1 - INTRODUCTIONDepuis leurs débuts et désormais partoutdans le monde les sociétés exploitant descentrales hydrauliques projettent, cons-truisent et exploitent des centrales souter-raines. Au contraire peu de centrales ther-miques sont souterraines et moins encorede centrales nucléaires. Après de premiè-res expériences, cette solution paraît défi-nitivement abandonnée, alors qu’il y a deplus en plus de raisons de la reprendre.Des usines hydroélectriques ont été cons-truites aux Etats-Unis dès 1898, puis enEurope, et partout dans le monde à partirde 1950. Actuellement il y en a environ200 en Norvège, sur un total de l’ordre de500, dont 45 en France. Parmi les plusgrandes cavernes, celle de La Grande, auCanada est large de 22 m, haute de 45 m,longue de 485 m. Comme celle-ci, beau-coup apparaissent comme des tunnelsrelativement courts dont la hauteur

dépasse la portée. En vérité leur portée alongtemps été maintenue aussi petite quepossible et beaucoup ont des sections trèsélancées, au point de ressembler à destrous de serrure, les projeteurs n’ayant pascompris que la hauteur puisse être pluscritique que la portée. Plus tard les caver-nes pour le stockage de pétrole en vracont apporté de plus en plus d’expérienceà la construction de cavernes et plusrécemment encore la recherche sur lesneutrinos a demandé de très grandescavernes (à très grande profondeur).Comme mécanicien des roches, l’auteur adiscuté plusieurs aspects de ce problème(Duffaut, 1982, 1990, 2005), et commeprosélyte de l’espace souterrain il désireattirer l’attention sur l’aptitude des cavernesà accueillir toutes les installations dange-reuses, y compris les réacteurs nucléaires.

Pour être sûres, les centrales nucléairesdoivent être souterraines

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Pierre Duffaut1 - Président d’honneur, Comité Espace Souterrain

Résumé :Parmi les premières centrales nucléai-res, un petit nombre a été construiten souterrain, mais cette voie versune meilleure sécurité publique a étéensuite abandonnée malgré songrand intérêt. L’historique de ces pro-jets et travaux est rappelé, en met-tant l’accent sur les aspects deMécanique des roches. Pendantlongtemps, un tabou a interdit lesgrandes portées aux cavernes creu-sées par l’homme ; la patinoire sou-terraine de Gjøvik, en Norvège a levéce tabou. Il y a aujourd’hui de nou-velles raisons pour revenir à ceconcept lorsque les conditions sontfavorables en temps et lieu, et surtoutdans les pays qui entrent dans l’èrede l’énergie nucléaire

Abstract:To be safe, nuclear power-stationsmust be underground.Among first nuclear power plants, afew have been built in caverns, andlater this way to a best safety hasbeen abandoned, in spite of its highinterest. The history of undergrounddesigns and works is recalled, withfocus on the rock mechanics side ofthe problems. For long a taboo hadbeen placed on the span of manma-de caverns; the Norwegian Gjøvikice-rink cavern removed it. Todaythere are new reasons for a renewalof the concept, any time and placewhen and where conditions arefavourable, the more in countriesentering the nuclear power era.

1) Traduction adaptée d’une communication en anglais au congrès d’ACUUS à Athènes le 11septembre 2007.

Figure 1 : Coupe d’ensemble d’une centrale souterraine CANDU (Oberth, Lee, 1979).

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2 - RAPPEL HISTORIQUE SUR LES CENTRALES NUCLÉAIRESSOUTERRAINESEn 1960, la Norvège est le premier paysqui place un réacteur dans une caverne,un réacteur à eau lourde de 25 MW, àHalden (après le réacteur d’essai deWerner Heisenberg à Haigerloch enAllemagne en 1944 !)2. La Norvège estpremière au monde, par la date ou lenombre, dans la plupart des catégoriesd’ouvrages souterrains, y compris les tun-nels sous-marins. Lorsque ce pays a aban-donné l’énergie nucléaire, cette installa-tion a été conservée comme réacteur derecherche, au sein d’un programme euro-péen sur la sûreté nucléaire. La Suède et laSuisse ont suivi l’exemple au milieu desannées 60 avec Agesta, dans les fau-bourgs de Stockholm, et Lucens, entreLausanne et Berne. Lucens a été ferméeaprès une fusion de cour partielle le 29janvier 1969. Cet accident, le premier rap-porté dans la production d’énergienucléaire, n’a eu de conséquences sérieu-ses sur aucun individu ni sur l’environne-ment, grâce à l’implantation en souterrain.Ces trois centrales étaient très modestespar rapport aux centrales non nucléairesde l’époque, plus encore par rapport auxpuissances actuelles.

En 1966, Chooz, en France, constitue l’étapesuivante, première centrale ayant unepuissance électrique significative avec305 MW. Seules les parties nucléaires ontété placées dans deux cavernes, sous unecouverture d’environ 70 m, les turbines àvapeur et les alternateurs étant dans la val-

lée de la Meuse au pied du coteau. Lacaverne du réacteur a une portée de 21 m,une hauteur de 44,5 m, une longueur de42 m (chacune environ deux fois la portée).Exploitée de 1967 à 1991, la centrale aproduit 38 TWh en 19 ans.

Au début des années 70, afin de démont-rer la faisabilité de cavernes assez grandespour accueillir des réacteurs de plus fortepuissance, une grande patinoire souter-raine a été projetée près d’Oslo avec uneportée de 61 m ; ce projet est resté sanssuite lorsque la Norvège a abandonné l’é-nergie nucléaire ; il revivra 20 ans plus tardcomme on le verra ci-dessous.

En 1977, la société d’électricité cana-dienne Ontario Hydro a mis à l’étude ungrand projet souterrain de quatre réac-teurs CANDU de 850 MW (filière cana-dienne à eau lourde et uranium naturel) à300 m de profondeur dans le granite pré-cambrien sur la rive du lac Ontario, nonloin de Toronto (Oberth, Lee, 1979 etfigure 1). Chaque réacteur occupe unecaverne de 30 sur 40 et 60 m, sans aucuneenceinte d’acier ni de béton, le terrainétant supposé capable de contenir toutesurpression accidentelle grâce aux fortescontraintes horizontales ; la profondeurassurait aussi une charge naturelle pour lesystème d’injection d’eau. Chaque salledes machines était encastrée dans uneexcavation en surface pour l’esthétique,avec son toit au niveau du terrain naturel.Les essais géotechniques effectués prèsde la centrale de Darlington ont porté surla résistance, la fracturation, la perméabi-

lité et l’état de contrainte et bien que leursrésultats aient été favorables le projet amalheureusement été abandonné.

Une revue générale a été publiée parWatson (et al, 1975). Puis le gouverne-ment allemand a organisé un colloque enmars 1981 sur la construction de centralesnucléaires en souterrain : 240 participantsde 12 pays se sont réunis à Hanovre pourdiscuter 36 communications sur les recher-ches en cours dans ce domaine (Pahl,Schneider, 1982). Les principaux avan-tages cités étaient la meilleure protectionà la fois de la centrale et de la population,ainsi que la plus grande liberté de choixdes sites. Certains aspects financiers ettechniques pourraient aussi être avanta-geux. Pour accueillir un réacteur d’environ1000 MW, une portée de 60 m était sup-posée nécessaire ; deux principauxconcepts étaient présentés et comparés,soit une vraie caverne profonde, soit unefouille à ciel ouvert recouverte ensuite deterre (figure 2 droite).

3 - LE TABOU DES GRANDESPORTÉES AVANT LA PATINOIREDE GJØVIKPlacer des centrales en souterrain avaitbeaucoup d’inconvénients, le coûts, ledélai de construction, les incertitudes géo-logiques, etc. mais le principal sembleavoir été la crainte face aux grandes por-tées : la plupart des cavernes creusées parl’homme restaient au-dessous de 20 m,peu d’entre elles atteignant 25, 30 ou 33 m(figure 3 d’après Hoek, Brown, 1990). En

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2) Ajouté après envoi du manuscrit.

Figure 2 - A droite, les deux principaux schémas présentés à Hanovre, la fouille recouverte de terre en terrain meuble, ou la caverne profonde au rocher, la salle des machines étant en surface dans les deux cas ; à gauche le concept Belge MYRRHA, soit recouvert de terre, soit entièrement en souterrain (De Bruyn et al, 2006).

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Suède, la méthode Rib in Rock avait étéprésentée au premier symposiumRockstore en 1977 (Sallström, figure 4, enbas) : en première phase, un ensemble de" côtes " sont formées dans des plans ver-ticaux parallèles autour de la futurecaverne (galeries et puits de petite sectioncreusés puis remplis de béton), fournissantun terrain sur pour le creusement de lacaverne3.

Les Jeux olympiques d’hiver de 1994allaient fournir l’occasion de remettre àjour le projet de patinoire souterrained’Oslo. La caverne a été creusée sous lerelief granitique auquel est adossée la villede Gjøvik, qui abritait déjà une piscine etdes cavernes plus modestes pour un cen-tral téléphonique et divers services desécurité. Le plafond voûté a une portée de61 m (figure 4) une longueur de 91 m àune hauteur de 25 m, pour abriter 5800sièges autour de la patinoire ; c’est de trèsloin la plus grande portée au monde pourune caverne non minière destinée à rece-voir du public. La couverture rocheuse, de25 à 50 m, est inférieure à la portée. Laqualité du rocher était connue par lescavernes précédentes et le creusementn’a rencontré aucune surprise. La stabilitéa été étudiée par deux équipes différentesavec les méthodes les plus récentes, maisaucune modification n’a été apportée audessin initial : la forme et le soutènementsont conformes à ceux des nombreusescavernes plus modestes construites enNorvège. Le seul soutènement est unecouche de 10 à 15 cm de béton projetéassociée à des boulons de 6 m à la maille2,5 m. L’excavation de 165 000 m3 a duré8 mois (6 de moins que prévu). Inauguréepar le Roi en mai 1993, la salle a accueillisans aucun problème 16 matchs de hockey

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Figure 3 : trois cavernes typiques, à gauche centrale nucléaire de Lucens, Suisse, 1966 ; à droite, centrales hydro électriques de Porabka Jar, Pologne, en caverne ovoïde,et de Cirata, Malaisie, 1980 en demi cercle (Hoek, Brown, 1990).

Figure 4 : Trois projets de très grandes cavernes à section ovoïde, comparés à la grande portée de la patinoirede Gjøvik, Norvège, seule construite et en service depuis 1994 : en bas, le schéma « RIB in ROCK » (cage

thoracique dans le terrain) proposé par Sallström, 1977, pour la construction d‘une grande caverne en terrainmédiocre ; en haut, projets de cavernes pour la détection de neutrinos, de Lombardi, 1980, pour le laboratoire

italien du Gran Sasso et de Nakayama, 2005, pour un laboratoire japonais.

3) Trente ans après, aucune application de cette méthode n’a été signalée.

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sur glace pendant les Jeux de 1994. Cesuccès a définitivement levé le tabou surles grandes portées.

4 - FORMES ET TAILLES DECAVERNES, ESSAI D’ARCHITECTURE SOUTERRAINE

4.1 - Fouille ouverte ou vraiecaverne ? Le projet MYRRHAEn Belgique, une installation partiellementou totalement souterraine est à l’étudesous le nom MYRRHA, MultipurposehYbrid Research Reactor for Hytech appli-cations, Accelerator driven system (réac-teur de recherche à buts multiples pourapplications de haute technologie, DeBruyn et al, 2006). Dans ce type de réac-teur, le bombardement d’une cible par lesneutrons émis par un accélérateur de par-ticules permet de brûler des déchetsnucléaires et de produire des matériauxradioactifs. L’implantation sous le niveau dusol a été choisie pour sa sécurité globale,avec deux variantes pour un niveau desécurité supplémentaire, une couverture deremblai de 10 m sur le toit, ou une cavernequi nécessite une réorganisation des élé-ments non nucléaires (figure 2 gauche).

Ces projets rappellent ceux quel’Allemagne avait présentés au colloquede Hanovre ; l’article cité discute lesméthodes d’exécution de chaque solu-tion, qui sortent du domaine traité ici. Il estclair que la variante en caverne n’estacceptable qu’en terrain rocheux.

4.2 - Forme des cavernes etmécanique des rochesLes grottes naturelles montrent des por-tées très supérieures aux cavernes creu-sées par l’homme. On peut les séparer endeux groupes selon la forme de leur pla-fond, soit plan, suivant un joint de stratifi-cation, leur portée ne dépasse pas 100 m,soit grossièrement voûtée, avec une por-tée qui peut être plus grande (jusqu’à400 m pour la plus grande salle connue,Lubang Nasib Bagus, à Sarawak,Indonésie, Gilli, 1984). Les vides minierssont excavés suivant la structure géolo-gique pour extraire les matériaux mar-chands, par exemple une couche de char-bon. Ces limites naturelles, comme lespérimètres perforés des timbres-postes,assurent aux vides une meilleure stabilité.Beaucoup de chambres creusées dans lesmines ont des portées de 100 m et au-delà (carrières de calcaire de Tytyry enFinlande, mines de fer de Terre-Neuve auCanada et de May-sur-Orne en France(Normandie), etc.

La forme des cavernes " civiles4 " creuséespar l’homme (production d’électricité,stockage de pétrole, usages militaires,etc.) dépend d’abord de leur destination,suivant ce qu’elles devront abriter, ensuitede la Nature, structure des terrains etchamp de contrainte, et en troisième lieudes méthodes d’exécution. Autant quepossible, la direction d’une longuecaverne est choisie perpendiculaire auxplans structuraux dominants, soit la stratifi-cation, soit la fracturation. Sauf le cas de

cavernes conformes aux joints de sédi-mentation, il faut remplacer les faces pla-nes et les angles aigus par des surfacescourbes à rayon variant progressivementet des congés afin de minimiser lesconcentrations de contraintes. Dans lesterrains dépourvus de structure bien mar-quée, la meilleure stabilité est celle depuits verticaux ou de tunnels horizontaux àsection circulaire (ou elliptique, si lescontraintes principales dans le plan sontdifférentes). Le creusement à l’explosiffavorise les faces planes ou cylindriques ;les tunneliers à pleine section donnent dessections circulaires jusqu’au diamètre 15 m ;des machine ponctuelles ont été utiliséespour creuser des stations de métro et descavernes de stockage jusqu’à des sections8 sur 12 m.

L’excès de contrainte pose problème dansles massifs rocheux surcontraints, en parti-culier à grande profondeur. Les saignéesradiales, obtenues par des forages parallè-les rapprochés, fournissent une méthodegénérale pour maîtriser les contraintesexcessives, mais seulement à l’échelle desections de quelques mètres ; d’aprèsLombardi, 1986 (figure 4) et Duffaut, 2005(figure 5), les saignées peuvent être rem-placées par de petites galeries tout autourdu périmètre futur, et leur efficacité serad’autant meilleure que le terrain sera plusplastique. Oberth et Lee (1979) comptentaussi sur des saignées pour maîtriser lescontraintes d’origine sismique et thermique(celles-ci en cas de pression de gaz dansl’enceinte d’un réacteur).

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Figure 5 : à gauche, les saignées de décompression autour d’un tunnel sont remplacées autour d’une caverne par de petites galeries ; au centre, lorsque le champ decontrainte est anisotrope, il suffit d’une paire de saignées ou de galeries ; à droite la caverne proposée par le sculpteur Chillida à Fuerteventura (Canaries), proche d’un

cube, ses faces planes et ses angles francs sont exactement ce qu’il ne faut pas faire.

4) Les cavernes civiles s’opposent ici aux cavernes minières, cf. civil opposed to mining engineering.

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5 - L’IMPLANTATION SOUTERRAINE GAGE D’UNE MEILLEURE SÉCURITÉ Les cavernes au rocher procurent à la foisle confinement de toute explosion etémission de gaz (protection de l’environ-nement contre les phénomènes dange-reux à l’intérieur de l’installation) et la pro-tection de l’aménagement contre lesmenaces extérieures, qu’elles soient d‘ori-gine naturelle (ouragans, inondation,instabilité des pentes, secousses sis-miques, volcanisme) ou d’origine humaine(intrusion, bombardements, fusées, chuted’avions, malveillance et terrorisme. Unremblai de roche concassée peut serviraussi à condenser les gaz en cas dedéfaillance de l’enceinte. Une telle protec-tion à double sens est valable aussi pourtoutes usines et dépôts dangereux, telsqu’engrais nitratés et explosifs (Duffaut,2002, à la suite de l’explosion de l’usineAZF de Toulouse).

L’accident nucléaire de classe 9 impliquela fusion totale du cœur d’un réacteur,qu’aucune enceinte ne peut contenir sansrupture. Le vice président de la sociétéaméricaine Acres, David Willett a rappelé(1980) que les essais sur les armes nucléai-res effectués (à des profondeurs de

quelques dizaines à quelques centainesde mètres) au Site d’essai du Nevada,dans un tuf volcanique et au-dessus de lanappe phréatique avaient prouvé l’apti-tude du terrain à résister aux très hautespressons et températures. Au contraire du" syndrome chinois ", une masse fondueva rester en place pendant longtemps,perdant lentement sa température et saradioactivité, sans aucun effet négatif surl’environnement.

6 - SOUTIENS ET CONCLUSIONSDans un éditorial au quotidien Le Mondeau début de la décennie 70, RobertPoujade, premier ministre de l’environne-ment au monde, souhaitait que toutes lescentrales nucléaires soient souterrainesafin d’éviter tout impact négatif. Avantmême qu’aucun accident ne soit survenualors (ou n’ait été publié), c’était une pre-mière application du principe de précau-tion. Au niveau international, le savantrusse André Sakharov a affirmé, dans sapréface au livre de Medvedev (1989-1999), que l’humanité ne pouvait pasabandonner l’énergie nucléaire ; aussidemandait-il qu’une législation internatio-nale impose de les placer toutes en sou-terrain. Devant la tendance générale à ladécentralisation, des centrales de taille

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Les centrales nucléaires peuvent être pla-cées en souterrain. Elles peuvent doncêtre placées partout où le terrain offre desconditions convenables. La stabilité desgrandes cavernes ne peut être démontréepar le calcul, quelle que soit la précisiondes données collectées et la confiancedans les modèles de comportement rete-nus. C’est la même chose pour les pentesraides des hautes montagnes : il est cer-tain que ni les pics ni les grottes de grandeportée ne resteront stables indéfiniment,mais le long terme de la Nature est sanscommune mesure avec la vie des œuvresde l’ingénieur. Nous devons reconnaîtrequ’ " il y a très peu de groupes et de spé-cialistes au monde ayant suffisammentd’expérience pour émettre des conclu-sions qui ne soient ni évasives ni discuta-bles. Chaque nouveau projet est un proto-type (un monotype) exigeant une étroiteadaptation au site comme c’est le cas desgrands barrages. Un haut niveau deconfiance dans les équipes chargées duprojet et du suivi de chantier est indispen-sable " (You, Vaskou, 2002).

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