Quand l’analyse des réseaux de fractures participe à l’évaluation des risques associés au stockage de déchets nucléaires

Analyser les réseaux de fractures de la roche est l’un des principaux axes de recherche de la Fractory. Ce laboratoire commun entre le laboratoire Geosciences Rennes (CNRS/Université de Rennes) et la société Itasca travaille sur cette question depuis sa création en 2018. « Avant de créer le laboratoire avec l’aide de l’ANR (Agence nationale de la recherche), nous collaborions déjà depuis plus de dix ans », se remémore Caroline Darcel, codirectrice de la Fractory et ingénieure principale au sein d’Itasca, une société de conseil spécialisée dans la modélisation géomécanique, l’hydrogéologie et la géologie. « Après ma thèse à l’université de Rennes, effectué au sein d’une équipe déjà impliquée dans la thématique des réseaux de fractures, j’ai été embauchée par Itasca. Il y avait de la part de nos clients une demande forte de compétence sur les milieux fracturés. C’est alors tout naturellement que nous avons proposé de mettre en œuvre les travaux issus de l’équipe de recherche à Rennes en utilisant cette manière assez nouvelle de décrire les milieux fracturés, et démarré un premier contrat de collaboration de recherche. » 

 « L’ensemble de notre activité se déroule dans le champ de l’évaluation des risques, ce qui est essentiel dans la conception d’un site de stockage de déchets nucléaires, plus encore dans des socles cristallins fracturés », explique la cheffe de projet. « Il s’agit de roches dures, telles que les granites, décrit Philippe Davy, géophysicien, directeur de recherche CNRS au sein de Géosciences Rennes et codirecteur de la Fractory. Ils sont généralement imperméables, sauf quand ils sont fracturés. » 

Une modélisation statistique des fractures 

Pour comprendre ces fractures, le laboratoire utilise le concept de réseaux de fractures discrètes — Discrete Fracture Network (DFN) en anglais — et continue de le développer du point de vue conceptuel et numérique via la plateforme DFN.lab : « Il y a deux visions conceptuelles des milieux fracturés  : soit on les modélise comme un milieu continu avec des techniques comme les éléments finis, soit on le considère comme une population de fractures de toutes tailles impliquant plus d’hétérogénéité. Notre approche tient de la seconde et nous avons développé une modélisation statistique des fractures et de leur comportement. Au lieu de modéliser la roche, nous modélisons son réseau de fractures grâce aux informations parcellaires dont nous disposons en surface, mais aussi grâce à des puits de forage et à des tunnels. Sur un des sites que nous avons beaucoup étudié en Suède, qui s’étend sur une dizaine de kilomètres carrés, nous disposons d’une vingtaine de kilomètres de carottes issues de forages d’un kilomètre de profondeur avec cinq à dix fractures par mètre », détaille le chercheur. 

Mais en quoi est-ce important de connaître ces réseaux de fractures pour le stockage de déchets nucléaires ? « C’est par là qu’il pourra y avoir des écoulements, explique Caroline Darcel. Les colis de déchets sont protégés par plusieurs couches, dont une capsule contenant des éléments empêchant les radiations. Mais la barrière ultime pour contenir la radioactivité est géologique si les deux premières se détériorent. On parle ici d’un horizon à 100 000 ans où la désintégration du colis est une éventualité à envisager. Si le milieu était homogène, les polluants se propageraient uniformément, un peu partout. Avec les fractures, ils peuvent s’échapper par des chenaux d’écoulement et donc circuler plus vite. » 

L’analyse dynamique des risques 

« Notre étude publiée dans PNAS en novembre dernier montre bien que la description faite avec des théories classiques ne fonctionne pas dans ce genre de milieux, développe Philippe Davy. Dans le milieu souterrain, les polluants se déplacent et se dispersent, leur concentration évoluant dans le temps et l’espace. Les théories classiques décrivent ce phénomène avec des lois d’advection et de diffusion. Nous avons fait une analyse très fine de la dispersion dans les réseaux de fractures, et nous avons montré que la diffusion était anormale, incompatible avec les théories utilisées pour les milieux continus. Ce travail permettra d’améliorer la prévision des conséquences d’une fuite de polluants dans le sous-sol et de faire des prédictions plus juste des risques encourus. Nous continuons les études pour savoir si cette diffusion anormale diminue ou augmente le risque de pollution. Notre travail est théorique mais avec des applications pratiques puisqu’il servira à construire le dossier de sécurité du site qui sera examiné par les autorités gouvernementales. » 

D’après Caroline Darcel, cette étude apporte de nouveaux éléments pour les sociétés chargées de la mise en œuvre du stockage des déchets : « Leur parti-pris est de faire leurs analyses de risque plusieurs fois, ils s’attachent à prendre en compte la meilleure connaissance scientifique qui existe. Les sites ne seront pas mis en service avant dix ou vingt ans, ils savent donc que les connaissances sur le milieu vont évoluer, ce sont des analyses dynamiques ». 

Un laboratoire commun indispensable 

Des connaissances dues à l’originalité de ce laboratoire intégré qu’est la Fractory, comme l’explique l’ingénieure : « La filiale française d’Itasca est basée à Lyon, le fait d’avoir déménagé une partie de l’équipe en 2018 pour être physiquement au même endroit que les chercheurs est une richesse. Parce que nous collaborons au quotidien au sein de l’université, nous avons pu développer un fonctionnement propre qui articule les objectifs d’un laboratoire de recherche avec ceux d’un industriel. Nos compétences différentes entre chercheurs et ingénieurs ont été un atout. Cela nous permet aussi d’investir l’enseignement avec la création d’un enseignement sur la méthode DFN à l’université de Rennes ». 

C’est une conclusion à laquelle adhère Philippe Davy : « Nous sommes un très bon exemple pour inciter mes collègues à valoriser leurs recherches. La Fractory montre que l’expertise acquise des organismes de recherche est une source de valorisation qui mérite d’être mieux exploitée. Les sociétés qui nous financent, en Suède, mais aussi en Finlande ou au Canada, sont intéressées par la double compétence recherche-industrie de la Fractory. Au sein de l’UMR (laboratoire), nous sommes une équipe de recherche à part entière ». 

Outre le nucléaire, la Fractory s’intéresse à d’autres marchés comme la géothermie, les risques dus aux inondations, à l’érosion ou au transport de sédiments. « Grâce aux contacts industriels d’Itasca dans le domaine minier, nous nous sommes intéressés à la question des ruptures de barrage de déblais qui peuvent parfois faire des centaines de morts. Nous n’avons pas encore d’applications dans le domaine, mais nous avons commencé à tester nos codes de calcul pour l’évaluation de ce risque », conclut le chercheur.