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Technical Report NTB 02-13

Redox Conditions in the Near Field of a Repository for SF/HLW and ILW in Opalinus Clay

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  • version papier, anglais
    20,00 CHF

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La description des conditions redox dans le champ proche d'un dépôt pour déchets radioactifs est un aspect important, mais problématique, des analyses de sûreté. Les potentiels redox sont subordonnés aux aspects thermodynamiques aussi bien que cinétiques des réactions d'oxydoréduction, dont certaines n'ont pas encore été cernées de manière satisfaisante. Ceci conduit à des incertitudes considérables concernant les conditions redox dans l'environnement du dépôt, et souvent à des simplifications exagérées dans le cadre des analyses de sûreté, aboutissant à qualifier d'une façon générale les conditions d'"oxydantes" ou de "réductrices". La présente étude aborde les conditions redox par le biais d'une approche holistique prenant en compte toutes les sources d'information pertinentes. Cette approche est appliquée au champ proche de deux types de dépôts envisagés dans le cadre du programme suisse de gestion des déchets hautement radioactifs: le dépôt pour assemblages combustibles usés et déchets de haute activité (AC/DHA) et le dépôt pour déchets de moyenne activité à vie longue (DMAL). Bien que ces deux environnements présentent certaines différences (remplissage de bentonite dans un cas, ciment dans l'autre), les procédures qui permettent de décrire les conditions redox sont similaires. Ainsi, dans les deux cas, nous commençons par décrire l'architecture de dépôt et les propriétés des matériaux du champ proche. La durée de la phase oxique initiale est ensuite évaluée à l'aide de cas limites. La majeure partie de cette étude est axée sur les relations thermodynamiques et les processus cinétiques qui se déroulent dans le système de barrières ouvragées une fois que l'oxygène a disparu. Enfin, en combinant toutes les informations obtenues, il est possible de déduire des valeurs réalistes pour les potentiels redox à long terme et les incertitudes qui leur sont liées.

AC/DHA

A l'issue d'une phase oxique initiale relativement courte (< 100 ans), les conditions régnant dans le remplissage de bentonite deviennent réductrices. Sur la face interne de la barrière de bentonite, la corrosion de l'acier, en produisant de grandes quantités de magnétite, aura un impact important sur les potentiels redox. Sur la face externe, c'est le milieu réducteur des Argiles à Opalinus qui sera déterminant.

L'écart important entre les mesures Eh obtenues – de -100 mV à -300 mV (SHE, Standard Hydrogen Electrode) pour la phase anoxique – est dû principalement aux incertitudes qui subsistent quant au pH de l'eau interstitielle. Les calculs effectués suggèrent que l'incertitude relative aux phases de Fe(III)-Fe(II) est moins importante pour la dérivation des potentiels redox. Les potentiels redox calculées sont compatibles avec les données expérimentales récentes concernant la réduction de U(VI), Tc(VII) et Se(VI/IV).

L'impact possible d'une pression d'hydrogène élevée sur les potentiels redox n'a pas été abordé dans le cadre de cette étude, en l'absence de données expérimentales concluantes sur la réactivité de H2(g) dans la bentonite. Ceci vaut également pour les phases de silicate riches en Fe(II), qui peuvent jouer un rôle à l'interface colis de déchets–bentonite, bien que leur influence sur les potentiels redox soit probablement limitée. Pour les analyses de sûreté à venir, il serait utile de disposer de données expérimentales supplémentaires à ce propos. 

DMAL

Les DMAL sont composés de déchets hétérogènes, provenant des opérations de retraitement et immobilisés dans une matrice de ciment. On distingue deux groupes, les DMAL-1 et DMAL-2, stockés à des emplacements distincts. Ces deux groupes sont analysés séparément du fait qu'ils contiennent des matériaux dont la sensibilité aux processus redox est très différente.

Après la disparition relativement rapide de l'oxygène résiduel, les conditions régnant dans le dépôt DMAL-1 resteront réductrices. Le potentiel redox sera alors principalement influencé par la corrosion de l'acier, qui produit un mince film de magnétite à la surface du métal. Sur la base des calculs d'équilibre sur Fe(III)/Fe(II), les potentiels redox dérivés pour la phase réductrice se situent entre -750 et -230 mV (SHE). Les conditions redox dans le dépôt DMAL-2 seront probablement assez similaires. Toutefois, si de hautes concentrations de nitrates subsistaient sur de longues périodes, il est possible que les valeurs Eh atteignent +350 mV (SHE).

Il subsiste d'importantes incertitudes relatives aux potentiels redox dans l'eau interstitielle, dues principalement à l'absence de données expérimentales solides sur la formation de phases au cours de la corrosion de l'acier sur de longues périodes, et à des connaissances insuffisantes sur les phases du ciment riches en fer. De plus, on manque de données précises sur la dégradation microbienne des matières organiques; toutefois, on suppose que celle-ci aurait un impact réduit. En présence d'une dégradation importante de matières organiques, on peut s'attendre d'une manière générale à des potentiels redox plus bas, ce qui serait également le cas si l'hydrogène produit par le processus de corrosion s'avérait plus réactif qu'on ne le suppose habituellement.

Afin de mieux appréhender les processus redox, il serait nécessaire de disposer de données expérimentales supplémentaires concernant la corrosion de l'acier dans des conditions alcalines et l'identification des phases riches en fer dans un dépôt contenant du ciment. De même, il serait utile d'effectuer des expériences sur le comportement de radioéléments sensibles aux processus redox, tels que U, Tc et Np, dans un environnement comportant du ciment.

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