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Technical Report NTB 04-01

Grimsel Test Site Investigation Phase V Modelling the Transport of Solutes and Colloids in a Water-Conducting Shear Zone in the Grimsel Test Site

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  • version papier, anglais
    40,00 CHF

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Ce rapport décrit la modélisation du transport des solutés et des colloïdes dans un système expérimental qui comporte un champ d’écoulement généré par un dipôle artificiel dans une zone de cisaillement conductrice d’eau et qui fut mis en place au Laboratoire Souterrain de Grimsel (GTS Nagra) au milieu des Alpes suisses. Le travail de modélisation fait partie du projet Retardement des Colloïdes et des Radionucléides (CRR); celui-ci comprend une série d’expériences de terrain, des études complémentaires en laboratoire, ainsi que des exercices de modélisation. Quatre groupes indépendants représentant différentes organisations ou instituts de recherche ont contribué à la modélisation, chaque groupe employant sa/ses propre(s) approche(s). Seul le travail mené à l’Institut Paul Scherrer (PSI) est décrit dans le présent rapport.

La bentonite est fréquemment considérée comme matériau de remblaiement pour les déchets radioactifs et chimiques. Hors ce même matériau pourrait être la source de colloïdes et affecter le transport des radionucléides issus d’un dépôt géologique pour déchets radioactifs. Le projet CRR a pour but principal de mieux comprendre le retardement des radionucléides in situ, en présence de colloïdes de bentonite, dans un système analogue à celui qu’on trouve dans un dépôt géologique, à l’interface du champ proche et de la géosphère.

Les expériences de transport ont été réalisées en injectant différents cocktails de traceurs, dans la tige d’injection du dipôle et en mesurant les courbes de percée résultantes ; certains de ces cocktails comprenaient des colloïdes de bentonite. Les exercices de modélisations ont d’une part accompagné la planification des expériences principales, d’autre part ils ont contribué à l’interprétation des résultats. Trois types de modèles ont été utilisés dans la présente étude, à savoir un modèle 1-D d’advection-dispersion similaire à celui développé antérieurement pour l’expérience de Migration GTS (MI), un modèle 2-D d’advection-dispersion, et un modèle de dispersion non fickienne CTRW (continuous time random walk). Les modèles 1-D et 2-D traitent la dispersion comme un processus de diffusion obéissant à la loi de Fick ; ils considèrent également la diffusion des solutés dans la matrice ainsi que la sorption des solutés à la surface de la matrice poreuse comme mécanismes de retardement. Dans tous les trois modèles les colloïdes n’ont pas accès à la matrice poreuse. Quant au modèle CTRW, il permet de traiter la dispersion de manière plus générale, mais il ne considère pas, présentement, la diffusion dans la matrice ; il n’a donc été appliqué qu’au transport des colloïdes.

Lors de la modélisation des tests préliminaires qui ont servi à la préparation des principales expériences du projet CRR, les modèles 1-D et 2-D d’advection-dispersion comprenant la diffusion dans la matrice ont bien su reproduire l’évolution des traceurs transportés comme espèces aqueuses en utilisant un set de paramètres raisonnable et consistant. La percée des colloïdes, par contre, n’a pas pu être simulée de façon satisfaisante avec ces mêmes modèles. Différentes explications ont été proposées, parmi elles, la dispersion non fickienne semble la plus probable. En effet le modèle CTRW capable de simuler la dispersion non fickienne reproduit adéquatement le transport des colloïdes avec un set de paramètres consistant.

Grâce aux exercices de modélisation préliminaires, les courbes de percée de l’Am, du Pu, du Np, de l’U et du Cs obtenues lors des expériences principales ont pu être prédites pour les deux cas de l’addition ou non de colloïdes de bentonite au cocktail d’injection. Les mesures expérimentales confirment l’hypothèse du modèle, à savoir qu’au moins une partie des inventaires de l’Am, du Cs, du Pu et du Th injectés migre en association avec les colloïdes de bentonite. Les écarts entre prédictions et mesures révèlent, de plus, que l’Am, le Pu et le Th sont transportés sous forme de colloïdes, même lorsqu’ aucun colloïde de bentonite n’a été ajouté au cocktail d’injection. L’addition de colloïdes de bentonite augmente pourtant la récupération de ces traceurs. La caractérisation des colloïdes dans les cocktails d’injection qui n’était pas disponible au moment des prédictions a même permis d’affiner le modèle et d’ajuster les calculs aux courbes de percée mesurées.

Toutefois, l’expérience CRR et la présente étude de simulation comptent un certain nombre de limitations. Il est par exemple possible que la dispersion non fickienne affecte le transport des solutés comme celui des colloïdes. La modélisation des courbes de percée ne permit pas de discriminer entre l’effet de la dispersion non fickienne et celui de la diffusion dans la matrice. Si effectivement il y a dispersion non fickienne, la valeur des paramètres qui ont été déduits pour l’analyse de sûreté à partir des expériences de traçage s’en trouvent affectés (spécialement les coefficients de sorption). C’est pourquoi il faut considérer avec une précaution particulière les valeurs qui ont été déduites de modèles d’advection-dispersion s’ils considèrent la diffusion dans la matrice et la dispersion fickienne.

Les approches de modélisation utilisées dans la présente étude ne sont pas directement applicables à des questions d’analyse de sûreté et les implications directes des résultats de cette étude pour l’analyse de sûreté sont limitées. On peut cependant dire que l’étude a démontré que la bentonite et d’autres colloïdes pouvaient être très mobile dans un système pour le moins comparable à ceux qui sont considérés pour l’analyse de sûreté. De cette étude il ressort également que les colloïdes de bentonite pourraient possiblement affecter le transport des radionucléides relevants pour la sûreté sur des échelles temporelle et spatiale plus étendues que celles étudiées ici.

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