Le stockage en couche géologique profonde, parfois appelé enfouissement, est envisagé pour confiner les déchets nucléaires, en complément du stockage en surfaceObjectifs et missions du laboratoire d'études des stockages de surface (LESTS) dans plusieurs pays, en particulier pour les déchets de haute et moyenne activité à vie longue. Il consiste à conditionner ces déchets puis à les placer dans une formation géologique stable en interposant des barrières naturelles et artificielles entre les déchets et l'environnement. Ce mode de gestion repose sur l'hypothèse que la rétention des déchets peut atteindre une durée suffisante pour assurer leur décroissance radioactive.

Le stockage des déchets nucléaires en profondeur est un sujet de polémique dans le monde entier et de nombreux mouvements et organisations écologistes luttent contre cette solution qu'ils jugent peu sûre, coûteuse et inutile.

thumb|right|200px|Schéma illustrant le principe de stockage du projet Yucca Mountain. thumb|right|200px|Techniciens déposant des déchets contenant des transuraniens dans une unité pilote près de Carlsbad au Nouveau-Mexique.

Contexte thumb|Évolution dans le temps de la radiotoxicité d'un combustible usagé : après mille ans les produits de fission cessent d'être significativement radiotoxiques ; après un million d'années le combustible est moins radiotoxique que le minerai d'uranium initial. Les déchets radioactifs sont actuellement produits dans différents pays. La gestion de ces différents types de déchets repose sur leurs caractéristiques propres : niveau d'activité et période de décroissance. L'objectif visé est d'isoler les déchets de la biosphère jusqu'à ce que la radioactivité résiduelle soit inoffensive. Des modes de gestion différenciés (stockage en subsurface, entreposage, stockage profond, etc) sont utilisés ou envisagés selon les différents types de déchets.

Les déchets de haute activité et à vie longue (HAVL) et de moyenne activité et à vie longue (MAVL) émettent pendant des durées de plusieurs siècles ou millénaires des rayonnements ionisants.

Globalement (tout type de stockage confondu), un site de stockage ne retrouve le niveau de radioactivité moyenne de la croûte terrestre qu’au bout d’un million d’années : au-delà du million d’années, il n’est pas possible d’être affirmatif en ce qui concerne le devenir géologique du site (mouvements géologiques à l’échelle de la plaque continentale) mais cela ne devrait pas poser de problème puisque le site ne sera plus radioactif. Par ailleurs, un colis type sera fiable sur environ dix mille ans; il faut donc se préoccuper des temps compris entre dix mille ans et un million d'années. Le mode de gestion de ces déchets doit donc permettre de les isoler de la biosphère pendant la durée nécessaire à leur décroissance.

Au-delà du million d'années, il restera néanmoins des métaux lourds, qui constituent des déchets toxiques. Les déchets nucléaires et les métaux lourds sont pris en compte au titre de dans le cadre des limites planétaires., reconnues par la France..

Il faut faire la distinction entre les arguments développés pour ou contre l'énergie nucléaire, et ceux développés pour ou contre les centres de stockage souterrains. Ainsi, un partisan de l'énergie nucléaire peut s'opposer au centre de stockage de Gorleben, tandis qu'il est tout à fait possible qu'un opposant à l'utilisation de l'énergie nucléaire s'y déclare favorable Strahlendes Erbe, Kerngedanken zur Endlagerung (Héritage irradiant: idées clés pour le stockage définitif) de Jan Gottwald et Paul Schoeps. Édité en 2003 par Akademikerverlag GmbH & Co KG. :.

Concept de stockage géologique L'un des modes de gestion proposé (voire retenu) dans certains pays est le stockage en couche géologique profonde.

Le stockage géologique est conçu pour retarder le relâchement et la migration des radioéléments sur une échelle de temps compatible avec leur période de décroissance. Il repose sur une conception multi-barrières dont le niveau le plus élevé est la formation géologique en elle-même. Les autres barrières mises en place sont le colis de déchets en lui-même (qu'une étude de Nature invite à mieux évaluerSelf-accelerated corrosion of nuclear waste forms at material interfaces sur nature.com), le colis de stockage ainsi que d'éventuels dispositifs de confinement telle une barrière ouvragée en bentonite. À ce titre, l'archéologie, et en particulier l'archéométallurgie, sont des sources d'information précieuses pour connaître le vieillissement des matériaux sur plusieurs siècles ou millénaires.

Différentes formations-hôtes sont actuellement étudiées ou utilisées dans le monde : tuf volcanique, granite, halite, argile Le comportement de ces différents matériaux vis-à-vis des contraintes du stockage (température et présence d'eau particulièrement) détermine la nature des barrières mises en place.

Phénoménologie d'un stockage thumb|left|200px|Modèle informatique du comportement du stockage Yucca Mountain

L'eau est a priori le principal facteur d'altération/corrosion des colis de déchets radioactifs d'une part, et le principal vecteur des éléments radioactifs éventuellement relâchés dans la barrière géologique d'autre part. La modélisation des déplacements de l'eau dans le sous-sol est un problème complexe. Elle fait appel à la loi de Darcy relative aux écoulements d'eau dans les milieux plus ou moins poreux. Dans ce type d'écoulement, c'est un différentiel de pression qui entraîne le déplacement de l'eau, celle-ci entraînant, en tout ou en partie, certains éléments avec elle.

Cependant, même là où l'eau ne peut se déplacer, sous forme ionique notamment, des éléments peuvent facilement migrer si un différentiel de concentration ou de pression (sous l'effet de la température par exemple) est établi, ou dans le cadre de phénomènes de microcapillarité ou nanocapillarité (on parle alors de diffusion moléculaire). Ce dernier phénomène sera par exemple largement prédominant dans le cas d'un stockage géologique dans de l'argile. Les équations de diffusion telles que celles établies par Fick devront aussi tenir compte d'autres phénomènes dont l'exclusion anionique qui peut fortement modifier les transferts d'anions en milieu poreux (en accélérant les flux d'anions dans certains systèmes microporeux et en leur interdisant l'accès à des pores où ils pourraient autrement se fixer dans le cadre de phénomènes de rétention chimique)Bresler, Eshel, Anion exclusion and coupling effects in nonsteady transport through unsaturated soils. I. Theory ; Soil Science Society of America Proceedings (1973), 37(5), 663-9 ; . English.. Il est attribué à une répulsion électrostatique induite par la charge négative des surfaces solides ; elle est aussi décrite par une théorie dite « diffusive double-layer theory ». Les modèles de diffusion dans les argiles profondes doivent aussi intégrer les processus de réactivité chimique des argiles...

Les considérations précédentes partent incidemment du principe que tous les atomes radioactifs stockés sont sous forme de composés solubles dans l'eau. Cependant le réacteur nucléaire naturel d'Oklo (Afrique) qui a fonctionné des centaines de milliers d'années durant il y a près de deux milliards d'années, montre que le plutonium n'a migré que sur quelques décimètres avant de s'être complètement transmuté en uranium, ce qui a dû prendre quelque environ. L'étude des minéraux naturels montre par ailleurs que des cristaux comme le zircon traversent des ères géologiques entières, et des cycles orogéniques de durée comparable, en restant inaltérés. Or, ils peuvent contenir de l'uranium, partiellement transformé en plomb. Le césium, dont on pensait qu'il pouvait migrer facilement, est immobilisé dans des minéraux tels que la rhodizite. Il est ainsi clair que la chimie géologique apporte des garanties de confinement pour des durées de l'ordre du milliard d'années, sachant que seulement quelques milliers d'années suffisent pour traiter les déchets ultimes artificiels.

Les eaux d'infiltrations peuvent modifier les propriétés microstructurales des ciments. On observe une dégradation de la microstructure, de la porosité et de l'élasticité des échantillons en contact..

Sûreté du stockage géologique thumb|right|200px|Barrières naturelles du stockage

Un site de stockage de déchets radioactifs peut entraîner plusieurs types de risques, nécessitant des réponses de natures variéesLe cycle électronucléaire : de la fission aux nouvelles filières École Internationale Joliot Curie 2006 (Liste des cours): Des individus peuvent s'introduire sur le site. Ils peuvent être mis en danger et provoquer des dégâts. Des terroristes (terme générique) peuvent tenter de voler des colis de déchets, dans le but d’en disséminer la radioactivité. Les colis de déchets se dégradent avec le temps, conduisant à une dissémination de la radioactivité dans la géosphère. Des modifications géologiques à long terme peuvent perturber le site et en mobiliser le contenu. Les colis dégagent de l'hydrogène par radiolyse (voir Gaz dans les centres de stockage souterrains de déchets radioactifs), ce qui pose à terme le problème de la maîtrise du risque d'incendie...

Les calculs de sûreté d'un stockage font appel à des notions probabilistes. Comme pour tout risque, deux paramètres sont déterminés pour évaluer les conséquences probables d'un événement (intrusion humaine, venue d'eau plus importante que prévu, séisme, glaciation, etc.) : la probabilité d'occurrence de l'événement en question ; la gravité des conséquences de l'occurrence d'un tel événement.

Là encore, l'étude de l'activité sur plusieurs siècles voire millénaires (archéosismologie) est importante. Le dimensionnement du stockage répond alors à la contrainte d'un impact sur la biosphère inférieur aux normes en vigueur. L'hydrométrie des galeries conditionne l'oxydation des matériaux, ce qui influe sur la production de gaz (hydrogène, méthane...)

Perspectives et prospective à court, moyen et long termes Le concept de stockage géologique en couche profonde est présenté comme étant un mode de gestion ne contraignant pas les générations futures sur la base des déchets actuellement produits. Selon les pays, les stockages projetés ou en exploitation sont réversibles ou irréversibles.

À plus long terme, ce stockage géologique permettrait aussi, selon ses promoteurs, d'anticiper d'éventuels bouleversements de la société : il resterait sûr même en cas d'oubli du site et d'arrêt de la surveillance. C'est un concept passif dont la sûreté ne dépend pas de l'action des générations futuresUne contre-expertise indépendante menée en France sur l’évaluation socio-économique de Cigéo a d’ailleurs démontré que c’est ce qui rend cette solution préférable à toutes les autres en termes économiques car elle intègre l’éventualité que survienne un jour une catastrophe majeure affectant société et institutions et que l’existence du stockage et la conscience de sa dangerosité finissent alors par être oubliées (Guillaume Guichard, « Stockage des déchets nucléaires: le scénario du chaos, l’argument clé en faveur de Cigéo », Le Figaro, 15 septembre 2021)..

Pour ses opposants (notamment les organisations écologistes à l'échelle européenne), l'exemple de la mine d'Asse qui a été sujet à des infiltrations entraînant une contamination nucléaire du milieu environnant prouve que le stockage des déchets par enfouissement présente des risques importants.