmement différentes et que leur extension puisse varier de plusieurs ordres de grandeur. Avec le code MPATH et pour la capacité de calcul des stations de travail aujourd'hui disponibles, il n'y a pratiquement pas de limitation au nombre d'espèces chimiques considérées. La conservation de la masse permet souvent de vérifier la précision numérique d'une solution des équations du transport de masse. Dans d'autres cas, on peut comparer la solution numérique asymptotique à la solution analytique correspondante pour des conditions locales d'équilibre avec transport par advection. Dans ce rapport, MPATH est utilisé pour la propagation de fronts redox, l'altération de l'alaskite et la transformation hydrothermale de l'alaskite dans un champ de températures qui varie dans l'espace.

Technischer Bericht NTB 92-08

Hydrochemische Synthese Nordschweiz:
Dogger-, Lias-, Keuper und Muschelkalk-Aquifere

Résumé

Le présent rapport traite de l'hydrochimie des eaux souterraines des aquifères du Muschelkalk, Keuper, Lias et Dogger et constitue la troisième et dernière partie d'une synthèse hydrochimique des eaux souterraines des aquifères du nord de la Suisse et des régions limitrophes. Les données utilisées constituent pour l'essentiel les résultats du programme régional et de surveillance de la Nagra, complétées par un certain nombre d'analyses de tiers (= "Fremde Analysen"). Sur la base de ces données, il fut possible de définir les différences caractéristiques pour les eaux souterraines des formations traversées. Pour ce faire, ce furent sourtout les rapports entre constituants mineurs et la composition isotopique des éléments dissous qui furent déterminants. Les eaux souterraines profondes des aquifères du Muschelkalk et du Keuper sont marquées par la dissolution du gypse ou anhydrite et du sel gemme, ainsi qu'en partie par échange cationique ou dissolution de Mirabilite. En ce qui concerne les eaux profondes du Lias et du Dogger, la composition chimique est plutôt dictée par les processus d'échange cationique et par le mélange avec des eaux interstitielles marines. Au moyen des propriétés hydrochimiques caractéristiques on peut même dans certains cas discerner par comparaison des mélanges de composants d'aquifères différents. C'est ainsi qu'il fut possible de prouver que les eaux de l'aquifère du Muschelkalk chevauché par dessus la limite sud du Jura plissé (Baden/Ennetbaden, Windisch/Birmenstorf) comportent une proportion non négligeable d'eaux souterraines riches en Na-Cl provenant d'aquifères profonds et ayant probablement migré à la faveur d'accidents tectoniques. Dans le Muschelkalk du Jura il existe des indications de telles connexions hydrauliques actives dans la partie nord du synclinal permo-carbonifère du nord de la Suisse tout comme à l'ouest, où le Jura tabulaire est influencé par la tectonique cassante du graben du Rhin.

Technical Report NTB 92-07

Post-Disposal Implications of Gas Generated from a Repository for Low and Intermediate Level Wastes

Résumé

La génération de gaz dans un dépôt final géologique profond pour déchets radioactifs peut avoir des implications significatives pour sa sécurité après l'entreposage des déchets. Le présent rapport examine cette question dans le contexte du stockage final de déchets de faible et moyenne activité à vie courte (DFMA) en Suisse, dans le cadre du projet de développement d'un tel dépôt par la Nagra.

On passe brièvement en revue les différents gaz qui peuvent être générés en relation avec leurs sources, ainsi qu'une estimation de leur taux de production. L'hydrogène et le méthane sont identifiés comme les deux gaz qui doivent faire l'objet d'une évaluation plus précise. L'hydrogène est essentiellement généré lors de la corrosion anaérobique de métaux alors que le méthane et le CO₂ proviennent essentiellement de la dégradation chimique et microbiologique de matériaux organiques sous conditions anaérobiques.

Le rapport se poursuit par l'identification et l'étude de trois scénarii potentiellement importants liés à la production de gaz à l'intérieur d'un dépôt final suisse pour DFMA. Ce sont:

La signification potentielle de ces scénarii a été quantifiée principalement à l'aide de calculs d'ordres de grandeur pour deux flux de déchets d'exploitation, les types BA-1a et BA-5 (Nagra 1984). BA-1a consiste en résines échangeuses d'ions qui contiennent une quantité significative de matériaux organiques dégradables alors que BA-5 consiste en acier et autres déchets métalliques immobilisés dans une matrice de ciment, sources potentielles majeures d'hydrogène. Des sous-ensembles de ces flux et d'autres déchets ont également été pris en considération lorsque ceux-ci présentent des taux de radionucléides pertinents particulièrement élevés.

Les conséquences radiologiques provenant du ¹⁴C et du tritium incorporés dans les gaz méthane et hydrogène, générés à partir de résines échangeuses d'ions, sont extrêmement faibles. Partant d'hypothèses prudentes les doses annuelles maximales associées avec un BA-1a moyen sont estimées devoir être de l'ordre de 10^-11 Sv a^-1 par mètre de galerie de dépôt où le ¹⁴CH₄ domine. Même en considérant qu'une faible partie des déchets pourrait présenter une teneur plus élevée en ¹⁴C et en matériaux organiques, on pense qu'il est extrêmement peu probable que la dose totale dépasse 10^-8 Sv a^-1 environ.

Les taux de production d'hydrogène ne présentent pas de risque de feu ou d'explosion en surface. Si toutefois un unique cheminement rapide devait connecter la surface avec toute la longueur des galeries contenant la totalité des BA-5, le terme source potentiel pourrait être suffisant pour que la limite inférieure de déflagration soit atteinte dans un bâtiment présentant un espace confiné relié à ce cheminement de fuite. Une telle combinaison de facteurs doit être vue comme un scénario qui, aux termes des exigences pour les analyses de sûreté en Suisse, ne peut pas être pris en considération d'un point de vue réaliste.

Il ressort de tous les calculs d'ordre de grandeur exécutés que le principal scénario de gaz potentiellement significatif concerne les effets de la pression des gaz sur le mouvement des eaux souterraines dans les environs du dépôt et l'intégrité structurelle de celui-ci. Dans l'hypothèse que le dépôt final est totalement resaturé lors de son scellement, les calculs montrent qu'initialement tous les gaz générés vont aller en solution. L'eau des pores du dépôt se sature totalement en hydrogène en l'espace de quelques années après quoi une phase de gaz libre apparaît. Pour les déchets de type BA-5 cela se produit après 25 jours déjà si le gaz provenant de la corrosion de l'aluminium et du zinc est inclu, sinon la durée est plus longue (2.5 années). En supposant qu'il n'y ait pas de fissures dans le revêtement des cavernes, les calculs d'ordre de grandeur indiquent que la pression excédentaire des gaz augmenterait rapidement et suffisamment pour vaincre les pressions capillaires dans le revêtement des cavernes. A ce moment là le gaz pénétrerait dans le revêtement et le traverserait et/ou provoquerait des fissures dans le revêtement du dépôt qui permettraient au gaz de s'échapper.

Ces calculs reposent sur des hypothèses prudentes. En réalité on doit s'attendre à des taux de production de gaz inférieurs d'au moins un ordre de grandeur. La contribution de l'aluminium et du zinc aux volumes de gaz générés est probablement surestimée, considérant qu'une bonne partie de la corrosion, donc de la génération de gaz, aura lieu avant introduction dans le dépôt final. Les calculs d'ordre de grandeur se concentrent sur les flux de déchets dont on attend une production de gaz maximale et en admettant que tous ces déchets sont entreposés côte à côte dans le dépôt final. Une répartition particulière de ces déchets parmi les autres à l'intérieur des cavernes affecterait bien évidemment l'impact de la génération de gaz.

Il est peu probable que le revêtement des cavernes présente uniformément une très faible perméabilité. L'apparition de petites fissures dans le revêtement est inévitable en raison de contraintes thermiques lors de la prise du béton. Ces fissures présenteront des pressions capillaires plus faibles. On considère par conséquent qu'il est peu probable que la pression des gaz générés conduirait à une perte de l'intégrité structurelle du dépôt; elle provoquera bien plutôt l'expulsion d'eaux souterraines du champ proche.

Technischer Bericht NTB 92-06

Herstellung von Bentonit-Granulat mit hoher Schüttdichte zur Bohrlochabdichtung

Résumé

Dans le cadre d'investigations, des pièces estampées et des granules ont été fabriquées à partir de bentonite au Na, MX-80 (Wyoming), à l'échelle du laboratoire et de l'installation pilote. Ces essais avaient pour objet l'élaboration d'un procédé de fabrication de particules de bentonite aptes à être déversées, de granulométries diverses permettant d'atteindre une densité en vrac > 1,5 g/cm³ (pour la masse sèche). Une telle densité est nécessaire pour réaliser, à l'aide de grains de bentonite, un scellement de haute qualité de forages ou autres cavités souterraines.

Par des essais de compression réalisés à l'aide d'une presse à estamper hydraulique à piston avec matrice fermée, il a été possible de déterminer les conditions optimales pour le pressage uniaxial.

On obtient dans ces conditions des pièces de bentonite estampées de densité brute de 2,1 à 2,2 g/cm³, présentant une bonne résistance à la compression et à l'abrasion qui peuvent en outre être soumises à de fortes sollicitations lors de leur manutention.

Il est possible d'obtenir des granules denses et résistantes, aptes à ruisseler, par mise en menus morceaux de pièces de bentonite estampées lorsque les conditions de réduction de dimensions sont bien adaptées aux caractéristiques physiques des pièces estampées.

Des essais de déversement de granules avec des pièces estampées de bentonite, en utilisant les distributions de granulométrie généralement recommandées pour la réalisation de densités en vrac optimales, telles par exemple celles données par la courbe de Fuller, ont montré qu'il n'était pas possible de dépasser 1,5 g/cm³. Les densités en vrac maximales sont réalisées lorsqu'on introduit de fines granules exemptes de poussières, comme matériau de remplissage dans un lit de forte granulométrie constitué de pièces estampées. Pour des dimensions maximales des pièces estampées de 10 à 50 mm le matériau de remplissage devrait présenter une granulométrie de 0,63 à 3 mm. Le rapport massique optimal entre pièces estampées et granules se situe aux alentours de 70:30.

Dans ces conditions des densités en vrac de 1,6 à 1,7 g/cm³ sont atteignables si les produits de bentonite sont déversés alternativement à partir de conteneurs distincts. Après mise en place d'une couche de pièces estampées les interstices subsistant sont remplis de granules aptes au ruissellement.

Une presse à rouleaux pour matricer constitue un équipement adéquat pour la fabrication de pièces de bentonite estampées de qualité. Un avantage particulier de ce type de presse est représenté par la répartition favorable de la force de compaction lors du pressage de la bentonite, ce qui permet d'obtenir des pièces estampées de densité élevée. Il est possible de varier la forme et les dimensions des pièces estampées en changeant les segments portant les matrices de la presse.

Le matériau de remplissage nécessaire, les granules (0,63 – 3 mm), peut pratiquement être réalisé à partir de bris, débris ou de pièces estampées entières à l'aide d'une meule à granules spéciale. Le présent rapport propose une méthode d'élaboration des granules.

Technical Report NTB 92-05

Colloid Properties in Groundwaters from Crystalline Formations

Résumé

Des colloïdes sont présents dans toutes eaux souterraines. Ils sont dès lors étudiés pour leur rôle potentiel dans le cadre de la migration des radionucléides importants pour la sûreté dans la géosphère. Des campagnes d'échantillonnage et de caractérisation des colloïdes ont donc été menées en Suisse. Sur base des résultats obtenus pour les études réalisées dans la région du Grimsel (laboratoire souterrain du Grimsel, tunnel de la Transitgas AG), dans la région du Nord de la Suisse (Leuggern, Zurzach) et dans la Forêt Noire (Bad Säckingen, Menzenschwand) ainsi que grâce aux résultats d'autres groupes pour les eaux des formations cristallines locales (Canada, Suède, France, Espagne), une image d'ensemble peut être présentée.

Les colloïdes des eaux des formations cristallines sont principalement constitués de phyllosilicates et silice issus des roches de l'aquifère même. Lorsque les conditions hydrogéochimiques du système sont constantes, les concentrations en colloïdes n'excèdent pas les 100 ng·ml^-1 quand la concentration en calcium est supérieure à 10^-4 M. Cependant, dans le cadre de conditions transitoires, observées pour des changements tant physiques que chimiques du système, par exemple lors d'activités géothermiques ou tectoniques, la génération de colloïdes peut être amplifiée et peut atteindre des concentrations supérieures à 10 μg·ml^-1 lorsque la concentration en calcium et sodium est suffisamment faible (par exemple < 10^-4 M et < 10^-2 M respectivement). Pour l'Eau Cristalline de Référence de la Nagra ([Ca] = 3.5 × 10^-4 M, [Na] = 1.4 × 10^-2 M, [TOC] = 3 × 10^-6 M), la concentration en colloïdes escomptée est < 100 ng·ml^-1. Pour l'eau de Zurzach, par exemple, elle est d'environ 10 ng·ml^-1. La faible concentration en colloïdes dans l'eau de référence est la conséquence d'un facteur d'attachement des colloïdes d'argile (montmorillonite) proche de 1.

Un modèle démontre que pour pH 8 les coefficients de partition des nucléides étudiés entre la phase aqueuse et colloïdale, K_p, doivent être inférieurs à 10⁺⁷ ml·g^-1 si la sorption a lieu par complexation à la surface sur des colloïdes recouverts de groupes =AIOH, sites considérés dominants pour la sorption. Ce modèle pragmatique et original est basé sur la compétition entre la formation d'hydroxocomplexes en solution et leur sorption sur les colloïdes. La comparaison de données expérimentales de sorption avec celles obtenues à l'aide de ce modèle est inclue. Pour des concentrations en colloïde faibles (< 100 ng·ml^-1 avec des tailles allant de 10 à 1000 nm), des capacités de sorption de l'ordre de 10^-9 M et la complexation à la surface réversible (K_p < 10⁺⁷ ml·g^-1 à pH 8), la présence des colloïdes dans l'aquifère de la formation cristalline peut être ignorée dans les analyses de sécurité.

Les études du transport de nucléides facilité par les colloïdes ont montré que le modèle classique d'échange d'ion et/ou de complexation à la surface (équilibre) n'est pas «conservatif». En fait, l'attachement réversible des colloïdes sur la roche doit être pris en considération avec la sorption irréversible des radionucléides sur les colloïdes. Certains risques pourraient être évoqués si la sorption se compliquait par une agrégation. Cependant l'agrégation génèrerait une précipitation des particules. L'étude montre que pour les distributions de taille les plus pessimistes, le protocole réactionnel avec agrégation engendrant l'irréversibilité potentielle de la sorption ne peut avoir lieu dans la fracture et pour la chimie de l'Eau Cristalline de Référence.

Technical Report NTB 92-04

Hydrodynamic Synthesis and Modeling of Groundwater Flow in Crystalline Rocks of Northern Switzerland

Résumé

Ce rapport donne une synthèse hydrogéologique du socle cristallin de la Suisse du Nord ainsi que la méthodologie d'investigation utilisée pour ce faire. Il clôt les études effectuées par la Société coopérative nationale pour l'entreposage de déchets radioactifs (Nagra) de 1981 à 1993. Le principal but de celles-ci était de déterminer l'aptitude du socle cristallin comme roche d'accueil pour le stockage définitif de déchets radioactifs à haute activité et de déchets à moyenne activité et longue durée de vie.

La caractérisation hydrogéologique détaillée du socle cristallin présentée dans ce rapport occupe une position clé pour l'analyse de sûreté et de performance du site, compte tenu du fait que les mouvements d'eaux souterraines provoquent le transfert de radionucléides entre le site d'entreposage et au travers du milieu géologique (géosphère). L'objectif final de la caractérisation est de fournir une description adéquate des processus et des paramètres qui contrôlent le système d'écoulement entre le site de stockage et la biosphère. L'étude hydrogéologique de caractérisation du socle cristallin a été accomplie de 1991 et 1993 et comprend les étapes suivantes:

Les résultats de cette étude effectuée sur différents niveaux ont été présentés dans une série de rapports techniques de la Nagra. Ce rapport en fait une synthèse et présente une description exhaustive de l'hydrogéologie des roches du socle cristallin de la Suisse du Nord. La synthèse de tous les travaux effectués dans le cadre du programme KRI-I est donnée par THURY et al. (1994).

L'intérêt de la Nagra s'est focalisé sur une bande du socle cristallin située entre la bordure du fossé au Sud et la frontière avec l'Allemagne au Nord. Ce domaine a été investigué par les forages profonds de la Nagra à Kaisten, Böttstein, Leuggern et Siblingen. Comme le socle y est recouvert par des sédiments du Mésozoïque, aucune observation de surface n'est disponible. Aussi, des études d'affleurement du socle cristallin dans la partie méridionale de la Forêt Noire sont utilisées afin de compléter les informations fragmentaires des forages profonds.

Une première étape dans la caractérisation hydrogéologique est l'élaboration d'un modèle conceptuel qui donne une description simplifiée mais cohérente de l'écoulement à travers les roches cristallines. Le socle cristallin est subdivisé en plusieurs unités conceptuelles qui constituent une représentation simplifiée du milieu en blocs homogènes caractérisés par une valeur unique moyenne des paramètres. A une échelle d'écoulement régionale, le socle est traversé par des failles subverticales occasionnant d'importantes circulations d'eau. La matrice rocheuse des blocs de taille variable situés entre ces failles est peu diaclasée. Verticalement ces blocs peuvent être subdivisés en une zone supérieure plus perméable et une zone inférieure moins perméable. Dans une synthèse hydrogéologique précédente deux régions du Nord de la Suisse ont été identifiées comme possédant une roche cristalline adéquate: à l'Ouest la zone de Kaisten – Leuggern – Böttstein, à l'Est la zone de Siblingen. Ces deux régions sont caractérisées par des propriétés hydrauliques différentes. La partie inférieure du cristallin dans la zone Ouest a été identifiée comme roche d'accueil potentielle pour un stockage profond. Dans la zone Est, caractérisée par un seul forage à Siblingen, une roche cristalline semblable n'a pas été identifiée. La question fondamentale est de savoir si les données du forage de Siblingen sont représentatives de l'ensemble du domaine considéré ou si elles reflètent plutôt des conditions hydrogéologiques locales. Le modèle conceptuel d'écoulement à l'échelle subrégionale considère ces deux éventualités. A l'échelle du site de stockage (échelle d'un bloc) l'écoulement est contrôlé par des discontinuités discrètes. Ces structures bidimensionnelles sont identifiées comme zones d'afflux lors des essais hydrauliques en forages, sont conceptualisées sous forme d'éléments transmissifs et sont caractérisées par les propriétés statistiques déduites ou induites des observations.

Les écoulements souterrains régionaux ont été modélisés afin de confirmer et d'augmenter la compréhension générale du système d'écoulement dans le socle cristallin en Suisse du Nord. A cette échelle, la roche cristalline est considérée comme milieu équivalent à un milieu poreux. Les résultats de modélisation ont été comparés aux hauteurs piézométriques observées ainsi qu'aux données hydrochimiques afin d'analyser la plausibilité des différentes hypothèses conceptuelles. Cette étude a conduit à un tableau résumant les éléments clé et les alternatives pondérées selon leur plausibilité, donnant ainsi une vue globale du système hydrogéologique régional. La robustesse du système simulé a été testée en introduisant des fractures discrètes et en considérant des scénarios géologiques à long terme comprenant des changements topographiques néotectoniques et des modifications du cours des rivières.

Le régime d'écoulement local dans la zone Ouest a été évalué au moyen d'un modèle dit hybride ou à double porosité. Cette approche permet de prendre en compte de façon explicite les failles à haute perméabilité et les blocs peu diaclasés dans la modélisation. Le développement d'un nouveau générateur de maillage a été nécessaire afin de prendre en compte la géométrie complexe et les orientations aléatoires des failles. Un modèle géométrique de failles simplifié a servi de base pour le maillage numérique. L'impact de différentes variantes géométriques du modèle hybride sur les résultats de simulation a été investigué afin de couvrir les incertitudes relatives à la géométrie et à la distribution statistique des failles hydrauliquement actives. Les deux situations extrêmes dénommées scénario "réseau de failles complet (RFC)" et scénario "réseau de failles réduit (RFR)" sont supposées couvrir l'ensemble des situations possibles et ont été sujettes à une analyse exhaustive. L'objectif principal des simulations était d'évaluer l'impact des failles à conductivité majeure sur l'écoulement dans les blocs du cristallin peu diaclasés à l'échelle locale. Les résultats de modélisation sont évalués dans l'optique d'une analyse de sûreté. Les résultats principaux sont 1) la distribution des flux entre les blocs de roche cristalline et les failles, 2) la distribution des gradients hydrauliques à l'intérieur de la roche d'accueil en fonction de la fréquence des failles, et 3) l'orientation et les longueurs de cheminement de l'écoulement entre le site de stockage et le milieu fortement perméable le plus proche. Les gradients hydrauliques moyens varient entre 0,01 (RFC) et 0,05 (RFR). L'orientation et les longueurs de cheminement de l'écoulement dans la roche d'accueil peu perméable dépendent de la taille des blocs peu diaclasés. Les résultats montrent que l'écoulement local n'est préservé que dans le cas de blocs de dimensions importantes. La comparaison des résultats de modélisation avec les observations effectuées par forage suggèrent que seulement un certain nombre des failles identifiées par une analyse de géologie structurale et appartenant à un réseau géométrique donné sont hydrauliquement actives. En d'autres termes, les conditions simulées dans le scénario RFR sont plus plausibles que celles du scénario RFC pour lequel l'interconnexion du réseau est importante.

Dans un second temps, la modélisation a porté sur la caractérisation de l'écoulement à l'intérieur d'un bloc de roche cristalline à faible perméabilité dans lequel est positionnée une galerie de stockage hypothétique. D'après le modèle conceptuel, l'écoulement et le transport advectif à cette échelle est entièrement contrôlé par les éléments transmissifs dont les caractéristiques géométriques et hydrauliques ne sont pas connues de façon déterministe mais de façon statistique. Le modèle conceptuel considéré est donc un modèle de milieu fracturé discontinu, dans lesquels la contribution de la matrice à l'écoulement est négligeable. Le réseau de fractures complexe est généré par simulation statistiques sur la base des paramètres descriptifs obtenus par observations dans les forages. La simulation de réseaux de fractures comportant une galerie de stockage hypothétique fournit les paramètres suivants nécessaires à l'analyse de performance de la galerie de stockage:

Technischer Bericht NTB 92-03

Untere Süsswassermolasse im Erdsondenfeld Burgdorf
Charakterisierung mittels Geologie, Petrophysik und Fluid Logging

Résumé

Dans le champ de prospection géothermique de Burgdorf on a foré, sur une aire de 14 mètres sur 14, 13 sondages dans la molasse d'eau douce inférieure (MDI, USM en allemand). La MDI se compose ici d'éléments architecturaux gréseux tels que chenaux anastomosés (meander belts), sillons de capture (crevasse channels) et deltas de capture (crevasse splays), d'une épaisseur de 1 à 20 m environ, alternant avec des dépôts alluviaux fins et peu perméables tels qu'interfluves (natural levee) et épendages (flood plain) pouvant atteindre une épaisseur de 15 m.

Cinq des forages ont fait l'objet d'investigations complémentaires décrites dans ce rapport. Elles comprennent le prolongement du forage M 1400 de 100 à 250 mètres, le relevé détaillé des deux forages carottés M 1400 et M 2100 (description des faciès lithologiques et identification des éléments architecturaux), une campagne de diagraphie de fluide dans le forage M 1400, des mesures pétrophysiques dans les forages M 1400, M 2100, E 2100 et E 2200, ainsi que des analyses en laboratoire sur des échantillons du forage carotté M 1400. Ces investigations visaient une meilleure caractérisation géologique, pétrophysique et hydrogéologique des cinq éléments architecturaux observés, et leur identification sur la base des diagraphies pétrophysiques. Dans ce cadre, les éléments gréseux perméables revêtent une importance particulière.

Les études géologiques complémentaires comportaient d'une part l'analyse des faciès lithologiques et des éléments architecturaux sur deux forages carottés, d'autre part l'étude en laboratoire d'échantillons gréseux du forage carotté M 1400. Les analyses ont porté sur la composition minéralogique, la densité de la roche, la densité des grains, la porosité, la porosité totale et la perméabilité. Les grès fins et moyens sont caractérisés, d'après le diagramme triangulaire "quartz-feldspath-débris rocheux" de FOLK (1974), comme "litharénite" et "litharénite" riche en feldspath. Les grès ont subi une diagenèse simple avec compaction et cimentation calcitique ultérieure, ainsi qu'une dissolution partielle des feldspaths et débris rocheux. Les échantillons des éléments architecturaux, essentiellement composés de grès, ont une porosité totale de 10 à 25 %, une porosité ouverte de 4 à 21 % et une perméabilité de 3 à 5660 md. Les chenaux et deltas gréseux ont une perméabilité maximale au centre et une perméabilité minimale en haut et en bas. Les séries gréseuses sont toujours délimitées par des couches marneuses qui ne présentent qu'une faible porosité et pas de perméabilité mesurable.

La caractérisation hydrogéologique des zones perméables de la MDI a été effectuée dans le forage M 1400 au moyen de diagraphies du fluide (conductibilité électrique et débit entre obturateurs). Les deux diagraphies conviennent à l'étude des zones perméables de la MDI. Les éléments suivants aident généralement à choisir la méthode adéquate:

Dans le forage M 1400 on a mesuré des transmissivités de 2 E-5 à 2 E-7 m²/s, ce qui, par rapport à l'épaisseur des éléments architecturaux du grès, donne des valeurs K de 4 E-6 à 4 E-8 m/s. Sept des neuf apports d'eau se trouvaient dans les chenaux anastomosés, les deux autres dans les sillons et deltas. Deux chenaux anastomosés n'ont montré aucun apport d'eau identifiable. Les éléments fins se trouvant entre les zones d'apport d'eau sont des barrières hydrauliques effectives, empêchant la mise à l'équilibre des potentiels très différents observées sur une courte distance verticale dans le forage M 1400.

La campagne de mesures pétrophysiques a comporté, dans quatre forages, les diagraphies de calibre, de gamma naturel, de densité gamma-gamma et de porosité neutronique. Dans deux forages, qui étaient déjà tubés et garnis d'une couronne de graviers, il n'a pas été possible d'avoir des mesures quantitativement évaluables, mais on a pu néanmoins utiliser les diagraphies gamma naturel pour corréler la séquence des couches avec les autres forages. Les conditions de mesure étaient bonnes dans les deux forages non tubés. On a pu délimiter les unités de grès à partir du gamma naturel et de la densité gamma-gamma. Toutefois, dans la zone où la paroi du forage est fortement endommagée, les corrections de calibre pour calculer les valeurs de densité et de porosité sont insatisfaisantes. On peut donc identifier des unités sableuses avec des mesures pétrophysiques, même sans relevé géologique. Du fait de leur faible teneur en argile, les chenaux gréseux se caractérisent par un très faible rayonnement gamma. Une étude spéciale réalisée à partir des diagraphies pétrophysiques du forage M 1400 a montré qu'on peut même sans carottes caractériser de manière détaillée (subdiviser en éléments architecturaux) la MDI à l'aide des données pétrophysiques disponibles.

On peut tirer les conclusions suivantes à propos de la géométrie des couches du sous-sol sondé à Burgdorf. Sur la base de toutes les données provenant de cinq forages, on peut déduire que l'inclinaison des couches est orientée vraisemblablement ESE et qu'elle est de 10° environ. Etant donné que les diagraphies gamma naturel des quatre forages coïncident sur de grandes profondeurs, la structure géométrique du sous-sol semble être tout à fait simple. On peut exclure la présence de failles importantes. On a toutefois identifié des failles mineures sur les photos des carottes (pendage 60°, direction inconnue) et à partir des diagraphies gamma naturel. Leur orientation étant inconnue, il n'est pas possible de définir de manière précise la structure tridimensionnelle du sous-sol du champ de prospection géothermique de Burgdorf.

Technischer Bericht NTB 92-02

Nukleare Entsorgung Schweiz
Konzept und Realisierungsplan

Résumé

En Suisse, les producteurs de déchets radioactifs sont responsables de leur élimination. La loi prescrit une élimination durable et sûre des déchets par stockage final. Pour s'acquitter de cette tâche, les sociétés d'électricité qui exploitent des centrales nucléaires et la Confédération -compétente pour les déchets radioactifs provenant de la médecine, de l'industrie et de la recherche - ont fondé en 1972 la Société coopérative nationale pour l'entreposage de déchets radioactifs (Cédra). La Cédra est responsable du stockage final et des travaux de recherche et de projet qui lui sont liés; d'autres travaux de gestion nucléaire, comme le conditionnement et le stockage intermédiaire des déchets, sont réalisés par ces mêmes producteurs ou par des organisations adhoc créées par ces derniers.

Un premier concept sur la gestion nucléaire en Suisse [6] a été lancé en 1978. Avant même d'édicter des dispositions légales détaillées, l'économie électrique entendait ainsi présenter et expliquer de façon exhaustive aux autorités, aux hommes politiques et au public ses idées de base et projets pour concrétiser la gestion des déchets nucléaires en Suisse. Le concept a connu ensuite diverses précisions et adaptations à l'évolution technique et aux nouveaux résultats. Il a d'abord été documenté dans le rapport intermédiaire de la Cédra de 1983 [7], puis davantage détaillé dans le projet Garantie 1985 ([2] ,[8]).

Plusieurs années se sont écoulées depuis la publication des rapports sur le projet Garantie 1985. Entretemps, le Conseil fédéral a tranché sur ce projet en 1988. De plus - en partie du fait de la décision du Conseil fédéral - quelques idées importantes sur le concept sont nées et des étapes décisives ont été entreprises en vue de sa réalisation. Voilà donc une occasion d'actualiser le concept de gestion nucléaire et d'en faire un récapitulatif.

Ce rapport aborde quelques aspects fondamentaux de la gestion des déchets nucléaires, des conditions sociales et des facteurs d'influence techniques, économiques et d'organisation. Le concept est ensuite présenté dans sa totalité en exposant l'élimination des déchets à vie courte et celle des déchets de haute activité et de moyenne activité à vie longue, ainsi que des éléments combustibles usés. On met en avant le niveau des travaux concernés et on présente les travaux à venir ainsi que les objectifs et délais visés.

En harmonie avec le niveau technique et scientifique international, le concept prévoit d'éliminer les déchets radioactifs en les stockant de manière définitive dans des formations géologiques. Les déchets sont alors isolés de l'espace vital des hommes par une série de barrières de sécurité ouvragées et naturelles. Commandement suprême du stockage final: garantir la sûreté à long terme après scellement définitif du dépôt. Des mesures favorisant, d'autres critères (comme la possibilité de contrôle) ne doivent pas compromettre la sûreté à long terme.

Conformément au concept, les éléments combustibles usés sont retraités à l'étranger, les déchets qui en résultent récupérés en Suisse. Pour la planification du dépôt final, on tient compte de l'option d'une élimination directe des éléments combustibles non retraités.

Deux types de dépôt final sont prévus:

Avant d'être stockés définitivement, les déchets de haute activité et les éléments combustibles usés sont entreposés une quarantaine d'années pour permettre à leur production thermique de bais­ser. La préparation d'un dépôt intermédiaire centralisé est donc prioritaire. En raison du stockage intermédiaire nécessaire, on n'aura besoin d'un dépôt final que plus tard, aux alentours de 2020. Les déchets à vie courte par contre sont aujourd'hui déjà sous une forme définitivement stockable et la préparation d'un dépôt final pour cette catégorie de déchets est plus urgente question de temps.

Le concept et le programme des réalisations 1992 fixent les priorités suivantes:

Technical Report NTB 92-01

Analysis and Synthesis of Fluid Logging Data from Wellenberg Boreholes SB1, SB2, SB3, SB4 and SB6

Résumé

Ce document présente les résultats de l'analyse quantitative détaillée et de la synthèse des données de diagraphies de fluides, mesurées dans les forages du Wellenberg SB1, SB2, SB3, SB4 et SB6, dans le cadre du programme de la Nagra pour la caractérisation de la marne du Valanginien, qui est une roche hôte potentielle pour des déchets faiblement à moyennement radioactifs.

La méthode des diagraphies de fluides consiste à mesurer le profil de conductivité électrique et de température le long d'un forage en pompage, après que ce forage ait été rincé avec un fluide présentant un contraste de conductivité électrique et de température avec le fluide dans la formation. Les zones d'influx dans le forage se traduisent par des pics de conductivité électrique dans les logs mesurés. L'analyse quantitative des logs fournit des estimations des transmissivités des zones d'influx, des concentrations dans la formation au niveau de ces zones ainsi que des indications concernant les potentiels hydrauliques.

Les principales hypothèses sur lesquelles sont basés les divers programmes informatiques servant à l'analyse quantitative sont passées en revue, ce qui permet de sélectionner la méthode d'analyse la plus appropriée aux conditions de mesure. L'examen de la variabilité dans le temps et de l'incertitude liées aux paramètres requis pour l'analyse (en particulier le rabattement et la concentration dans les fluides produits par les zones d'influx), montre que pour chaque test il existe plusieurs logs pouvant être analysées à l'aide de BORE, un code de différences finies qui simule le transport advectif-dispersif à une dimension avec des sources multiples.

Contrairement aux simulations BORE effectuées par le passé, où l'ajustement entre logs mesurés et simulés était effectué manuellement, l'approche adoptée ici consiste à effectuer cet ajustement de manière automatique avec STARBORE, un modèle inverse de minimisation qui fait appel à BORE à chaque itération. Un des avantages importants de cette nouvelle approche est qu'en plus des paramètres correspondant à un ajustement optimal, l'on obtient également une estimation de l'erreur (écarts types) sur chaque paramètre simulé. STARBORE trouva avec succès le minimum de la fonction objective pour chaque test de diagraphies sauf un, en raison d'un développement insuffisant des pics.

Les transmissivités des zones d'influx sont calculées à l'aide des débits estimés par STARBORE et tenant compte de l'incertitude liée aux autres paramètres concernés (en particulier les potentiels des zones d'influx et leur coefficient d'emmagasinement).

Technical Report NTB 91-34

Grimsel Test Site
Overview of Nagra field and modeling activities in the ventilation drift (1988 – 1990)

Résumé

Des essais hydrauliques par ventilation (VE) ont été conduits au site d'essais du Grimsel (GTS). La première phase a été effectuée entre 1983 et 1987, principalement par une société allemande de recherche sur les rayonnements et l'environnement, la GSF (Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit GmbH, Institut für Tieflagerung). La Cédra a participé activement à la deuxième phase, conduite entre 1988 et 1990, avec des travaux de terrain complémentaires et le développement d'un modèle.

La contribution de la Cédra est présentée succintement dans le présent rapport. Un nouveau lever structural des déformations in situ a permis une meilleure compréhension de la géométrie des voies d'écoulement. On a ainsi pu évaluer les effets de l'hétérogénéité des structures de déformation sur les variations spatiales de l'écoulement dans la galerie ventilée, et sur l'estimation de la perméabilité en grand. On présente aussi des méthodes complémentaires de mesure de l'écoulement, notamment une nouvelle méthode de mesure de l'évaporation en un point précis de la surface de la galerie. Enfin, le chapitre 4 présente quelques aspects de la campagne de forage, et les essais hydrauliques correspondants. Ces essais avaient pour but d'étudier la géométrie et la déformation de la zone faillée observée dans la galerie, ainsi que de définir les paramètres hydrauliques de cette discontinuité.

Le travail de modélisation comportait deux aspects: d'une part une expérience de validation, les pressions pour un intervalle donné étant prévues avant forage et comparées aux observations après forage; d'autre part le développement de la méthode inverse en conjonction avec l'analyse géostatistique. Les deux approches fournissent une information utile sur les variations spatiales de la perméabilité dans des roches d'acceuil granitiques à déformation tectonique différenciée.

Les transmissivités et conductivités hydrauliques tirées des différentes méthodes sont comparées dans le dernier chapitre. Toutes les méthodes fournissent une valeur de perméabilité dix fois plus grande pour la zone faillée que pour la matrice. La perméabilité de la matrice saturée peut toutefois être sousestimée en raison de l'assèchement de la paroi de la galerie, spécialement lors des essais de ventilation classiques. On concluera en mentionnant que lors d'un test de ventilation le flux drainé le plus approprié pour l'estimation de la perméabilité en grand est de l'ordre de 1 mg∙m^-2∙s^-1.

Technical Report NTB 91-33

Grimsel Test Site
Migration Experiment
Modelling of laboratory high-pressure infiltration experiments

Résumé

This report describes the modelling of break-through curves from a series of two­tracer dynamic infiltration experiments, which are intended to complement larger scale experiments at the Nagra Grimsel Test Site. The tracers are ⁸²Br, which is expected to be non-sorbing, and ²⁴Na, which is weakly sorbing. The ²⁴Na concentration is well below the natural Na concentration in the infiltration fluid, so that sorption on the rock is governed by isotopic exchange, exhibiting a linear isotherm. The rock specimens are sub-samples (cores) of granodiorite from the Grimsel Test Site, each containing a distinct shear zone. Best-fits to the break-through curves using single-porosity and dual-porosity transport models are compared and several physical parameters are extracted. It is shown that the dual-porosity model is required in order to reproduce the tailing part of the break-through curves for the non-sorbing tracer. The single-porosity model is sufficient to reproduce the break-through curves for the sorbing tracer within the estimated experimental errors. Extracted K_d values are shown to agree well with a field rock-water interaction experiment and in situ migration experiments. Static, laboratory batch-sorption experiments give a larger K_d, but this difference could be explained by the larger surface area available for sorption in the artificially crushed samples used in the laboratory and by a slightly different water chemistry.

Technical Report NTB 91-32

Chemistry of the redox-sensitive elemens
Literature review

Résumé

Dans le cadre des études du contrôle de sécurité d'un dépôt de déchets nucléaires, la migration des éléments radioactifs depuis la matrice de déchets jusqu'à la biosphère doit être modelée. La géosphère est une importante barrière et la prise en considération de la rétention des isotopes radioactifs nécessite la connaissance des coefficients de sorption et des solubilités. Parmi les éléments radioactifs importants, les produits de fission tel que le sélénium, le technétium, le palladium et l'étain et l'actinide neptunium sont tous redox sensitifs. Un modèle de transport mettant en jeu des coefficients conservateurs prédit des doses principalement pour ces cinq éléments. Puisque les états d'oxydation individuels des éléments ont des propriétés de sorption et des solubilités relativement peu connues, les doses réelles peuvent être assez différentes.

Les études importantes au sujet de ces cinq éléments sont résumées, et devront servir de base au programme expérimental. Pour chaque élément, la littérature concernant la chimie générale, les études de sorption sélective, la géochimie, et les méthodes analytiques sont revues. On doit constater que la connaissance de ces points est très limitée. Pour certains d'entres-eux la chimie générale, même, n'est pas bien connue, parce qu'ils ont seulement des applications limitées pour certains aspects. La plupart des études de sorption dans le cadre des déchets nucléaires concernent certains de ces éléments, les autres ont été négligés jusqu'à présent.

La simulation d'un système réaliste au laboratoire pose certains problèmes qui doivent être résolus. La littérature à ce sujet est a été revue de façon critique.

Les éléments qui sont les plus mobiles dans les conditions les plus réalistes ont été identifiés et il est recommandé de concentrer la recherche à ce sujet.

Technical Report NTB 91-31

Grimsel Test Site
A simple transport model for the Grimsel migration experiments

Résumé

Afin de comprendre les essais de migration de la Nagra au «Felslabor Grimsel», il faut confronter l'expérience aux modèles. Dans ce rapport, un modèle est proposé avec les caractéristiques suivantes: i) La domaine d'écoulement entre l'injection et l'extraction (dipôle asymétrique) est divisé sur le périmètre d'essai en «tubes» d'écoulement. ii) Un transport advectif et unidimensionnel a lieu en chaque «tube» d'écoulement. iii) Perpendiculairement au plan d'écoulement, la diffusion a lieu dans la matière de remplissage de la fissure. Selon traceur utilisé, la diffusion peut être accompagnée d'une sorption. iv) La distribution des concentrations avec le temps complète au point d'extraction est la somme des distributions pour chaque tube d'écoulement corrigé pour son débit relatif.

Ce modèle a été utilisé pour l'interprétation de deux essais. Les paramètres du modèle sont en accord avec les résultats des essais de laboratoire (sorption en «batch»). Pour évaluer la sensibilité du modèle, des calculs sont réalisés avec les paramètres. Pour les variations des paramètres choisis, l'étude conduit aux conclusions suivantes: La diffusion dans la matrice (mieux: la diffusion dans la matière de remplissage de la fissure) ne peut être identifiée sans ambigüité dans le cas des traceurs non-sorbants, tandis que pour des traceurs sorbants, elle doit être prise en considération, dans les domaines choisis des paramètres. Ici, la situation plus complexe induit la question: «La matière de remplissage de la fissure, est-elle saturée durant les essais, ou non?»

Technischer Bericht NTB 91-30

Hydrochemische Synthese Nordschweiz:
Buntsandstein-, Prem- und Kristallin-Aquifere

Résumé

Après la publication de la synthèse hydrochimique des aquifères du Tertiaire et du Malm (NTB 88-07), les résultats du groupe principal des aquifères du Buntsandstein, du Permien et du Crystallin sont présentés dans ce rapport. Les données de base pour cette étude proviennent des forages profonds et du programme régional de la Nagra, ainsi que de sources externes (= «Fremde Analysen», forages à autres intentions, littérature). En plus, des analyses d'eaux des aquifères du Buntsandstein, du Permien et du Crystallin d'Allemagne ainsi que des analyses de lacs salés récents sont prises en considération à des fins de comparaison.

Les analyses hydrochimiques ont permis de distinguer quatre types d'eaux principaux, c'est-à-dire un type hydro­carbonaté calcique et magnésien, un type hydrocarbonaté sodique, un type sulfaté sodique et finalement un type chloruré sodique.

Dans le Buntsandstein et dans les parties supérieures des formations au mur, on a trouvé des eaux du type sulfaté sodique et chloruré sodique. Les eaux souterraines profondes du type sulfaté sodique possèdent des propriétés hydrochimiques spécifiques à cette formation et se distinguent des eaux du même type trouvées dans le socle crystallin. Les eaux souterraines profondes du type chloruré sodique montrent des affinités avec les eaux sulfatées sodiques de cette même formation. A Siblingen, aucune eau typique du Buntsandstein n'a pu être observée, parce qu'à ce site-là, l'eau du Crystallin monte dans le Buntsandstein.

Dans le Rotliegend du fossé permo-carbonifère du nord de la Suisse, des eaux souterraines profondes fortement salées du type chloruré sodique ont pu être détectées. Elles sont caractérisées par des propriétés hydrochimiques typiques de cette formation et se distinguent des eaux du même type trouvées dans le socle crystallin et dans le Buntsandstein. Leur caractère hydrochimique a de fortes ressemblances avec quelques lacs salés récents. Très probablement, les eaux souterraines profondes du Rotliegend contiennent encore des reliques d'eaux connées (ou des précipitations de sels connées dissolues) des saumures continentales permiennes, ou des solutions interstitielles qui sont melangées avec des eaux du cycle hydrologique, mais n'ont pas pu être déplacées complètement par celles-ci durant les dernières 250 Ma. Ces faits indiquent une circulation d'eau extrêmement lente dans les sédiments permiens. Une influence supplémentaire des interactions roche-eau sur la chimie originale de ces eaux ne peut pas être exclue. Une eau souterraine similaire a également été trouvée dans le Rotliegend au nord du fossé permo-carbonifère.

Dans le Crystallin de la Forêt Noire méridionale et du nord du fossé permocarbonifère, un système hydrologique a pu être mis en évidence par une séquence évolutive hydrochimique et des données isotopiques. Cette séquence débute par les jeunes eaux souterraines du type bicarbonaté calcique et magnésien de la Forêt Noire méridionale, est suivie par les eaux souterraines profondes du type bicarbonaté sodique rencontrées à Siblingen, et se termine par les eaux souterraines profondes du type sulfaté sodique trouvées dans la région entre Zurzach et Säckingen, où les eaux atteignent des temps de résidence souterraine de plus de 10 à plusieurs 10 ka.

Dans le Crystallin au-dessous et a côté du fossé permocarbonifère, des eaux souterraines profondes du type chloruré sodique ont été rencontrées, indiquant probablement l'influence du fossé voisin. Pour ces eaux, on observe une séquence de dilution qui passe des eaux chlorurées sodiques du Rotliegend par les eaux chlorurées sodiques du Crystallin aux eaux sulfatées sodiques du Crystallin. Les eaux du Crystallin possèdent probablement des temps de résidence très longs, mais néanmoins moins longs que les eaux du fossé lui-même.

A Säckingen, une séquence de dilution particulière a été rencontrée. On y observe un mélange entre une jeune eau souterraine du type connu du Crystallin de la Forêt Noire méridionale et une eau souterraine profonde évoluée du Crystallin.

Les eaux bicarbonatées sodiques avec du dioxide de carbone magmatique présentent une particularité. Il s'agit d'eaux dont la provenance des composants est égale à celle des autres eaux du Crystallin, mais dont le chimisme original a subi une influence supplémentaire par des quantités élevées de dioxide de carbone magmatique.

Technical Report NTB 91-29

STRIPA PROJECT
ANNUAL REPORT 1990

Résumé

Le projet de Stripa est un projet de l'Agence de l'OCDE pour l'Energie Nucléaire. C'est dans le cadre d'une troisième phase de ce projet allant de 1986 à 1991, que des travaux de recherches sont réalisés avec une participation internationale, dans un laboratoire souterrain de Suède. Il s'agit d'effectuer les travaux ci-dessous, en mettant en application ce que l'on a appris au cours des précédentes phases 1 et 2:

Technischer Bericht NTB 91-28

Diffusion von Eisen- und Jodid-Ionen in hochverdichtetem Bentonit

Résumé

Les coefficients de diffusion de ions de fer(lI) et d'iodures dans de la bentonite au sodium MX-80 ainsi qu'au calcium Montigel, ont été déterminés comme coefficients apparents de diffusion à l'aide d'un appareillage de diffusion spécial, sous conditions dynamiques instationnaires. Pour des densités sèches de l'ordre de 16 kN/m³ et une teneur de saturation en eau d'environ 25 %, l'ordre de grandeur des coefficients apparents de diffusion des ions de fer(II) se situe entre 8 × 10^-13 et 7 × 10^-12 m²/s à température ambiante. Un échange des cations échangeables dans les bentonites, c.-à­d. des ions de Ca à la place de ions de Na dans MX-80 et des ions Na à la place de ions de Ca dans Montigel, n'a pas eu d'influence sur les coefficients de diffusion des ions de fer(Il). Pour une densité sèche d'environ 17 kN/m³ avec une teneur en eau d'approximativement 20 %, les coefficients apparents de diffusion des ions de iodures se situent entre 2 × 10^-11 et 4 × 10^-11 m²/s à température ambiante et entre 3 × 10^-11 et 5 × 10^-11 m²/s vers 150°C. Ces valeurs sont inférieures d'un facteur 10 environ de celles déterminées par KAHR et al. (1985) sur des échantillons libres de bentonites compactées non-saturées. Lors de ces essais des coefficients de diffusion des ions de iodures de 1 × 10^-10 à 4 × 10^-10 m²/s ont été mesurés à température ambiante.

Les coefficients apparents de diffusion des ions de fer(II) et de fer(III) ont également été mesurés sur des échantillons libres de bentonites compactées et non-saturées (MX­80 et Montigel). Pour des teneurs en eau d'environ 17 % les coefficients de diffusion à température ambiante pour le fer(II) étaient de 3 × 10^-11 à 4 × 10^-11 m²/s alors que pour des teneurs en eau d'environ 27 % ils se situaient vers 6 × 10^-11 m²/s. Les valeurs de ces coefficients se situent donc un facteur dix environ au-dessus de celles déterminées à l'aide d'appareillages de diffusion. Pour des teneurs en eau d'environ 28 %, les coefficients de diffusion des ions de fer(III) se situent vers 8 × 10^-11 m²/s.

Les eccarts observés entre les mesures de coefficients de diffusion effectuées par les deux méthodes (appareillage de diffusion et échantillon libre) sont au maximum un facteur dix, pour les ions de fer(lI) comme pour ceux de iodures. Les coefficients de diffusion les plus élevés ont été mesurés sur des échantillons libres.

Technical Report NTB 91-27

Intraval Test Case 1B
Modelling results

Résumé

Le rapport présente des résultats obtenus dans le cadre de l'étude INTRAVAL, phase I.

Six modèles différents ont été adaptés aux résultats de quatre essais d'infiltration au traceur ²³³U. Les essais ont été conduits sur des petits échantillons de roche cristalline provenants de perforations profondes effectuées dans le nord de la Suisse.

Les premiers quatre modèles hypothisent, pour un milieu à double porosité les procès suivants: transport par advection et dispersion dans les zones aquifères (conduits tubulaires ou fractures plaines), diffusion de dites zones dans les pores de la roche adjointe et adsorption linéaire ou non linéaire sur les surfaces internes de la matrice. Les autres deux modèles hypothisent un seul milieu à porosité équivalente et excluent la diffusion dans la matrice. Ils demandent l'adsorption non linéaire sur les surfaces d'une seule famille de fissures, ou bien l'adsorption linéaire sur surfaces de différentes familles de fissure.

L'adaptation à les données expérimentales à été obtenue grâce à la méthode de Marquardt-Levenberg, qui fournit des estimations sur les erreurs des paramètres des coefficients de corrélation et, pour la mesure de la qualité des adaptations, la valeur minimale de la fonction χ². On montre les conséquences du choix de différentes conditions limite à l'entrée du conduit. On discute les valeurs de la profondeur de pénétration par diffusion dans la matrice obtenues avec deux voies d'écoulement alternatives.

Les résultats montrent que les modèles à double porosité reproduisent les données expérimentales mieux que ceux à porosité unique.

En outre, la position des données expérimentales dans la queue des courbes d'écoulement peut être expliquée en hypothisant diffusion dans la matrice, mais non par une isothèrme d'adsorption non linéaire. Les valeurs des paramètres obtenus pour les deux isothèrmes (linéaire et non linéaire (FreundIich)) sont en accord avec les résultats d'essais indépendants. Cependant, il n'est pas possible, sur la base des valeurs calculées, de distinguer entre les deux géométries d'écoulement. Sur la base des résultats obtenus, ont fait des propositions pour les essais futurs.

Technischer Bericht NTB 91-26

Urangehalte von Oberflächen-, Quell- und Grundwässern der Schweiz

Résumé

Ce rapport présente les résultats d'investigations qui se sont déroulées en plusieurs phases entre 1978 et 1986. Elles comprennent des analyses de la teneur en uranium d'eaux superficielles, de sources et de nappes souterraines en Suisse, provenant plus particulièrement de régions alpines.

C'est surtout dans les régions présentant des gisements d'U connus que l'on a rencontré des teneurs d'U anormalement élevées dans l'eau. Le bassin versant du Rhône est particulièrement intéressant à cet égard et constitua le centre de gravité des investigations. On a également trouvé des teneurs d'U élevées dans la vallée du Rhin antérieur, alors qu'elles étaient nulles ou très faibles dans les bassins versants de la Reuss, de l'Aare et du Tessin. Les eaux souterraines provenant de complexes granitiques alpins exhibent de fortes variations allant de 0.2 à > 100 ppb. Les quelques eaux de surface étudiées sur le Plateau et le nord de la Suisse montrent des teneurs normales aux alentours de 0.5 ppb. Les données relatives aux eaux souterraines profondes présentant de fortes teneurs d'U (> 2 ppb) dans le nord de la Suisse (et la région frontalière voisine) ont été tirées du programme d'investigation hydrologique régional de la Nagra.

L'interprétation des teneurs d'U est souvent problématique en raison du manque de connaissances au sujet des phénomènes et paramètres qui sont à leur origine. Les résultats de deux expériences de lixiviation sont présentés à titre de contribution à une meilleure compréhension du problème.

Technischer Bericht NTB 91-25

Zum Korrosionsverhalten von nichtrostendem Stahl, Nickel-Chrom- und Zirconium-Legierungen in Portlandzement-Porenwasser

Résumé

Sur la base des résultats publiés et de l'expérience propre on a estimé la corrosion d'une matrice métallique, qui se trouve dans un ciment Portland poreux et aqueux.

Les matrices métalliques suivantes ont été examinées: des aciers inoxydables, des alliages à base de nickel, et des alliages au Zirconium. L'eau interstitielle du ciment Portland considéré est peu agressive, mais, mise en contact avec les eaux souterraines du site du dépôt, elle peut s'enrichir en chlorure et en sulfate. Malgré que la corrosion soit en principe thermodynamiquement possible, on peut supposer qu'une corrosion locale (corrosion des trous, corrosion de rupture de tension, corrosion intercristalline) est très peu probable dans les conditions données. Cela vaut pour les trois groupes d'alliages mentionnées et signifie qu'on ne doit pas s'attendre à un relâchement signifiant des produits de corrosion. La discussion d'une corrosion provoquée par radiolyse indique qu'un effet corrosif supplémentaire n'est pas à considérer. Finalement il n'a pas été possible de déterminer si la corrosion pourrait être augmentée par suite d'attaque microbienne. Pour cette raison, on propose des mesures expérimentales supplémentaires.

La durée du confinement des produits radioactifs sera influencée par un taux de dissolution très faible pour suite de passivation. Les trois groupes de métaux considérés subissent ce genre de dissolution en générale. L'ensemble des résultats prouve que les taux de corrosion plus grands que 250 mg/m² et par jour ne sont pas dépassés. Comme ces valeurs ont été déterminées surtout par électrochimie, on propose ici de procéder en plus à des analyses des métaux produits par la corrosion de l'eau interstitielle. En résumé, les taux de corrosion estimés dans ce rapport sont bien plus faibles que ceux, qui sont d'importance en général en technique.

Rapport Technique NTB 91-24

Programme de recherche (Phase I)
Site potentiel du Bois de la Glaive (Commune d'Ollon, VD)
Plan d'éxécution BDG 91/92

Résumé

Le 30 septembre 1985, le Conseil fédéral autorisait la Nagra à entreprendre des recherches pour déterminer si le site du Bois de la Glaive (BDG) se prêtait au stockage de déchets radioactifs de faible et moyenne activité à vie courte.

Plusieurs programmes de travail ont été proposés dans l'intervalle, toutefois sans qui il soit possible de les mettre en application, en raison des oppositions rencontrées auprès de la Commune d'Ollon et des propriétaires fonciers. Ayant dû recourir à l'expropriation pour remplir son mandat, la Nagra présente aujourd'hui une version adaptée et complétée de son «Plan d'exécution BDG 89» (octobre 1989). Intitulé «Plan d'exécution BDG 91/92», ce nouveau document fait le point sur les études prévues entre 1991 et 1993; il tient compte des recommandations de la Division principale de la sécurité des installations nucléaires (DSN) et des résultats des actes préparatoires déjà entrepris au Bois de la Glaive.

Des reconnaissances préliminaires ont en effet permis de préparer les futures campagnes de mesures et de sondages (géophysique, piézomètres, forages dans la couverture de gypse) et d'établir un inventaire détaillé des points d'eau. Ces derniers font l'objet de contrôles périodiques depuis mars 1991, grâce aux autorités communales d'Ollon, qui ont encouragé les propriétaires à faciliter l'accès de leurs installations.

Le «Plan d'exécution BDG 91/92» correspond à une première phase de recherche, visant à vérifier aussi vite que possible les principales hypothèses émises sur la géologie de la région, tout particulièrement celles susceptibles d'exercer une influence sur la sécurité à long terme d'un stockage éventuel. Parmi les éléments de décision les plus importants figurent la taille du massif d'anhydrite disponible, l'épaisseur et la nature de sa couverture de gypse et l'importance des écoulements souterrains qui se produisent alentours.

Les résultats de ces travaux permettront de décider s'il vaut la peine de poursuivre les recherches ou si le site du Bois de la Glaive doit être abandonné au profit d'un des trois autres examinés aujourd'hui en Suisse par la Nagra.

Technischer Bericht NTB 91-22

Sondierbohrung Siblingen:
Dokumentation der Wasserprobenentnahmen und Interpretation der hydrochemischen und isotopen-hydrologischen Analysen

Résumé

Dans le cadre du programme d'investigation de sites en vue du stockage final dans le nord de la Suisse de déchets de haute et moyenne radioactivité à vie longue des analyses hydrochimiques et isotopiques ont été effectuées sur des échantillons d'eau prélevés dans le forage profond de Siblingen (SH). Des échantillons d'eau ont été prélevés dans le Muschelkalk, le Buntsandstein et dans diverses zones du cristallin pour être soumis à de nombreuses analyses hydrochimiques et déterminations de teneur en isotopes et gaz. Les prélèvements d'eau ont été documentés et la qualité des échantillons évaluée, c'est­à-dire que leur contamination par le fluide de forage a été déterminée à l'aide de leur teneur en traceurs et en tritium de celui-ci, permettant ainsi d'introduire les corrections nécessaires aux résultats des analyses. Un ensemble de données hydrochimiques de base corrigées, thermodynamiquement cohérentes, a été élaboré pour chaque zone étudiée à l'aide de calculs par modèles géochimiques. Ces ensembles de données ont servi de base pour la caractérisation hydrochimique des eaux souterraines profondes de Siblingen. Ces résultats sont à même de fournir des informations sur les conditions hydrochimiques régnant dans le sous-sol ainsi que sur l'évolution, la provenance et le temps de séjour des eaux prélevées. Les résultats de ces investigations permettent en outre de valider un modèle hydrodynamique établi pour la région et servent de base aux études de sorption des radionucléides nécessaires pour les analyses de sûreté d'un éventuel dépôt final.

L'eau du Muschelkalk supérieur (dolomie à trigonodus), provenant de la moins profonde des zones étudiées, soit à une profondeur de forage moyenne de 183,55 m, est une eau à Ca-Mg-(Na)-SO₄-HCO₃ relativement peu minéralisée. La modélisation hydrochimique a montré, par rapport aux autres eaux du Muschelkalk du nord de la Suisse, une sous-saturation en dolomies plus marquée. Cette eau est en outre sous-saturée en gypse et en anhydrite. L'eau du Muschelkalk s'est infiltrée sous des conditions comparables à celles régnant aujourd'hui. Les déterminations isotopiques sur les sulfates en solution ont livré des valeurs qui ne sont pas dans le domaine typique des sulfates du Muschelkalk. Les calcites dans les fissures ouvertes et les druses du Muschelkalk ne présentent pas un caractère marin au vu des valeurs isotopiques de leurs carbonates et ne sont pas en équilibre avec l'eau actuelle du Muschelkalk de Siblingen. Les déterminations du ¹⁴C ont livré un âge modèle de 16'000 années au moins. Au vu de considérations hydrogéologiques et hydrochimiques cette valeur du ¹⁴C de l'eau du Muschelkalk semble trop faible, respectivement l'âge modèle trop élevé, ce qui exprimé en d'autres termes revient à dire que l'on se serait attendu à un âge plus jeune pour une première interprétation. L'activité de l^'39Ar ne suggère pas une production souterraine et livre un âge modèle ³⁹Ar de 900 années au-moins. Le rapport ³⁹Ar/³⁷Ar permet de supposer que les isotopes d'argon on été lixiviés à partir des particules minérales ou des cristaux de calcite (remplissage fissuraI) principalement par effet «recoil» (recul). La teneur en tritium peut être attribuée à environ 2 % de fluide de forage. En se fondant sur le rapport ³H/⁸⁵Kr on peut conclure que les échantillons d'eau du Muschelkalk comportent moins de 2 à 3 % d'eaux jeunes ou récentes, respectivement de fluide de forage. Il y a toutefois des indices hydrogéologiques suggérant pour l'eau du Muschelkalk une zone d'infiltration située dans la pente SE de la Forêt Noire.

A Siblingen, en ce qui concerne les eaux du Buntsandstein (grès à grain fin à grossier avec intercalations de bancs argileux) à la profondeur moyenne de 341,05 m et le cristallin (granite à cordiérite-biotite) aux profondeurs moyennes de 478,95 m, 527,65 m, 1'158,95 m et 1'495,96 m, il s'agit d'eaux à Na-HCO₃-SO₄, très peu minéralisées. Les résultats de la modélisation hydrochimique montrent que ces eaux sont sous-saturées en dolomie, anhydrite et gypse. On peut admettre comme vraisemblable que ces eaux se sont infiltrées sous les conditions d'une période glacière, en se basant sur les isotopes stables relativement légers d'oxygène et d'hydrogène et les basses températures d'infiltration des gaz nobles. Les résultats de la détermination des isotopes de sulfates suggèrent que l'on a affaire à un mélange de sulfates sédimentaires et cristallins. L'étude des isotopes des carbonates montre qu'il est probable que la plupart des calcites des fissures dans les parties les plus profondes du cristallin se sont développées sous des conditions pareilles à celles régnant aujourd'hui, respectivement qu'elles sont plus ou moins en équilibre avec les eaux du cristallin le plus profond. Par contre les calcites de la partie supérieure du cristallin ne sont pas en équilibre avec les eaux des profondeurs correspondantes. On a calculé un âge modèle de plus de 16'000 années pour les échantillons d'eau du Buntsandstein alors que pour ceux provenant du cristallin on a trouvé des âges modèles par ¹⁴C un peu plus élevés (> 17'000 jusqu'à > 22'000 années). Ces données sont cohérentes avec une infiltration de ces eaux sous les conditions d'une période glacière. L'activité de l^'39Ar dans le Buntsandstein permet de conclure à une production essentiellement souterraine et une estimation de l'âge modèle n'est par conséquent pas possible. On en conclut qu'une grande partie de l'activité de l^'39Ar provient du cristallin. L^'37Ar dans les eaux souterraines provient surtout de la calcite de fissure et de druse ou encore de la fluorite. Les eaux du Buntsandstein et du cristallin de Siblingen sont, considérant leurs teneurs en uranium relativement élevées, comparables avec les eaux souterraines correspondantes le long du Rhin qui proviennent probablement de la Forêt Noire. Le rapport des activités uranium-thorium permet de conclure à une intense interaction eau-roche au cours des dernières 106 années. Les différences de teneur en tritium entre les échantillons d'eau tirés du Buntsandstein et du cristallin ne proviennent pas d'un apport d'eaux jeunes, mais d'une contamination due au fluide de forage utilisés. Le rapport ³H/⁸⁵Kr dans le Buntsandstein permet de conclure que cet échantillon d'eau contient moins de 2 à 3 % d'eaux jeunes ou récentes, respectivement de fluide de forage. On peut admettre que les eaux du Buntsandstein et du cristallin proviennent d'une zone d'infiltration située dans le sud de la Forêt Noire.

Technical Report NTB 91-21

Hydrogen evolution from corrosion of iron and steel in low/intermediate-level waste repositories

Résumé

La production d'hydrogène résultant de la corrosion du fer et de l'acier présents en quantités importantes dans un dépôt final pour déchets de faible et moyenne activité doit être prise en compte dans toute analyse de sûreté.

La plus grande partie du fer présent dans un dépôt pour déchets de moyenne activité se trouve dans un environnement contenant du ciment. Selon la litérature, les vitesses de formation d'hydrogène lors de la corrosion du fer et de l'acier à des pH élevés, en particulier en présence de ciment, sont de l'ordre de 22 à 220 mmol H2/(m^2*a). Certains auteurs mentionnent des vitesses de corrosion encore plus basses. Jusqu'à présent toutefois, l'intérêt à étudier des vitesses de corrosion aussi basses était pratiquement nul, vu que dans les applications techniques normales elles ne jouent aucun rôle.

Les analyses de sûreté montrent cependant que la diffusion dans les dépôts pour déchets moyennement et faiblement actifs est insuffisante pour éliminer l'hydrogène produit selon une cinétique comme celle citée ci-dessus. Ceci peut avoir des conséquences diverses. D'un côté, des poches de gaz déplaçant l'eau de la surface métallique peuvent se former, d'un autre côté, des pressions d'équilibre de gaz de l'ordre de 500 bar peuvent conduire à une destruction mécanique du rocher, voir même du dépôt final. Voilà pourquoi la détermination exacte de vitesses de corrosion faibles est, dans le présent cas, très importante.

Dans la présente étude on a utilisé une méthode volumétrique pour déterminer la cinétique d'évolution de l'hydrogène lors de la corrosion du fer en milieu neutre resp. alcalin sur une période de plus de 6000 heures. La sensibilité de la méthode est suffisante pour déterminer des vitesses de corrosion du fer dans le ciment plus faibles que celles généralement admises jusqu'à présent.

Les études ont été réalisées dans des milieux contenant les bases libres NaOH, KOH et Ca(OH)₂ ainsi que dans trois solutions synthétiques simulant l'eau dans les pores du béton. Le pH des solutions était de 12,5 à 13.

Les vitesses de production d'hydrogène déterminées sont inférieures de 22 à 200 mmol H₂/(m^2*a) citées ci-dessus. Toutefois, des différences manifestes ont été observées entre les bases monovalentes (NaOH, KOH) et bivalentes (Ca(OH)₂).

Ainsi, la solution Ca(OH)₂ produit pendant toute la durée d'essai de l'hydrogène à une vitesse constante de 1 à 2 mmol/(m^2*a), alors que les bases monovalentes montrent un maximum de la production d'hydrogène de l'ordre de 13 mmol/(m^2*a) après 2000 heures, tombant à 4 mmol/(m^2*a) pour des temps d'exposition de 6000 heures.

Une eau de pore conditionnée ne contenant que du Ca(OH)₂ comme base libre produit en conséquence 0,5 à 1 mmol d'hydrogène par m² et année. Une eau de pore «jeune» contenant encore des bases monovalentes NaOH et KOH en quantités importantes devrait en principe se comporter comme les bases libres correspondantes. Cependant, la durée des essais était insuffisante pour vérifier cette hypothèse.

Pour simuler une solution neutre, on a utilisé de l'eau de Böttstein (eau synthétique en provenance d'un gisement granitique en grande profondeur), de l'eau bidistillée ainsi qu'une solution à pH 8,5 contenant 8000 ppm de chlorures. En principe ces trois solutions conduisent à des résultats similaires: Après une phase de démarrage d'environ 1000 heures, caractérisée par une vitesse d'évolution d'hydrogène de 80 à 100 mmol/(m^2*a); cette dernière s'abaisse à 10 à 20 mmol/(m^2*a) au cours de 6000 h. L'ordre des valeurs détérminées dans la phase initiale correspond à celui trouvé dans une étude antérieure (Schenk 1988); toutefois comme des essais de corrosion sur des durées de plusieurs milliers d'heures sont rares resp. inexistants, une comparaison avec des résultats publiés dans la littérature est difficile.

Technical Report NTB 91-20

Chemical Thermodynamic Database Handling/Conversion Programs for the MINEQL and PHREEQE Codes: USER'S GUIDE

Résumé

L'élément fondamental de tout logiciel de spéciation géochimique est constitué par les bases de données thermodynamiques correspondantes. Malheureusement, ces bases de données, bien qu'éventuellement absolument identiques dans leur contenu, peuvent être représentées dans des formats complètement différents selon le code considéré (par ex. MINEQL, PHREEQE).

Les comparaisons souvent nécessaires, comme aussi les échanges de données thermodynamiques entre différents logiciels de spéciation, exigent en général un travail manuel considérable sujet à erreurs. Divers programmes d'ordinateur ont par conséquent été développés pour faciliter la manipulation, la comparaison et la conversion de bases de données thermodynamiques entre les logiciels de spéciation géochimique MINEQL et PHREEQE.

Le présent rapport comporte un manuel d'utilisation de ces programmes. Il comprend une description détaillée du déroulement des programmes et les spécifications des input/output indispensables avec des exemples. Une documentation exhaustive des programmes de sources est disponible sur demande.

Il faut souligner que l'utilisation de ces programmes présuppose une connaissance approfondie des logiciels de spéciation MINEQL et PHREEQE ainsi que des bases de données correspondantes. Ces logiciels ne devraient par conséquent être utilisés que par des personnes bien familiarisées avec la structure, la constitution et les relations internes des bases de données mentionnées.

Technischer Bericht NTB 91-19

Sedimentstudie
Zwischenbericht 1990:
Zusammenfassende Übersicht der Arbeiten von 1988 bis 1990 und Konzept für das weitere Vorgehen

Résumé

A la suite du rapport intermédiaire 1988 (NTB 88-25) qui avait pour but d'évaluer les options des roches sédimentaires et les régions potentielles de site en Suisse, le présent rapport technique résume les travaux d'études effectués entre 1988 et 1990 concernant notamment la Molasse d'eau douce inferieure et l'Argile à Opalines. En plus il décrit la stratégie et les concepts d'investigations futures. Le rapport est subdivisé en deux parties: La première contient le résumé général des rapports élaborés depuis 1988, une description de la situation de départ en 1991 et des questions principales ainsi que les concepts pour les investigations prévues. Dans la deuxième partie (annexe) se trouvent rassemblés les résultats essentiels des différents rapports de base en résumés succincts.

Technical Report NTB 91-18

Nagra thermochemical data base
II. Supplemental Data 05/92

Résumé

Des données thermodynamiques relatives à la chimie des spécimens aqueux, des minéraux et des gaz, sont requises par la Nagra pour l'élaboration de ses modèles géochimiques. Les données thermochimiques de la Nagra comprennent des données de base et des données complémentaires. Les données de base correspondent à des entités bien définies qui ont été sélectionnés une à une avec la plus grande attention et fournies par PEARSON & BERNER (1991). Les données complémentaires comportent des entités moins courantes et des éléments nécessaires aux évaluations de sûreté. Elles ont été sélectionnées par groupes à partir d'autres bases de données de modélisation géochimique et n'ont pas été soumises à un examen individuel détaillé.

Ce rapport contient les tableaux des données thermochimiques de base de la Nagra en date de mai 1992. Il comprend les données fondamentales décrites dans un rapport antérieur ainsi que des données complémentaires relatives aux éléments aluminium, silicium, fer et manganèse, aux actinides thorium, uranium, neptunium, plutonium et américium, à des éléments présents à titre de produits de fission, respectivement produits d'activation dans les déchets nucléaires, y compris nickel, zirconium, niobium, molybdène, technétium, palladium, étain, sélénium et iode. Des complexes en solution de quatre anions organiques représentatifs y sont également inclus. Le rapport décrit les sources de ces données complémentaires.

D'autres compilations de données ont été examinées lors de la sélection de ces données complémentaires. Celles-ci comprenaient les bases de données utilisées à l'Institut Paul Scherrer pour les programmes géochimiques MINEQL jusqu'en mars 1991, PHREEQE jusqu'en avril 1991, ainsi que la base de données HATCHES 3.0. Le présent rapport fournit en outre des tableaux comparant des sélections de données provenant de ces trois bases avec les valeurs de la base de données de la Nagra.

Cette base de données n'a pas encore été testée pour le spectre complet d'applications dans le domaine de la gestion des déchets radioactifs, quoique des efforts dans ce sens soient en cours. C'est pourquoi cette base de données ne doit pas être considérée comme un standard éprouvé, mais plutôt comme un document de référence à ce stade des études.

Technical Report NTB 91-17

Nagra thermochemical data base
I. Core data

Résumé

La Naga utilise plusieurs modèles sur ordinateur pour le calcul des espèces chimiques en solution dans les systèmes eau-minéraux à l'équilibre. Les données thermochimiques de base utilisées pour les différents modèles étant différentes, les résultats livrés sont aussi différents. Pour produire des résultats cohérents, la Nagra est en train de développer sa propre base de données.

Les données thermochimiques de la Nagra seront publiées dans une série de rapports, dont celui-ci est le premier. Il décrit la structure et l'assemblage de la base de données. En plus, il comprend les espèces principales, les minéraux ainsi que les gaz des éléments les plus fréquents dans les eaux naturelles. Les données inclues dans ce rapport sont bien établies. Sujettes à de modifications plus fréquentes, les données relatives à d'autres éléments seront publiées dans des rapports complémentaires.

Le présent rapport contient les données fondamentales pour l'eau et ses éléments constitutifs (H₂O, O₂ et H₂), les halogènes (F^-, CI^-, Br^- et I^-), le soufre (SO₄^2- et HS^-), l'azote (NO₃^-, N₂ et NH₄⁺), le phosphate (PO₄^3-), le borate (B(HO)₃⁰) l'arsenic (AsO₄^3- et As(OH)₃⁰), le carbone (CO₃^2-, CO et CH₄), les métaux alcalino-terreux (Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺ et Ba²⁺) et les métaux alcalins (Li⁺, Na⁺ et K⁺).

Technical Report NTB 91-16

Implications of long-term transient flow, coupled flow and borehole effects on hydrogeological testing in the Opalinus clay:
Preliminary study with scoping calculations

Résumé

Au cours d'une réunion entre la Nagra et les représentants de BGS, le 24 mai 1989 à Keyworth, on a examiné un certain nombre de processus pouvant être responsables des pressions hydrauliques anormalement basses observées lors d'essais hydrauliques en forages dans l'Argile à Opalinus (marnes aaléniennes). Une pression hydraulique anormale fut définie comme une pression ne pouvant être interprétée en termes d'écoulement gravitationnel normal en régime permanent.

En examinant le problème, il apparut que trois types de processus pourraient être invoqués; le premier est associé à un écoulement transitoire à long terme, le second à un écoulement couplé (en particulier avec les forces osmotiques), et le troisième à des effets de forage comme le gonflement, la perturbation des pressions in situ et la déformation plastique des parois du forage.

Ce rapport représente une étude préliminaire des processus identifiés. L'approche choisie a été d'examiner chaque type de processus individuellement, dans un premier temps à un niveau général, et ensuite avec des références spécifiques à l'Argile à Opalinus. Des modèles théoriques simples ont été établis et un grand nombre de calculs a été effectué dans le but de distinguer les effets d'ordre primaire ou secondaire. Les paramètres de base hydrogéologiques, géotechniques et géochimiques de l'argile litée sont obtenus à partir des données d'analyses et d'essais antérieurs, ou sont calculés à partir des relations connues entre ces paramètres. Les paramètres pour lesquels aucune donnée n'existe ont été tirés de la littérature sur les argiles litées.

Ce qui ressort de cette étude est que, bien que les mécanismes de mouvement de l'eau souterraine dans les roches argileuses soient pour le moment mal connus, certains processus pourraient avoir des effets hydrogéologiques assez importants pour masquer complètement les réponses normales des essais hydrauliques. Ceci peut avoir des répercussions sur le développement d'une stratégie pour la caractérisation d'un site, en ce qui concerne la modélisation et les analyses de sécurité.

Nos calculs suggèrent qu'un écoulement transitoire à long terme dans l'Argile à Opalinus peut être la conséquence de la décompression des roches associée à l'érosion des couches de surface. Ce processus sera le plus actif là où l'érosion a été la plus forte (p. ex. au tunnel du Wisenberg et dans la vallée de Homburg). De plus, des déformations néotectoniques étant postulées dans plusieurs régions de Suisse, y compris dans le Jura, il est possible qu'une déformation tectonique des argiles influence le régime hydraulique dans ces dernières.

L'image générale qui ressort de nos calculs concernant le mécanisme de surconsolidation est que les écoulements de fissure se rééquilibrent assez rapidement après exhumation, mais le réajustement des teneurs en eau dans la matrice rocheuse occupe une bien plus longue période. Il est retardé par la cohésion diagénétique des minéraux argileux et la formation de ciments. Ainsi, les écoulements de fissure pourraient être considérés comme essentiellement déphasés par rapport aux écoulements dans l'argile intacte (écoulement de matrice).

La faible porosité et la généralement forte teneur en argile de l'Argile à Opalinus suggèrent que cette dernière pourrait également agir comme une membrane semi-perméable avec un flux osmotique non seulement aux limites des couches mais aussi à l'intérieur de celles-ci. Nos calculs montrent que l'osmose peut avoir des effets importants sur les mesures de pression hydraulique dans les roches argileuses. Ces effets doivent être pris en compte lors d'essais hydrauliques dans de telles roches. Un écoulement couplé peut aussi être très important lorsqu'on modélise les mouvements de l'eau souterraine en roches argileuses.

Si l'on admet que le flux osmotique est une composante importante du flux total en roche argileuse, alors le comportement transitoire à long terme doit être considéré comme une réponse à un déséquilibre hydraulique et chimique.

Un profond enfouissement suivi d'exhumation de l'Argile à Opalinus ont engendré dans celle-ci une nette «soif» d'eau. Cette tendance à avaler de l'eau peut être interprétée en simples termes mécaniques comme la conséquence de l'expansion après surconsolidation, ou en termes chimiques comme un phénomène de succion associé à l'osmose et/ou à l'hydratation opérant à échelle microscopique. De puissantes succions (pressions interstitielles négatives) peuvent se développer dans les roches proches de la surface. De telles succions sont tout à fait compatibles avec la forte capacité de gonflement observée dans l'argile. Ceci joue un rôle fondamental dans nos discussions concernant les écoulements transitoires à long terme et les écoulements osmotiques (couplés) dans les roches argileuses.

Ainsi nous voyons que dans les roches argileuses, particulièrement dans les argiles litées très compactes comme l'Argile à Opalinus, il y a un nombre considérable de raisons pour lesquelles la pression hydraulique (déterminée de façon habituelle) pourrait ne pas être interprétable en termes d'écoulement gravitationnel normal en régime permanent. En fait, dans beaucoup de milieux argileux, il est difficile d'imaginer le cas d'une pression qui ne serait pas «anormale».

Les effets de forage, associés aux modifications mécaniques, thermiques et chimiques des roches en cours de forage et d'essai, peuvent avoir une influence significative sur la réponse hydraulique mesurée pendant les essais. Bien que le gonflement dû à l'introduction d'eau fraîche soit probablement le facteur principal, la perturbation in situ du champ des contraintes et la déformation plastique de la roche peuvent avoir dans les forages profonds un effet considérable sur la distribution des pressions interstitielles autour du forage. Si le dispositif de mesure est caractérisé par un faible temps d'ajustement («compliance»), les mesures peuvent aussi être affectées par la fermeture progressive du trou.

Si nous examinons le cas particulier de charge hydraulique anormale dans le forage RB26B, sur le tracé proposé pour le tunnel du Wisenberg dans la vallée de Homburg (cf. section 6.2), nous ne pouvons exclure totalement de très simples explications, comme la présence d'air dans les intervalles de test. Cependant, les pressions anormales peuvent s'expliquer (semi-quantitativement) en admettant que la pression totale h en chaque point de ce forage s'exprime par

h = z + h_pp + h_sp

où z est la pression due à l'altitude, h_pp la pression dans les macropores (liée à la pression hydrostatique) et h_sp la pression du soluté dans les macropores. Si ce scénario est correct, alors il a de très importantes conséquences pour la planification et l'interprétation des essais hydrauliques dans les roches argileuses. La conséquence la plus importante est que la pression hydraulique déterminée par de tels essais dépend de la concentration chimique du fluide de test. Ceci remet en question l'usage habituel d'eau déionisée comme fluide de test. Des liquides non polarisés et non réactifs pourraient être plus appropriés. D'autre part la nature chimique des fluides de test devrait être considérée comme une variable dans le développement de méthodologies d'essais hydrauliques dans les roches argileuses.

Il ressort de cette étude une relation intéressante entre le flux chimico-osmotique dans la roche argileuse (flux couplé) et le processus physico-chimique du gonflement inter-particulaire. A proximité d'un forage, les deux processus sont pratiquement inséparables. Ils relèvent tous deux d'un mécanisme par lequel l'eau est transférée de l'intervalle de test au milieu rocheux, et ils sont tous deux sensibles à la nature chimique des fluides de test. Ceci suggère que ces deux processus pourraient être décrits par une théorie unifiée. Ce n'est probablement pas un hasard si les caractéristiques de l'argile qui font d'elle une membrane osmotique efficace sont celles là mêmes qui la dotent d'une grande capacité de gonflement.

Les conclusions apportées par ce rapport sont si importantes pour la caractérisation des sites hydrogéologiques en milieu argileux que des études supplémentaires in situ et en laboratoire s'imposent. De telles études devraient être appuyées par le développement parallèle des modèles théoriques. Nous distinguons trois axes prioritaires: (a) le développement d'une méthodologie d'essais hydrauliques en forage spécifique aux roches argileuses associé au développement de modèles théoriques nécessaires au traitement des données; (b) le développement d'un modèle numérique relativement simple, si possible unidimensionnel, permettant des analyses de sensibilité des écoulements transitoires sous gradients hydrauliques et chimiques; et (c) l'étude plus approfondie des conséquences d'une déformation tectonique sur l'hydrogéologie régionale de l'Argile à Opalinus. Des recommandations spécifiques sont présentées dans le chapitre 9.

Technical Report NTB 91-15

Evaluation of exploration strategies for hydrogeologic characterization of a repository area in the Opalinus clay and lower freshwater Molasse

Résumé

La facilité de caractérisation d'un site ou d'une roche d'accueil est directement liée au degré de confiance que nous plaçons dans notre capacité à reconnaître les propriétés majeures de la géosphère. Plus la détermination des caractéristiques d'un site est aisée, meilleures seront ses capacités de confinement (en supposant l'acceptabilité des critères de sûreté). Dans ce cas le degré de confiance que nous possédons est élevé, impliquant que toutes les structures potentiellement défavorables seront découvertes.

Ce rapport présente une méthode qui a été développée pour évaluer objectivement l'explorabilité, c'est-à-dire la facilité de caractérisation d'un site ou d'une roche d'accueil particulière. Cette méthode repose sur deux hypothèses de base. Premièrement, il est supposé que les caractéristiques hydrogéologiques des structures susceptibles de devenir des cheminements préférentiels, pour tous les radionucléides relâchés, sont les propriétés déterminantes affectant l'évaluation d'une sûreté à long terme. Deuxièmement, nous supposons que notre capacité à détecter ces structures peut être utilisée comme mesure pour quantifier le degré de facilité d'exploration d'une roche d'accueil ou d'une zone investiguée. La facilité de caractérisation peut être appliquée comme facteur de sélection lors de comparaisons de divers sites et roches d'accueil.

Dans le but d'illustrer le potentiel de la méthode développée, celle-ci a été appliquée à la molasse d'eau douce inférieure (USM) et à l'argile à Opalines (OPA). A l'aide de cette approche, plusieurs modèles conceptuels potentiels ­représentants les structures hydrogéologiques majeures -de ces deux roches d'accueil ont été élaborés.

Lors de l'étude des géosphères USM et OPA, nous avons défini les types de méthodes d'exploration les mieux adaptés pour la détection des structures hydrogéologiques susceptibles d'être rencontrées. De plus, la probabilité de la capacité de détection des structures d'intérêt par les outils d'investigatio a été estimée, sachant que ces structures sont intersectées par les outils d'exploration choisis.

A partir des modèles conceptuels choisis et des distributions supposées des paramètres, la probabilité de l'existence de cheminements préférentiels du dépôt vers la biosphère a été estimée. Le nombre de cheminements préférentiels censés exister dans les différents volumes explorés a également été évalué.

Malgré le caractère hypothétique des distributions utilisées lors de l'étude d'explorabilité, les résultats obtenus sont conformes aux espérances intuitives. La valeur estimée de la probabilité d'existence de cheminements dans l'OPA est très faible. Lors des phases d'exploration préliminaires la probabilité de détection de ces cheminements est également faible, à moins que des rejets verticaux significatifs se soient produits le long de failles normales. La valeur estimée de la probabilité de l'existence de cheminements dans l'USM est également faible (bien que supérieure à celle de l'OPA), par contre la probabilité de détection de ces cheminements est forte. l'OPA se distingue de l'USM au niveau de l'identification des cheminements préférentiels. En effet, lors de la détection d'une structure dans l'OPA, son identification en tant que cheminement préférentiel devrait être relativement aisée. Par contre, dans l'USM à partir de l'intersection d'une structure lors de la phase exploratoire, il sera relativement difficile de déterminer s'il s'agit d'un cheminement préférentiel. Car l'évaluation de la longueur de la structure n'est pratiquement pas possible.

Dans l'analyse des différents programmes d'exploration, plusieurs hypothèses ont été effectuées dont les plus importantes sont les suivantes:

Toutes ces hypothèses devraient être réévaluées à la fin de chaque phase du programme d'exploration. Des analyses supplémentaires pourraient être effectuées à partir de la méthodologie présentée, dans le but d'évaluer une partie des hypothèses mentionnées ci-dessus (i.e., une analyse de sensibilité des paramètres des distributions permettrait une étude de la variabilité des résultats prédits par le modèle).

A partir de l'évaluation de la facilité de caractérisation de l'OPA et de l'USM, nous avons développé une méthode quantitative pour la détermination de l'explorabilité d'une roche d'accueil donnée. Cette approche se distingue par sa capacité de prendre en compte la détection et la caractérisation de structures critiques du point de vue du comportement à long terme de la géosphère. A l'aide de géosphères représentatives de l'USM et l'OPA, l'applicabilité de la méthode a été démontrée. Nos intuitions relatives au fonctionnement respectifs des géosphères USM et OPA, ainsi qu'à leur facilité de caractérisation ont été confirmées.

Technischer Bericht NTB 91-14

Untersuchungen zum Verhalten von Bentonit in Kontakt mit Magnetit und Eisen unter Endlagerbedingungen

Résumé

La présente conception du dépôt final pour déchets de haute radioactivité vitrifiés prévoit leur stockage dans des conteneurs en acier entourés de bentonite fortement compactée. Au contact de l'eau contenue dans la bentonite, les conteneurs en acier se corroderont, formant de la magnétite et de l'hydrogène.

Ce rapport présente les résultats d'investigations réalisées en vue d'étudier l'influence de la magnétite et du fer sur le comportement au gonflement de la bentonite au sodium MX-80 et de celle au calcium, Montigel. Les expériences ont été menées dans des conditions présumées devoir régner dans un dépôt final. Les investigations comprenaient l'étude de la capacité d'échange de cations, des cations échangeables et du comportement au gonflement de la bentonite au Na MX-80 et de celle au Ca, Montigel. Comme conditions d'essais on a admis une température de 80°C sous atmosphère anoxique (essentiellement de l'hydrogène sous forme gazeuse). On a en outre étudié le comportement du fer(III) dans l'espace entre couches dans la montmorillonite. On a réalisé à cet effet des bentonites de forme fer(III). Avant d'entreprendre les essais, après les tests de gonflement et le stockage dans les conditions admises pour le dépôt final, on a déterminé les charges des couches intermédiaires, la capacité d'échange et les cations échangeables.

Ces investigations ont confirmé que sous ces conditions, le contact entre le fer et la bentonite formait essentiellement de la magnétite et de l'hydrogène. La montmorillonite ne capte pas de fer par échange de cations, que cela soit au contact de magnétite ou de fer. Le fer(III) n'est pas stable dans l'espace entre couches de montmorillonite. Il est essentiellement échangé avec de l'aluminium. On n'observe pas de modification de la charge entre couches à cette occasion. On peut donc admettre que l'aluminium des arêtes des particules d'argile est absorbé dans l'espace entre couches, mais aucune formation de chlorite n'a toutefois été observée à cette occasion.

Aux températures de 80°C et 150°C, les pressions de gonflement des échantillons fortement compactés de bentonite-fer, rapportées à la densité sèche des bentonites, correspondaient approximativement aux pressions de gonflement des bentonites non traitées. La pression de gonflement de bentonites au Fe(III) était comparativement supérieure d'environ 50 %. On suppose que ce sont essentiellement les énergies d'hydratation élevées des ions de fer et d'aluminium qui furent déterminantes.

Technischer Bericht NTB 91-13

Wechsellagerungen und Quellverhalten von Kalium-Bentoniten

Résumé

Sur la base de constatations géologiques, on a étudié l'influence de la température et de la pression sur des bentonites naturelles au potassium, afin d'évaluer la stabilité à long terme, sous conditions régnant dans un dépôt final pour déchets de haute radioactivité, de bentonites compactées. On a choisi pour cela des bentonites au potassium de l'Ordovicien en provenance de Kinnekulle (Suède) et du Crétacé supérieur de l'Etat du Montana (USA). A titre de comparaison on a également étudié une illite provenant de France et une autre d'origine hongroise. Par minutieuse séparation de la fraction granulaire < 0.2 μm des bentonites au potassium et l'analyse des éléments des diverses couches résultantes, pratiquement pures, on a obtenu un taux de potassium fixé dans les structures des minéraux argileux de 38 – 90 % dans les diverses couches et de 2.4 – 4.9 % sous forme de K₂O. Sur la base de l'aptitude d'échanges de cations et du potassium fixé dans les couches intermédiaires, on a pu calculer selon la formule, pour les diverses couches des lits intermédiaires des bentonites au potassium, une charge électrique de 0.38 à 0.47 charges par unité. La charge calculée pour l'échantillon B39 de Kinnekulle a pu être confirmée expérimentalement après introduction à 40 reprises d'ions d'alcoyle d'ammonium longueur de chaîne C₆ – C₁₄. La charge de la couche intermédiaire des bentonites au potassium n'a que peu augmentée malgré l'influence de la chaleur après formation des bentonites qui sont encore smectiques; une partie de leur aptitude au gonflement est conservée si l'on dispose de 100 % des matériaux d'origine gonflables. La pression de gonflement mesurée sur des échantillons compactés unidirectionnellement et séchés à l'air, de densité sèche située entre 1.5 Mg/m³ et 2 Mg/m³, oscillait entre 1 N/mm² et 15 N/mm² Cela correspondait à 10 – 70 % des pressions de gonflement d'une bentonite au calcium (Montigel) de même densité sèche. Il s'est en outre avéré que ce n'est qu'après dispersion par ultra-son que les échantillons de Kinnekulle atteignaient leur totale aptitude au gonflement. L'influence d'un traitement par ultra-son a été bien moindre sur les échantillons provenant du Montana. Les raisons derrière l'entrave au gonflement des échantillons de Kinnekulle sont discutées.

L'illite française MC (MC = Massif Central) présentait de très fortes pressions de gonflement qui, pour de faibles densités sèches (1.4 – 1.7 Mg/m³) se situaient dans le domaine des pressions de gonflement de la bentonite au calcium Montigel. L'illite hongroise S (provenant de Sarospatak) présentait par contre des pressions de gonflement beaucoup plus faibles que l'illite MC. Les pressions de gonflement calculées à partir des isothermes d'adsorption de vapeur d'eau complètent ces investigations relatives aux pressions de gonflement.

Technical Report NTB 91-12

Grimsel Test Site
Structural geology and water flow paths in the migration shear zone

Résumé

Introduction: Au site d'essais du Grimsel (GTS), la zone de cisaillement située au point 420 dans le tunnel de ventilation (VT) est une prolongation directe de la zone de cisaillement AU 96 utilisée pour les essais hydrauliques et les essais de migration de traceurs. Au site VT 420, on a prélevé une carotte de 20 cm de diamètre, en y laissant intactes les fragiles structures bréchiques de la faille centrale. Après plusieurs phases de durcissement de la carotte, on y a taillé des lames minces selon les trois plans principaux de l'ellipsoïde de déformation, c'est à dire perpendiculairement et parallèlement au clivage et à la linéation d'étirement. Une imprégnation de résine fluorescente sous vide a permis l'examen au microscope des pores.

Zone de cisaillement ductile: Au site VT 420, la zone de cisaillement ductile présente une épaisseur de 0.15 à 0.9 m. Elle est orientée WSW-ENE et plonge fortement vers le SSE. Elle est subparallèle au clivage (zone S). La direction de cisaillement est subverticale, parallèle à la linéation formée par l'étirement des minéraux. Si l'on regarde vers l'E, le cisaillement s'est effectué dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. On peut admettre un cisaillement total d'au moins 3 m. La structure de la zone de cisaillement ductile peut être mise en relation avec le métamorphisme alpin des schistes verts, et avec le développement d'un clivage régional. La déformation est purement ductile. Elle comprend la formation d'une série de zones de mouvement mylonitiques à l'intérieur de la zone de cisaillement. Les zones mylonitiques sont riches en micas, et d'une granulométrie plus fine que celle des roches environnantes. La zone de cisaillement possède une asymétrie marquée, avec une terminaison abrupte sur la bordure nord de la zone de cisaillement (gradient de déformation très élevé), et une transition graduelle sur sa bordure sud.

Déformation cassante: Au cours du soulèvement régional, la zone de déformation ductile a été réactivée et soumise à une déformation cassante. Il en est résulté la formation de brèches de faille non cohésives d'épaisseur millimétrique, particulièrement dans les zones très mylonitisées et dans les endroits à fort gradient de déformation. Génétiquement, les brèches de faille sont le résultat d'un broyage. Elles sont composées d'éléments anguleux noyés dans une matrice riche en micas. Ces brèches de faille peuvent avoir pour origine le soulèvement différentiel des blocs rocheux, ainsi que des mouvements périodiques dus aux marées terrestres et aux fluctuations des niveaux d'eau dans les réservoirs tout proches.

Porosimétrie quantitative: La détermination quantitative du volume des pores interconnectés de différents types de roches de la zone de cisaillement a été tentée par différentes méthodes: injection de mercure, pesage de la teneur en eau, imprégnation au métacrylate de polyméthyle. La porosité des brèches de faille n'a pas pu a être mesurée directement, faute de cohésion de la roche. Elle a été estimée à 10 – 30 % du volume par l'examen de lames minces. En raison de leur structure dense et recristallisée, les roches ultramylonitiques dans lesquelles sont souvent noyées les brèches de faille ont une porosité plutôt faible, qui parfois ne dépasse pas 0.5 % du volume. La porosité augmente avec la décroissance du degré de déformation ductile. Elle dépasse fréquemment 1 % du volume dans la matrice granodioritique. La porosité des granodiorites faiblement déformées décroît avec l'augmentation de la distance à la paroi du tunnel (10 % de décroissance sur les 20 premiers cm). On pense que cela est dû à une microfracturation provoquée par la construction du tunnel.

Extrapolation à une plus grande échelle des structures observées: La surface limitée des affleurements dans le tunnel nous a poussé à tenter d'extrapoler à une plus grande échelle les structures observées, en utilisant les informations des levées géologiques de surface. On peut suivre au réservoir du Räterichsboden des zones de cisaillement similaires à l'échelle métrique ou décamétrique. On pense qu'on peut extrapoler la géométrie de la zone de cisaillement décrite sur une longueur d'environ 100 m.

Conséquences pour les écoulements souterrains: A l'heure actuelle, les déformations cassantes constituent le milieu principal des écoulements souterrains. La brèche de faille centrale n'a pas été cimentée hydrothermalement, elle est donc très poreuse. La roche ultramylonitique en bordure de la brèche de faille est nettement plus étanche que la roche voisine, mais elle contient tout de même des pores planaires le long des stries micacées (porosité de silicates feuilletés). Ces pores fournissent une bonne connexion hydraulique entre la brèche de faille et les gneiss granodioritiques moins déformés, en dehors de la zone de cisaillement. La matrice granodioritique présente un réseau bien développé de pores interconnectés, entre et à travers les grains. Les feldspaths présentent aussi de nombreux pores de dissolution, considérés comme la marque des fluides du métamorphisme alpin.

Suggestions pour la révision des modèles conceptuels: on propose une révision des modèles conceptuels en ce qui concerne la géométrie des pores et les phénomènes hydrodynamiques et de transport. Le modèle géométrique est principalement basé sur la définition de paramètres à l'échelle microscopique, à partir de l'observation de lames minces (par exemple largeur des pores, extension et orientation). Le modèle est constitué de 3 domaines: 1) les brèches de faille sont représentées par un système de plaques d'orientation et d'épaisseur variable, les plaques étant constituées d'un milieu poreux, 2) les roches mylonitiques sont décrites par un réseau de fractures très anisotropique (pores de silicates en feuillets), 3) les gneiss granodioritiques entourant la zone de cisaillement sont représentés par un réseau de fractures modérément anisotropique (pores aux limites des grains). Entre ces 3 domaines, les pores sont interconnectés. Ce modèle géométrique à petite échelle peut être extrapolé à plus grande échelle au moyen de techniques courantes de traitement des moyennes. On a examiné dans chacun des domaines l'importance relative du transport par advection, dispersion et diffusion. On pense que dans les brèches de faille la dispersion mécanique et l'advection sont prépondérantes, tandis que dans les deux autres domaines, la diffusion moléculaire joue le rôle principal. La zone de cisaillement utilisée pour les essais de migration peut donc être décrite par un modèle de transport à double porosité.

Technical Report NTB 91-11

The adsorption of Cs+, Sr2+ and Ni2+ on bitumen
A mechanistic model

Résumé

L'adsorption des radionucléides sur la matrice des déchets (ciment, bitume) aurait un effet positif et contribuerait à retarder la migration des radionucléides relâchés vers la géosphère et la biosphère. Pour les modèles d'analyse de sécurité, il est important de savoir si les radionucléides sorbent à la matrice.

Dans le présent travail, la sorption du ¹³⁷Cs⁺, ⁸⁵Sr²⁺ et ⁶³Ni²⁺ sur le bitume pur a été étudiée en fonction du pH et de la force ionique de la solution d'équilibre. Des émulsions de bitume bien caractérisées ont été utilisées.

La surface de bitume a une charge négative à cause de la déprotonation des groupes carboxyliques légèrement acides dans l'interface. La densité des groupes fonctionnels atteint 1.37 × 10¹⁸ groupes/m² et le modèle: «Ionisable Surface Group» décrit bien le comportement de la déprotonation.

Le Cs⁺, le Sr²⁺ et le Ni²⁺ sorbent à la surface de bitume à la suite de trois processus différents, à savoir: l'échange ionique, la complexation en sphère externe et la complexation en sphère interne. L'adsorption dépend du pH et la force ionique de la solution.

Dans les conditions du champ proche d'un dépôt de déchets radioactifs, Cs⁺ et Sr²⁺ ne sorbent pas sur le bitume à cause des compétitions avec Na⁺, K⁺ et Ca²⁺ présents dans la solution dans les pores du ciment en contact avec le bitume.

La sorption de Ni²⁺ est aussi négligeable parce que la formation des complexes hydroxyliques neutres où négatifs dans la solution sont en compétition avec la sorption. On présume que d'autres radionucléides hydrolysables importants ont un comportement analogue à celui du Ni²⁺.

La conclusion principale de cette étude est que l'adsorption des radionucléides (cations et anions) dans des conditions du champ proche d'un dépôt cimenté est très faible. Par conséquent, il n'y a aucun intérêt à considérer ce processus dans les études d'analyse de sécurité.

Technical Report NTB 91-10

A natural analogue study of the Maqarin hyperalkaline groundwaters
I. Source term description and thermodynamic database testing

Résumé

Plusieurs programmes nationaux de stockage final de déchets de faible et moyenne activité (DFMA) prévoient de les isoler dans une matrice à base de ciments ou de les placer dans des dépôts colmatés avec de tels matériaux. Par ailleurs quelques pays envisagent le stockage de déchets de moyenne activité à longue vie (dits TRU) dans une zone particulière d'un dépôt final pour déchets de haute activité (DHA) dans un environnement où prédominent les ciments. Le ciment et le béton sont essentiellement choisis pour leurs bonnes caractéristiques techniques mais de plus la faible solubilité dans l'eau interstitielle hyperalcaline du ciment de la plupart des radionucléides qui font problème ainsi que les propriétés de sorption remarquables des matériaux de colmatage à base de ciment, constituent d'importants facteurs de sécurité.

Les modèles d'interaction entre l'eau souterraine de la formation d'accueil et le ciment/béton suggèrent qu'initialement apparaissent des fluides de lixiviation KOH et NaOH suivis d'une longue période de fluides de lessivage tamponnés au Ca(OH)₂. De telles solutions vont agir sur la formation d'accueil et pourraient bien altérer les propriétés de la roche, notamment à proximité du dépôt final. Cela peut conduire à une altération des propriétés retardatrices initiales (y compris la forme des fractures aquifères ou la nature des minéraux sorbants) qui au départ avaient conduit à la sélection du site de dépôt final, ce qui est du plus haut intérêt, du point de vue de l'évaluation de la sûreté.

Jusqu'ici quelques-uns de ces processus ont été étudiés en laboratoire, mais, comme toujours, les résultats sont quelque peu ambigus en raison de la durée nécessairement limitée des essais. Cela est encore compliqué par le fait que pour obtenir des résultats dans un délai raisonnable, la plupart des expériences doivent être exécutées à des températures élevées qui ne sont pas réalistes, ce qui rend l'extrapolation des résultats aux conditions en rapport avec celles d'un dépôt final encore plus problématique que d'ordinaire.

Une autre méthode pour juger les modèles de comportement d'un dépôt final existe toutefois: l'étude de systèmes naturels appropriés qui d'une certaine façon sont similaires aux processus ou aux systèmes rencontrés dans un dépôt final. Cette approche (ordinairement appelée étude d'analogies naturelles) présente l'avantage d'étudier des processus pertinents sur des échelles de temps plus réalistes et, lorsque le site de l'analogie est sélectionné avec soin, sous des conditions plus proches de la réalité que celles qui peuvent être reproduites en laboratoire. Bien qu'aujourd'hui les analogies naturelles jouent un rôle bien reconnu dans les analyses de sûreté de dépôts finals pour déchets radioactifs, ce n'est que très rarement que des analogies ont été examinées dans le cadre d'un dépôt final à base de ciments. Une exception notable à ce jour est représentée par le projet d'Oman, cofinancé par la Nagra et UK Nirex, où des codes thermodynamiques géochimiques ont été testés et le comportement de microbes dans un système hyperalcalin a été examiné. Les résultats de cette étude furent suffisamment encourageants pour persuader la Nagra et UK Nirex, cette fois en association avec Ontario Hydro, de poursuivre de telles études d'analogies, ce qui a conduit à la présente étude à Maqarin, dans le nord-ouest de la Jordanie.

Ce site diffère de celui de l'ophiolite d'Oman par le fait que la chimie de l'eau souterraine hyperalcaline est contrôlée par des minéraux et gels de ciments naturels, ce qui constitue une analogie encore meilleure pour un dépôt final à base de ciments. De plus ce site présente un taux relativement élevé d'U et autres éléments intéressants pour l'évaluation de la sûreté d'un dépôt final de déchets radioactifs.

La Nagra, Ontario Hydro et UK Nirex cofinancèrent l'étude d'une série de processus pertinents pour le comportement d'un dépôt final à base de ciments, comprenant:

Pour le cas de l'interaction entre des eaux souterraines hyperalcalines et la formation d'accueil, seules des données préliminaires sont présentées ici en raison de la nécessité de tout d'abord pleinement caractériser de façon détaillée le matériau source à base de ciments considéré. Néanmoins les données initiales présentées ici ainsi que celles d'un rapport associé (Milodowski et al., 1992) montrent une interaction évidente entre l'eau souterraine hyperalcaline et la roche d'accueil. La totalité des implications des résultats ne sont pas encore claires mais des études complémentaires sont actuellement en cours sur d'autres matériaux provenant de Maqarin.

Les essais relatifs aux bases de données se sont révélés être des succès, de nombreuses inconsistances ayant été clairement identifiées. D'autres tests ont également été faits pour le Ni et le Sn suite à une réévaluation des bases de données par comparaison avec des essais en laboratoire soigneusement contrôlés. De façon générale toutes les bases de données se sont révélées situées du côté de la prudence (par ex. en surestimant les solubilités) bien que les phases minérales comprises dans ces bases de données ne constituaient qu'une piètre représentation de la réalité. Cela est en soit rassurant du point de vue de l'évaluation de la sûreté, mais plus important peut-être est le fait que dans la plupart des cas les concepteurs de modèles ont été à même d'expliquer de façon précise pourquoi des différences apparaissaient entre les pronostics des codes et la réalité, ce qui contribue à renforcer la confiance placée dans les bases de données utilisées. Un échec significatif est représenté par le cas de l'U pour lequel les bases de données sont en contradiction évidente en ce qui concerne les spéciations de l'U et leurs solubilités et aucune d'elles ne prédit particulièrement bien le comportement de l'U dans un système naturel.

Les études microbiologiques indiquent que c'est la disponibilité d'éléments nutritifs qui semble piloter l'activité microbienne plutôt que des conditions de pH élevé. Ceci a des implications importantes pour les concepts de dépôts finals pour lesquels on ne peut démontrer de façon spécifique l'existence d'une faible activité microbienne du fait de la pénurie d'éléments nutritifs.

La dégradation de ciments peut intensifier les populations de colloïdes dans et aux alentours du champ proche d'un dépôt final à base de ciments, bien que la propension du ciment à produire des colloïdes n'ait été que peu étudiée en fait. Les données élaborées ici sont par conséquent d'une grande importance car elles représentent les seuls résultats connus pour les colloïdes dans des eaux souterraines hyperalcalines âgées. Les données indiquent de faibles populations de colloïdes par comparaison avec d'autres eaux souterraines sédimentaires, malgré le fait que certains types de colloïdes devraient être stables sous conditions hyperalcalines et que les fractures relativement ouvertes du site de Maqarin ne devraient probablement guère offrir beaucoup de possibilités significatives de filtration des colloïdes.

Bien que peu de choses soient connues au sujet de la chimie des colloïdes, il est au moins certain que seulement un peu d'U leur soit associé. Ceci est contraire aux prévisions antérieures (observations à Oman) relatives à l'U colloïdal sous conditions hyperalcalines.

Il y a toutefois lieu de relever que les populations de colloïdes mesurées ici sont peut-être faibles en raison de précipitations durant le stockage des échantillons et que ces données doivent par conséquent être considérées comme préliminaires jusqu'à ce que les travaux puissent être répétés avec un dispositif de collecte des colloïdes in-situ.

L'étude de carbonatation du mortier a été menée à titre d'effort modeste pour évaluer le potentiel d'études de systèmes naturels en vue de compléter des essais en laboratoire. Les résultats montrent que la carbonatation a été extensive dans quelques zones à Maqarin et que ce site pourrait par conséquent être étudié comme analogie pour les réactions de carbonatation de dépôts finals et de retardement par ¹⁴C.

De façon générale le projet d'analogies naturelles de Maqarin a livré des données précieuses (uniques dans certains cas) relatives aux interactions entre fluides de lixiviation hyperalcalins et roche d'accueil, les populations microbiennes et colloïdales dans des eaux souterraines hyperalcalines ainsi qu'au sujet de l'applicabilité des bases de données actuelles pour les codes thermodynamiques géochimiques utilisés pour évaluer le relâchement de radionucléides d'un dépôt final à base de ciments. Dans quelques cas les résultats de l'étude ont déjà été introduits dans les calculs d'évaluation de sûreté de dépôts finals et ils seront probablement encore utilisés bien davantage, les co-participants au projet se dirigeant vers la réalisation de leurs propres dépôts finals à base de ciments.

Technical Report NTB 91-09

Grimsel Test Site
Interpretation of crosshole hydraulic tests and a pilot fluid logging test for selected boreholes within the BK-site

Résumé

Ce rapport présente l' analyse de tests hydrauliques effectués par le Bundesanstalt für Geowissenschaft und Rohstoffe (BGR) et d'un test pilote de diagraphie de fluides entres forages effectué par NAGRA/COLENCO, dans la roche cristalline fracturée de la zone du BK (Laboratoire Souterrain du Grimsel).

Les tests hydrauliques sont des tests simples et d'interférence d'injection à charge constante dans le forage 85.004. La philosophie d'interprétation est basée sur l'utilisation de graphes dits diagnostiques. Ces graphes fournissent des indications concernant le modèle d'écoulement et la présence éventuelle de limites. Les résultats de l'analyse des tests simples indiquent une réponse mixte avec une première fenètre de données présentant des caractéristiques d'écoulement radial suivie d'une deuxième fenètre présentant des caractéristiques d'écoulement linéaire ou limité. L'analyse des tests d'interférence indiquent la présence d'une zone hautement perméable et confirme la présence de limites.

Pour le test pilote de diagraphie de fluides, une saumure a été injectée dans le forage 85.004 tandis que des diagraphies de conductivité et de température étaient mesurées dans divers forages de la zone du BK. Le test identifia avec succès des fractures productrices dans les forages d'observation qui étaient (1) connectées au forage d'injection ou (2) apparemment non-connectées au forage d'injection. Une quantité importante d'information concernant la localisation de fractures productrices (53 fractures) a été obtenue en un temps relativement court (9 jours de tests). L'application de la méthode des Moments Partiels fournit malgrédes conditions non-optimales pour cette méthode, des valeurs d'écoulement aux fractures dont les sommes pour chaque forage sont très proches des valeurs mesurées. Le modèle de différences finies BORE est utilisé pour simuler les diagraphies de conductivité électrique ce qui permet d'estimer les écoulements aux fractures ainsi que les concentrations dans les fluides produits par ces fractures. La position des fractures présentant les plus hautes concentrations (donc a-priori les mieux connectées a l'intervalle d'injection), correspondent aux positions des intervalles dont les tests hydrauliques ont montré qu'ils intersectaient une zone hautement transmissive.

Technical Report NTB 91-08

Modelling the dissolution of borosilicate glasses for radioactive waste disposal with the PREEQUE/GLASSOL Code:
Theory and practice

Résumé

A model describing the corrosion kinetics of silicate glasses has been developed by Grambow in recent years [1,6]. In this report, the theoretical background of the model is thoroughly discussed, and its practical use demonstrated. The main objectives were: (1) to test the validity of the basic assumptions on which the model relies, and (2), to assess whether it can be applied to the safety analysis of a Swiss final repository for high-level radioactive waste.

Transition State Theory, a tool based on quantum mechanical principles, has been used by Grambow to derive a general kinetic equation for the corrosion of silicate glasses. This equation predicts successfully the observed dependence of the corrosion rate on the silicic acid concentration in solution according to a first order kinetics law. However, some parameters required by this equation are determined on the base of questionable assumptions. In particular, the simplistic surface complexation model used for the calculation of the free energy of the glass-water reaction yields, for the protonation of silicon on the glass surface, results which are not consistent with the experimental findings [10]. Further, although the model predicts a unique value, common to all silicate glasses, for the activation energy of the rate-determining elementary reaction, leaching experiments conducted on a wide variety of glasses suggest that this quantity may vary by a factor 2.

Technical Report NTB 91-07

Determination of the Cl content in reactor cooling water and actives resins from Swiss nuclear power plants

Résumé

La concentration en ³⁶Cl dans l'eau de refroidissement et dans les résines du système de purification de cette eau a été mesurée dans un réacteur suisse à eau pressurisée. La détection du ³⁶Cl a été effectuée par spectroscopie de masse par accélérateur et par scintillateur liquide. Les concentrations en ³⁶Cl dans les mêmes résines d'un second réacteur à eau pressurisée et d'un réacteur à eau bouillante ont été encore mesurées. Dans tous les échantillons, la mesure de la concentration en ¹³⁷Cs a aussi été faite, permettant la détermination du facteur de corrélation entre activités du ³⁶Cl et du ¹³⁷Cs. Les facteurs de corrélation pour les résines sont respectivement [1.4, 2.2 et 17] × 10^-6, en relativement bon accord avec la seule valeur prédite de 6.0 × 10^-6 utilisée jusqu’ici par la Nagra pour estimer le ³⁶Cl dans les résines des différents réacteurs.

Les concentrations en ³⁶Cl mesurées et celles estimées auparavant ne diffèrent que d'un facteur 2.4 au plus.

Quant au facteur de corrélation mesuré pour l'eau de refroidissement du premier réacteur, il est de 5.8 × 10^-5.

Technical Report NTB 91-06

Grimsel Test Site
Batch sorption experiments with iodine, bromine, strontium, sodium and cesium on Grimsel mylonite

Résumé

Un programme «laboratoire-support» précède les expériences de migration au laboratoire souterrain du Grimsel. Ce rapport présente les résultats des expériences de sorption en «batch» réalisées avec l'iode, le brome, le sodium, le strontium et le césium dans le cadre du programme.

Puisque la protomylonite constituant la faille du site de migration (AU 96) n'est pas disponible en quantité suffisante, la mylonite d'une faille adjacente (AU 126) a été utilisée durant toutes des expériences au laboratoire. Le travail dans son ensemble a été réalisé en boîte à gant sous atmosphère d'azote avec faible concentration en O₂ et CO₂ (< 10 ppm). La mylonite était équilibrée avec l'eau souterraine naturelle du Grimsel (NGW) préalablement à tout test de sorption. La première série de test a eu lieu sans agitation (pour éviter la formation de nouvelles surfaces). Ceci engendra la sédimentation de la mylonite et conduisit à une cinétique lente. C'est pourquoi, par la suite, une agitation modérée fut utilisée.

Pour l'iode et le brome aucune sorption (R_d < 0.1 ml/g) n'est observée pour les conditions expérimentales en vigueur.

Il fut constaté que les coefficients de sorption de ⁸⁵Sr et ²²Na (respectivement 65 – 110 et 2.3 – 3.5 ml/g) n'étaient pas affectés par la concentration du nuclide respectif pour autant que celle-ci soit située sous le niveau de concentration naturelle dans la NGW, suggérant que dans cette gamme de concentration en nuclide un échange isotopique a lieu. De plus les coefficients de sorption ne varient pas avec le rapport roche/eau. Les expériences avec des cations à fort pouvoir de déplacement (argent thiouré) suggèrent que certains cations du sodium étaient présents sur des sites non directement accessibles et ceci peut être avancé pour expliquer la cinétique lente du sodium. Des expériences complémentaires avec des particules plus petites en taille confirment cette hypothèse.

Les expériences de sorption en «batch» avec la mylonite et une concentration initiale en césium allant de 3.2 × 10^-8 à 5.0 × 10^-4 M montrent que la sorption est réversible et non­linéaire; le coefficient de sorption varie entre 3800 et 21 ml/g. En augmentant la concentration en potassium dans la solution, la sorption du césium est réduite suggérant une compétition entre le césium et le potassium pour les sites de sorption. A la plus faible concentration de Cs étudiée, la sorption semble être due à des échanges avec K sur les sites spécifiques du mica, superposés à des échanges isotopiques. En posant quelques hypothèses de départ on peut alors calculer le coefficient de sorption du césium en fonction de la concentration en K. L'extrapolation des données de laboratoire à celles sur le terrain présente des difficultés en raison des différences entre la mylonite utilisée au laboratoire et la protomylonite du site.

Technischer Bericht NTB 91-05

Stollenversiegelung
Konzept und Machbarkeitsnachweis

Résumé

Ce rapport traite tout d'abord de la raison et des objectifs du colmatage d'une galerie ainsi que des exigences qui doivent être satisfaites. Le concept de base consiste en un système à composantes multiples avec des zones de verrouillage et des zones intermédiaires. Les zones de verrouillage qui servent d'éléments d'étanchéité sont implantées dans des zones ou la roche est solide et ne présente qu'un minimum de perturbations. Les zones intermédiaires ont avant tout une fonction de support; les exigences relatives à leur étanchéité sont par conséquent plus modestes.

Trois concepts sont présentés pour les zones de verrouillage comme pour les zones intermédiaires. Ils se distinguent par la nature des matériaux d'étanchéité utilisés et les méthodes de mise en œuvre. On recommande l'utilisation de bentonite fortement compactée pour les zones de verrouillage, mais des matériaux à base de ciment, du béton standard ou du béton "prepakt" sont également possibles. Pour les zones intermédiaires, un remplissage par pompage de béton suivi d'une injection de béton dans la calotte est adéquat, mais on peut également envisager une combinaison de béton avec un mélange de gravier et sable ou avec des matériaux d'excavation conditionnés. Toutes ces solutions sont réalisables avec les méthodes conventionnelles de percement de tunnels. L'utilisation d'un tunnelier est la plus intéressante afin de limiter au minimum les perturbations dues au percement.

On montre à l'aide de modèles simples que la zone de désagrégation aux alentours de la galerie, résultant de l'espace vide créé par le percement, peut être limitée par la rapide mise en place d'un soutènement efficace. On peut encore diminuer la profondeur de la zone de désagrégation finale en creusant une gorge.

L'assurance de la qualité du colmatage peut être réalisée par la vérification des matériaux mis en œuvre ainsi que par le contrôle des méthodes de travail appliquées. Ces dernières devraient toutefois pouvoir s'appuyer sur les expériences acquises lors d'un essai à grande échelle.

On montre pour conclure que le concept de colmatage proposé constitue une solution adéquate sur le plan de la sécurité malgré la perméabilité probablement accrue de la zone de désagrégation. Considérée à grande échelle la galerie colmatée ne représente pas un cheminement préférentiel pour l'eau.

Technical Report NTB 91-04

Grimsel Test Site
The radionuclide migration experiment
Overview of investigations 1985 – 1990

Résumé

Cet article présente un survol des recherches effectuées par la Cédra de 1985 à 1990 dans le cadre du programme d'étude de la migration des radionucléides au laboratoire souterrain du Grimsel, dans les Alpes suisses. Ce projet vise principalement (1) à tester l'extrapolation de données de laboratoire aux conditions de terrain, (2) à prouver par les faits les processus de retardation en milieu fissuré, (3) à améliorer ou développer les méthodologies nécessaires à la caractérisation d'un site, (4) ainsi qu'à tester les modèles géochimiques, hydrodynamiques et de transport existants, ou les bases de données qui y sont liées. Les travaux de terrain et de modélisation sont complétés par un programme de laboratoire étendu.

Les investigations de terrain sont effectuées sur une faille aquifère dans un massif de granite tectoniquement actif. A l'échelle de quelques mètres, cette faille peut être considérée comme un élément bidimensionnel. Les conduits d'écoulement principaux résultent d'une déformation tectonique assez récente (soulèvement alpin). Une déformation cassante a réactivé d'anciens cisaillements ductiles et formé un réseau asymétrique de fractures perméables dans une matrice mylonitique por le reste relativement imperméable. Ces fractures sont partiellement colmatées par une fine brèche de faille micacée, non consolidée et très poreuse. Avant les essais de migration, la faille sélectionnée et son voisinage ont été caractérisés de manière détaillée sur les plans minéralogique, hydrochimique et hydrologique.

L'eau contenue dans la faille est pauvre en oxygène ("anoxic"), de pH élevé (~9.6) et de faible force ionique (0.0012 M); les cations principaux sont Na⁺ et Ca²⁺, et les anions dominants F^-, HCO₃^-, Cl^-, SO₄^2- et SiO(OH)₃^-. On a également étudié les populations microbiologique et colloïdale ambiantes, ainsi que l'altération et le transport d'éléments trace naturels au voisinage de la faille.

Huit forages, de 6 à 24 m de long, ont été effectués pour les investigations hydrogéologiques. Les tests hydrauliques (en puits simple) ultérieurs ont révélé une transmissivité hétérogène à l'échelle locale, entre 5∙10^-6 et 10^-8 m²s^-1. Toutefois, à l'échelle de quelques mètres (essais entre puits), la faille peut se caractériser par une transmissivité assez homogène d'environ 2∙10^-6 m²s^-1. Les divers modèles hydrodynamiques utilisés ont reproduit de manière satisfaisante le régime d'écoulement stationnaire (champ des pressions, flux), mais beaucoup moins bien les valeurs transitoires observées lors d'essais de pompage de longue durée.

A des distances de 6 à 12 m de la paroi du tunnel, les pressions hydrauliques sont d'environ 1.5 bar en moyenne. Cette situation permet de garantir lors des essais de traçage un circuit d'écoulement fermé sur lui-même, stimulé artificiellement (dipôle à débit d'injection toujours inférieur à la moitié du débit de soutirage). A fin de tester l'équipement et d'identifier la constellation de forages appropriée et les durées d'écoulement pour les essais de migration envisagés, on a effectué une série d'essais pilote avec des traceurs conservatifs (uranine, ⁴He et ⁸²Br^-).

Un certain nombre de techniques nouvelles ont été développées et testées avec succès, parmi lesquelles la fluorométrie à fibre de quartz (optrodes) et le traçage à l'hélium. Pour les premiers essais de migration d'un traceur réactif, on a utilisé des isotopes du sodium et du strontium, à la suite d'essais en laboratoire sur l'interaction eau-roche, l'adsorption en chaîne de radionucléides et l'adsorption dynamique. Ces essais ont montré qu'en situation d'équilibre l'adsorption des traceurs Na⁺ et Sr²⁺ est dominée par un échange réversible des cations (isotopes), et qu'elle est proportionnelle à la capacité d'échanche cationique CEC disponible. Aux conditions chimiques régnant dans la faille étudiée, on s'attendait à des valeurs du coefficient d'adsorption (K_d) de 0.3 -0.4 ml·g^-1 pour Na et 16 -25 ml g^-1 pour Sr.

Les premiers essais in situ, mettant en oeuvre une injection instantanée de ²⁴Na⁺ à courte demi-vie, ont montré que la retardation du pic d'apparition de Na était faible. Afin de prolonger le temps d'interaction entre le traceur et les matériaux de la faille, on a mis au point un dispositif complexe d'injection en continu, avec dosage du traceur et contrôle très précis des débits d'injection et de soutirage par des pompes HPLC modifiées. A fin de réduire les incertitudes liées à la dispersion instrumentale, les volumes des équipements furent réduits le plus possible et des analyses de traceurs effectuées en forage même. On a réalisé un essai comprenant 7 jours d'injection continue de ²²Na⁺ et d'uranine (avec des injections instantannées de ⁸²Br^- et He⁴) et une période d'observation de deux mois. Avec le même équipement, on a effectué plusieurs essais d'injection instantanée de ²⁴Na⁺, d'uranine, de ⁸²Br^- et de ¹²³l^-, avec un rapport des débits d'injection et de soutirage de 1/3 et 1/15. Des essais d'injection instantanée de ⁸⁵Sr²⁺ modérément adsorbant étaient toujours en cours pour ce qui concerne la période considérée dans le présent rapport.

Des études d'interaction eau-roche en laboratoire, une expérience de mise à l'équilibre à l'échelle du terrain, ainsi que l'interprétation préliminaire du temps de parcours du traceur Na à l'aide d'un modèle à double porosité ont fourni des valeurs d'adsorption grossièrement compatibles entre elles. Le modèle de transport étant calibré grâce au traceur Na, on dispose maintenant de prédictions détaillées concernant le parcours du Sr. Les essais de terrain en cours utilisant le ⁸⁵Sr²⁺ permettront de tester de manière critique l'applicabilité du modèle de retardation des radionucléides. Après avoir utilisé des traceurs chimiquement simples et faiblement adsorbants, on prévoit maintenant d'utiliser des nucléides au comportement chimique plus complexe, représentatifs pour les analyses de sûreté de dépôts radioactifs (notamment des isotopes de Cs, Se, Ni, Tc, et éventuellement de Pd, Sn et Np). Le stade final de l'expérience de migration consistera à excaver une partie ou l'ensemble des chenaux d'écoulement empruntés par les divers traceurs.

L'expérience de migration montre de manière concluante comment les efforts combinés d'essais en laboratoire, d'essais sur le terrain et de modélisation permettent d'élargir considérablement la compréhension du transport des radionucléides en milieu rocheux.

Technical Report NTB 91-03

Grimsel Test Site
Modeling of groundwater flow in the rock body surrounding the underground laboratory

Résumé

L'un des objectifs principaux des recherches effectuées au laboratoire du Grimsel (GTS) est d'acquérir des connaissances dans la planification, l'exécution et l'interprétation d'expériences souterraines dans différents domaines scientifiques. Dans le cadre du programme hydrogéologique, le projet MOD a pour but d'étudier une stratégie adaptée pour la modélisation hydrodynamique des écoulements dans les roches fracturées entourant le GTS. Les buts spécifiques de ce projet sont:

Technischer Bericht NTB 91-02

Felslabor Grimsel
Ventilationstest
In-situ-Verfahren zur Permeabilitätsbestimmung im Kristallin

Résumé

Le test de ventilation est un essai in situ visant à déterminer la perméabilité moyenne – macroperméabilité – d'une section de roche souterraine, représentative au niveau de l'hydrogéologie et présentant un afflux relativement faible.

On mesure le débit d'eau naturelle et la répartition de la pression dans le champ proche d'une section isolée de galerie, en veillant à ce que les forages de reconnaissance ne perturbent pas les conditions d'écoulement prévalant dans la roche avoisinante. Les paramètres nécessaires à l'évaluation hydraulique de la section rocheuse à étudier sont obtenus par la cartographie géologique (géologie structurale) de la surface de la galerie.

Pour définir la perméabilité à grande échelle du cristallin, on a construit dans le laboratoire souterrain du Grimsel une galerie de 70 mètres de long, comprenant deux chambres de mesure, et mesuré l'afflux d'eau dans différentes conditions climatiques et de ventilation.

Le gradient hydraulique, nécessaire aussi pour calculer la perméabilité de la roche, a été obtenu en mesurant la pression dans deux forages d'observation parallèles à la galerie.

Des tests de forage et des analyses pétrophysiques en laboratoire ont permis de recourir à d'autres méthodes pour déterminer les coefficients de perméabilité, l'objectif consistant à confirmer les résultats du test de ventilation.

En outre, on a analysé le champ d'écoulement hydraulique par modélisation numérique, sur la base des données de mesure obtenues.

Ce rapport décrit les tests réalisés de 1985 à 1990 (phases 1 et 2) et les méthodes correspondantes. Sur la base des valeurs mesurées obtenues sur le terrain, on a mis au point un modèle d'écoulement spécifique au site pour le massif cristallin faillé.

Technischer Bericht NTB 91-01

Felslabor Grimsel
Bohrlochkranzversuch
Durchströmung von Geklüftetem Fels

Résumé

Une collaboration allemande-suisse entre la Société coopérative nationale pour l'entreposage des déchets radioactifs (Nagra), la «Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe» (BGR, institut fédéral des sciences de la terre et des ressources naturelles) et la «Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung» (GSF, société de recherches sur les rayonnements et l'environnement) a été mise sur pied pour effectuer au laboratoire souterrain du Grimsel des travaux de recherche sur le comportement hydrogéologique, mécanique et géophysique des roches cristallines. En particulier, dans le cadre du projet «Bohrlochkranzversuch» (BK), la BGR étudie les phénomènes d'écoulement et de transport en roche fissurée.

Dans la première phase du projet BK (BK I, jusqu'en 1987), on s'est attaché à la réalisation des forages carottés disposés en éventail à partir de galeries, à leur lever géologique et à l'interprétation hydrogéologique des systèmes fissurés d'un ensemble granitique choisi. Après l'installation d'un dispositif de mesure ad hoc, on a effectué une série d'essais hydrauliques de quelques heures à un jour de durée chacun. Au cours de la deuxième phase du projet (BK II, jusqu'en 1990), on a effectué, après avoir développé le dispositif de mesure, des essais hydrauliques d'une durée de quelques semaines à plusieurs mois. Le présent rapport décrit pour la plupart des résultats de cette dernière phase, au cours de laquelle on a effectué plus de 100 essais in situ.

Le principe des essais en éventail ("Bohrlochkranzversuch") consiste à recueillir la réaction d'une portion de roche donnée à une impulsion, en un nombre aussi grand que possible de points. Pour cela, on a installé dans les forages des sondes développées à cet effet, capables d'enregistrer en continu la pression, la température et la conductibilité électrique de l'eau dans les intervalles d'observation. Les données sont digitalisées et enregistrées sur place par un ordinateur central, qui traduit le code binaire initial en code ASCII pour l'archivage et le traitement des informations.

La connaissance précise des principales voies d'écoulement hydraulique sert de base à l'élaboration d'un modèle de calcul tridimensionnel, traitant le massif non pas comme un continuum, mais comme un milieu discontinu qui est constitué d'un réseau de diaclases. L'analyse des essais consiste à définir les paramètres qui décrivent le transport hydraulique et le transport de matière. Elle s'est d'abord effectuée par des calculs analytiques et numériques simplifiés. Toutefois, il s'est avéré que le traitement du massif comme un milieu homogène ne peut se faire qu'au prix de restrictions importantes, car le comportement hydraulique est visiblement influencé par des chenaux d'écoulement, et des limites hydrauliques, correspondant à deux zones de schistosité, se font sentir lors des essais de longue durée.

Pour le traitement tridimensionnel du massif, on a développé dans le cadre de ce projet le code à éléments finis DURST, qui s'est avéré tout à fait capable de simuler les processus de transport d'eau et de matière. Il en existe une version pour gros ordinateur et une version pour PC. Ce code a fait l'objet d'une extension pour la simulation des écoulements polyphasiques, et a été diffusé sur le plan international sous le label ROCKFLOW.

Le présent rapport fait partie du projet de recherche «Bohrlochkranzversuch» (référence KWA 53045), financé par le Ministère allemand pour la recherche et la technologie («Bundesministerium für Forschung und Technologie»).