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Par Dominique Grenêche, docteur en physique nucléaire, expert international
© P. Masson - Stockage de fûts métalliques de
450 l contenant des déchets compactés FMA-VC, dédiés au Centre
de stockage en surface de l’Aube (CSA) géré par l’Andra.
La question des déchets radioactifs suscite des débats parfois agités dans lesquels les protagonistes essayent de renforcer leurs arguments en s’appuyant sur des faits – parfois discutables – ou sur des chiffres – souvent erronés. Cet article vise à rappeler les fondamentaux scientifiques et techniques facilement vérifiables concernant les déchets radioactifs.
La question des déchets radioactifs suscite des débats parfois agités dans lesquels les protagonistes essayent de renforcer leurs arguments en s’appuyant sur des faits – parfois discutables – ou sur des chiffres – souvent erronés. Cet article vise à rappeler les fondamentaux scientifiques et techniques facilement vérifiables concernant les déchets radioactifs.
Qu’est-ce qu’un déchet radioactif ?
Le code de l’environnement définit d’abord ce qu’est une « substance radioactive », à savoir une « substance qui contient des radio- nucléides, naturels ou artificiels, dont l’acti-vité ou la concentration justifie un contrôle de radioprotection ». Puis, le code en vient aux « déchets radioactifs », des substances radioactives pour lesquelles aucune utilisation ultérieure n’est prévue ou envisagée ou qui ont été requalifiées comme tels par l’autorité administrative. Le même texte précise que « Les déchets radioactifs ultimes [1] ne peuvent plus être traités dans les conditions techniques et économiques du moment, notamment par extraction de leur part valorisable ou par réduction de leur caractère polluant ou dangereux ». C’est un point fondamental dans les débats actuels sur les matières nucléaires issues du traitement des combustibles usés, puisque l’uranium et le plutonium séparés par cette opération ne peuvent donc pas légalement être considérés en France comme « déchets ultimes ».La problématique des déchets radioactifs est-elle nouvelle ?
Non. À la naissance des premiers concepts de réacteurs nucléaires civils, en avril 1944 aux États-Unis, Enrico Fermi, le physicien américain d’origine italienne, avait déclaré à ses pairs qu’« il [n’était] pas clair que le public accepter[ait] une source d’énergie qui produit autant de radioactivité ». Un comité spécial de haut niveau fut mis en place dès le début des années 1950 aux États-Unis pour réfléchir à cette question (suivi depuis par un nombre considérable d’études et d’expériences diverses de par le monde), concluant notamment dans un rapport datant de 1957 : « The Committee is convinced that radioactive waste can be disposed of safely in a variety of ways and at a large number of sites in the USA » [2].Quelle est la nature d’un déchet radioactif ?
Il existe une multitude de types de déchets radioactifs dont les caractéristiques sont d’abord liées à leurs propriétés radioactives pour les principaux radionucléides qu’ils contiennent : types de rayonnements émis, activité, contenu éventuel en matières fissiles, contamination surfacique, etc. Ces caractéristiques peuvent dépendre également de leurs diverses propriétés physico-chimiques: quantités, compositions et formes chimiques, caractéristiques vis-à-vis de certains risques (inflammabilité, volatilité, corrosion, dis- persabilité, solubilité, etc.). Toutefois, les déchets radioactifs sont généralement traités et conditionnés de façon à réduire au maximum, voire à supprimer les risques d’ordre physico-chimique. C’est pourquoi les critères de classification des déchets reposent essentiellement sur les deux paramètres liés à leur radioactivité.
La masse totale de déchets radioactifs de haute activité
à vie longue qui représentent 95 % de toute la radioactivité générée
par l’énergie nucléaire en France est de moins de 10 tonnes
↦ L'activité massique (ou volumique) des déchets,
c’est-à-dire le nombre de rayonnements qu’ils émettent par unité de
temps dans une masse donnée ou un volume donné.
↦ Leur durée de vie ou le temps nécessaire pour que leur activité passe en dessous d’un certain seuil de « dangerosité » potentielle (exemple de l’activité d’une substance naturelle répandue sur la terre comme l’uranium naturel). La grandeur physique la mieux adaptée à cet égard est la « demi-vie », qui est le temps au bout duquel leur activité a été réduite de moitié du fait de leur décrois- sance radioactive.
Les déchets HA (presque 95 % de toute la radioactivité de nos déchets nucléaires) contiennent deux catégories de radionucléides : les produits de fission (PF) et les actinides dits mineurs (AM). Il est possible de faire un calcul simple et vérifiable par tous de la quantité de PF en procédant de la façon suivante : on considère l’énergie dégagée par la fission d’un noyau atomique qui se transforme en énergie électrique dans une centrale nucléaire avec un rendement de l’ordre de 34 % ; cette fission donne naissance à des PF dont la masse totale est très proche de celle du noyau atomique initial. On peut ainsi associer à une production d’électricité donnée une masse de PF, et cela de façon rigoureuse et irréfutable. En prenant une production annuelle de 400 TWhe (celle de nos réacteurs nucléaires qui fournissent 72 % de notre électricité), on parvient à 50 tonnes de PF par an. De plus, seulement 15% de ces PF, à peine 8 tonnes, restent radioactifs au moment de leur vitrification. Ils sont constitués de 7 radionucléides à vie longue mais faiblement radioactifs – par définition – et de 2 radionucléides qui ont 30 ans de période radioactive, le Cs137 et le Sr90, dont l’activité est réduite de plus d’un facteur mille après 300 ans (décroissance radioactive ou diviser 10 fois par 2 donnant 1024). Il faut ajouter à ces PF les AM (neptunium, américium, curium) dont la masse ne peut pas être calculée « à la main » comme pour les PF, mais dont on sait que la masse totale produite annuellement dans nos réacteurs nucléaires est d’environ 1,6 tonne. Ainsi, la masse totale de déchets radioactifs de haute activité à vie longue qui représentent 95 % de toute la radioactivité générée par l’énergie nucléaire en France est de moins de 10 tonnes. Cela tiendrait facilement dans un camion ! On peut décliner ce chiffre de multiples façons.
↦ Leur durée de vie ou le temps nécessaire pour que leur activité passe en dessous d’un certain seuil de « dangerosité » potentielle (exemple de l’activité d’une substance naturelle répandue sur la terre comme l’uranium naturel). La grandeur physique la mieux adaptée à cet égard est la « demi-vie », qui est le temps au bout duquel leur activité a été réduite de moitié du fait de leur décrois- sance radioactive.
Comment gère-t-on les déchets radioactifs ?
Il s’agit d’abord de leur appliquer des traitements physico-chimiques afin de réduire éventuellement leur volume et de les « stabiliser », si nécessaire, puis de les conditionner pour les stocker de façon sûre dans un centre de stockage dédié, conçu et exploité par l’Agence nationale des déchets radioactifs (Andra), sous le contrôle de l’Autorité de sûreté nucléaire (ASN). Tous les déchets radioactifs peuvent être classés en fonction de leur activité et de leur durée de vie, ce qui permet de distinguer différentes catégories auxquelles sont appliqués des modes de gestion spécifiques, en particulier pour leur stockage définitif. À cet égard, si on écarte quelques déchets spéciaux hérités du passé et les déchets de très faible activité (TFA), on distingue schématiquement deux grandes classes de déchets en France :- Les déchets de faible ou moyenne activité à vie courte
(FMA-VC), stockés de façon rigoureuse dans un site de stockage de
surface, comme le centre de stockage de l’Aube, ouvert en 1992. Pour ces
déchets, qui représentent 60 % du total du volume des déchets radioactifs, il existe donc déjà une solution de gestion sûre et pérenne.
- Les déchets de haute activité à vie longue qui se subdivisent en deux catégories : ceux qui sont de moyenne activité, les MA-VL, et ceux qui sont de haute activité, les HA. Pour ces déchets, un stockage réversible en formation géologique profonde est à l’étude (projet Cigéo en milieu argileux).
Quel est le volume des déchets radioactifs en France ?
Il existe un inventaire national très précis de l’ensemble des déchets radioactifs (y compris d’origine médicale) que l’on trouve sur le territoire français, actualisé régulièrement par l’Andra et dont les données sont entièrement accessibles au public [3]. Dans sa dernière version publiée en 2018, on constate que les déchets HA et MA-VL ne représentent qu’une très faible part du volume total des déchets radioactifs français : respectivement 0,2 % (3 650 m3) et 2,9 % (45 000 m3). Par contre ils concentrent presque la totalité de la radioactivité générée par l’énergie nucléaire en France avec une proportion de 94,9 % pour les HA et 4,9 % pour les MA-VL. C’est là un point fondamental qui mérite d’être explicité puisque ce sont bien ces déchets qui entretiennent la plupart des polémiques et à propos desquels on cite parfois des chiffres extravagants… pour ne pas dire « abracadabrantesques ».Les déchets HA (presque 95 % de toute la radioactivité de nos déchets nucléaires) contiennent deux catégories de radionucléides : les produits de fission (PF) et les actinides dits mineurs (AM). Il est possible de faire un calcul simple et vérifiable par tous de la quantité de PF en procédant de la façon suivante : on considère l’énergie dégagée par la fission d’un noyau atomique qui se transforme en énergie électrique dans une centrale nucléaire avec un rendement de l’ordre de 34 % ; cette fission donne naissance à des PF dont la masse totale est très proche de celle du noyau atomique initial. On peut ainsi associer à une production d’électricité donnée une masse de PF, et cela de façon rigoureuse et irréfutable. En prenant une production annuelle de 400 TWhe (celle de nos réacteurs nucléaires qui fournissent 72 % de notre électricité), on parvient à 50 tonnes de PF par an. De plus, seulement 15% de ces PF, à peine 8 tonnes, restent radioactifs au moment de leur vitrification. Ils sont constitués de 7 radionucléides à vie longue mais faiblement radioactifs – par définition – et de 2 radionucléides qui ont 30 ans de période radioactive, le Cs137 et le Sr90, dont l’activité est réduite de plus d’un facteur mille après 300 ans (décroissance radioactive ou diviser 10 fois par 2 donnant 1024). Il faut ajouter à ces PF les AM (neptunium, américium, curium) dont la masse ne peut pas être calculée « à la main » comme pour les PF, mais dont on sait que la masse totale produite annuellement dans nos réacteurs nucléaires est d’environ 1,6 tonne. Ainsi, la masse totale de déchets radioactifs de haute activité à vie longue qui représentent 95 % de toute la radioactivité générée par l’énergie nucléaire en France est de moins de 10 tonnes. Cela tiendrait facilement dans un camion ! On peut décliner ce chiffre de multiples façons.
La radiotoxicité potentielle des déchets nucléaires de
haute activité devient inférieure à celle de l’uranium naturel après
environ 10 000 ans
À titre d’exemple, toute l’électricité consommée par
la SNCF pour faire rouler ses trains toute l’année (et transporter 1,7
milliard de voyageurs) est de 9 TWhe, ce qui correspond à moins de 200
kg de déchets radioactifs de haute activité en supposant que toute
l’électricité soit d’origine nucléaire. Si cette électricité était
produite avec du charbon, cela génèrerait environ 700 000 tonnes de
cendres solides, généralement stockées à l’air libre, et à une émission
dans l’atmosphère de presque 1 000 tonnes de suies et de particules
fines. Ces déchets du charbon contiennent des produits plus ou moins
toxiques et de durée de vie souvent illimitée tels que de l’arsenic, du
plomb, du thallium, du mercure et même de l’uranium et du thorium, dont
les quantités se chiffrent en tonnes ou même en dizaines de tonnes !
Évidemment, ces radionucléides (PF et AM) sont mélangés aux autres PF non radioactifs et ils sont conditionnés dans des « colis standard de déchets vitrifiés » (CSDV) ce qui conduit à des masses de déchets HA conditionnés nettement supérieures à cette valeur. Ainsi, un CSDV pèse environ 500 kg dont 400 kg de matrice vitreuse enrobant les PF et AM qui se présentent sous la forme d’oxydes et qui représentent environ 17 % de la masse totale de cette matrice. Le trai- tement de tous les combustibles à uranium enrichi du parc nucléaire français génère environ 800 CSDV par an qui ont chacun un volume de 0,175 m3, ce qui fait un total d’environ 140 m3 par an de déchets HA conditionnés (0,02 cm3 par habitant). Le cumul des productions depuis l’origine de la fabrication des premiers CSDV en France est de 3 650 m3 (chiffre cité plus haut) : ce volume tient en une seule piscine olympique.
Cette comparaison donne un repère valable pour estimer la « dangerosité » d’un déchet puisqu’on la compare au produit radioactif naturel qu’est l’Unat. Ces calculs montrent alors que la radiotoxicité potentielle des déchets nucléaires de haute activité (qui rassemblent 95 % de la totalité de la radioactivité des déchets nucléaires en France) devient inférieure à celle de l’uranium naturel après environ 10 000 ans.
On trouve quelques critiques sur l’emploi de ce critère de RP mais il est simple à comprendre et il permet de répondre plus facilement à la question souvent posée « pendant combien de temps les déchets sont-ils dangereux » ? Un autre critère est celui de la radiotoxicité dite « résiduelle » qui essaye de quantifier la dose possible, sur le très long terme, à l’exutoire d’un stockage géologique de déchets nucléaires. Il est basé sur des calculs qui utilisent des modèles complexes et des données parfois très incertaines, ainsi que sur des scénarios d’évolution du stockage malaisés à justifier. Quoi qu’il en soit, on parvient à des doses tellement faibles (tout au plus quelques fractions de micro-sievert) au bout de temps tellement longs (centaines ou millions d’années) que ces résultats ne sont pas très faciles à « vulgariser ». Le seul avantage de ce calcul de radiotoxicité résiduelle est de montrer que l’impact radiologique d’un stockage géologique (bien conçu) de déchets radioactifs est pratiquement nul, même à très long terme.
Notons que ce résultat énoncé n’est valable que pour des déchets ne contenant pas de plutonium, ce qui est bien le cas en France du fait que le plutonium issu de traitement des combustibles usés (CU) est recyclé dans les réacteurs nucléaires pour produire de l’électricité ou bien entreposé en vue d’un usage futur (par exemple, avec le multi-recyclage). Dans le cas d’un stockage géologique direct des CU, l’intervalle de temps de 10 000 ans que l’on vient de citer passe à 300 000 ans, du fait de la seule présence du plutonium qui contribue à plus de 90 % de RP des CU, entre quelques centaines d’années et 100 000 ans. Stocker définitivement du plutonium en formation géologique profonde n’est d’autant pas une bonne idée qu’il peut être recyclé. En France 1 ampoule sur 10 est éclairée par des combustibles recyclés. Vers 2030, ce sera plus d’une ampoule sur 4.
Évidemment, ces radionucléides (PF et AM) sont mélangés aux autres PF non radioactifs et ils sont conditionnés dans des « colis standard de déchets vitrifiés » (CSDV) ce qui conduit à des masses de déchets HA conditionnés nettement supérieures à cette valeur. Ainsi, un CSDV pèse environ 500 kg dont 400 kg de matrice vitreuse enrobant les PF et AM qui se présentent sous la forme d’oxydes et qui représentent environ 17 % de la masse totale de cette matrice. Le trai- tement de tous les combustibles à uranium enrichi du parc nucléaire français génère environ 800 CSDV par an qui ont chacun un volume de 0,175 m3, ce qui fait un total d’environ 140 m3 par an de déchets HA conditionnés (0,02 cm3 par habitant). Le cumul des productions depuis l’origine de la fabrication des premiers CSDV en France est de 3 650 m3 (chiffre cité plus haut) : ce volume tient en une seule piscine olympique.
Les déchets radioactifs sont-ils dangereux et pour combien de temps ?
Il convient de souligner que la toxicité des déchets radioactifs diminue avec le temps du fait de la décroissance radioactive caractérisée, rappelons-le, par la « demi-vie ra- dioactive ». Un bon indicateur de la nocivité potentielle des déchets radioactifs est la notion simple de radiotoxicité potentielle (RP) calculée à un instant donné. Pour un radio-nucléide donné et une masse donnée de ce radionucléide, cet indicateur est obtenu en multipliant son coefficient de dose par ingestion, en Sievert/Becquerel, par son activité spécifique à un instant donné, exprimée en Becquerel par unité de masse. Il suffit de faire la somme des RP de tous les radionucléides contenus dans un déchet auquel on s’intéresse (avec les masses individuelles de chaque radionucléide contenu dans le déchet) pour avoir la RP globale de ce déchet, en prenant soin cependant d’inclure dans ces calculs la RP des descendants éventuels de chacun des radionucléides. Si on prend la quantité totale de déchets HA contenue dans un stockage géologique, on obtient ce que l’on appelle « l’inventaire radiotoxique » du stockage. En fait, les valeurs obtenues n’ont pas beaucoup de signification dans l’absolu, sauf peut-être pour de très petites masses puisque la nocivité ainsi calculée suppose qu’une personne ingère directement cette masse de déchets. En revanche, on peut comparer cette RP avec celle de la masse d’uranium naturel (Unat) extraite du sous-sol, utilisée pour générer une masse donnée de déchets. Cela peut être par exemple la masse d’Unat, utilisée pour fabriquer une tonne de combustible, qui est d’environ 8,5 tonnes (pour un enrichissement initial de 4,2 %).Cette comparaison donne un repère valable pour estimer la « dangerosité » d’un déchet puisqu’on la compare au produit radioactif naturel qu’est l’Unat. Ces calculs montrent alors que la radiotoxicité potentielle des déchets nucléaires de haute activité (qui rassemblent 95 % de la totalité de la radioactivité des déchets nucléaires en France) devient inférieure à celle de l’uranium naturel après environ 10 000 ans.
On trouve quelques critiques sur l’emploi de ce critère de RP mais il est simple à comprendre et il permet de répondre plus facilement à la question souvent posée « pendant combien de temps les déchets sont-ils dangereux » ? Un autre critère est celui de la radiotoxicité dite « résiduelle » qui essaye de quantifier la dose possible, sur le très long terme, à l’exutoire d’un stockage géologique de déchets nucléaires. Il est basé sur des calculs qui utilisent des modèles complexes et des données parfois très incertaines, ainsi que sur des scénarios d’évolution du stockage malaisés à justifier. Quoi qu’il en soit, on parvient à des doses tellement faibles (tout au plus quelques fractions de micro-sievert) au bout de temps tellement longs (centaines ou millions d’années) que ces résultats ne sont pas très faciles à « vulgariser ». Le seul avantage de ce calcul de radiotoxicité résiduelle est de montrer que l’impact radiologique d’un stockage géologique (bien conçu) de déchets radioactifs est pratiquement nul, même à très long terme.
Notons que ce résultat énoncé n’est valable que pour des déchets ne contenant pas de plutonium, ce qui est bien le cas en France du fait que le plutonium issu de traitement des combustibles usés (CU) est recyclé dans les réacteurs nucléaires pour produire de l’électricité ou bien entreposé en vue d’un usage futur (par exemple, avec le multi-recyclage). Dans le cas d’un stockage géologique direct des CU, l’intervalle de temps de 10 000 ans que l’on vient de citer passe à 300 000 ans, du fait de la seule présence du plutonium qui contribue à plus de 90 % de RP des CU, entre quelques centaines d’années et 100 000 ans. Stocker définitivement du plutonium en formation géologique profonde n’est d’autant pas une bonne idée qu’il peut être recyclé. En France 1 ampoule sur 10 est éclairée par des combustibles recyclés. Vers 2030, ce sera plus d’une ampoule sur 4.
En conclusion
Les quantités de déchets potentiellement et durablement toxiques produits par l’énergie nucléaire sont extrêmement faibles rapportées au service rendu. Ce sont même certainement les plus faibles parmi les déchets générés par toutes les activités industrielles dont certains (comme les métaux lourds non recyclables) sont d’ailleurs très toxiques et ont des «durées de vie» pratiquement infinies. L’élimination de ces déchets «nucléaires » noyés dans une matrice pratiquement inaltérable (le verre) enfouie dans une formation géologique stable depuis plus de 100 millions d’années constitue une solution parfaitement sûre. Ces faits sont prouvés. Ils sont incontestables.
La vitrification en quelques mots
Le procédé de vitrification a été mis au point
sur le site nucléaire de Marcoule en 1968. Il est le précurseur
du procédé mis en œuvre sur l’usine de la Hague. Les solutions
de produits de fission sont tout d’abord calcinées à 500 °C.
Les calcinats sont ensuite vitrifiés à 1100 °C par mélange avec de la fritte de verre et chauffage dans un four à induction. Les radionucléides font alors partie intégrante du réseau vitreux. Le verre en fusion est coulé dans un conteneur cylindrique en acier inoxydable réfractaire.
Après soudage du couvercle (arc plasma), les colis sont décontaminés par aspersion d’eau sous pression. Le verre est analogue aux verres naturels basaltiques qui ont résisté à l’érosion du temps depuis des millions d’années.
Les calcinats sont ensuite vitrifiés à 1100 °C par mélange avec de la fritte de verre et chauffage dans un four à induction. Les radionucléides font alors partie intégrante du réseau vitreux. Le verre en fusion est coulé dans un conteneur cylindrique en acier inoxydable réfractaire.
Après soudage du couvercle (arc plasma), les colis sont décontaminés par aspersion d’eau sous pression. Le verre est analogue aux verres naturels basaltiques qui ont résisté à l’érosion du temps depuis des millions d’années.
1.Souligné par l’auteur, Ndlr.
2.«
Le Comité est convaincu que les déchets radioactifs peuvent être
éliminés de manière sûre de diverses manières et dans un grand nombre de
sites aux États-Unis ».
3.Site internet www.andra.fr