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Technical Report NTB 16-07

Gas Transport and related Chemo-Hydro-Mechanical Response of Sand Bentonite Mixture

Ordre

  • version papier, anglais
    20,00 CHF

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Selon la Loi sur l’énergie nucléaire, tous les types de déchets radioactifs produits en Suisse doivent être stockés dans des dépôts géologiques profonds. Le programme suisse de gestion des déchets radioactifs prévoit d’une part un dépôt pour déchets de haute activité (dépôt DHA) destiné à accueillir les éléments combustibles usés, les déchets de haute activité vitrifiés et les déchets de moyenne activité à vie longue et, d’autre part, un dépôt pour les déchets de faible et de moyenne activité (DFMA). Dans les deux cas, l’Argile à Opalinus a été définie comme roche d’accueil préférentielle. Pour le dépôt DFMA, une profondeur comprise entre 300 et 700 mètres sous la surface du sol a été jugée favorable (Nagra 2014).

L’architecture du dépôt DFMA repose sur un concept multi-barrières, composé du système de barrières ouvragées et des barrières géologiques. Les matériaux entrant dans la composition des barrières ouvragées doivent assurer les fonctions de sûreté à long terme requises (isolement physique des déchets, stabilité à long terme, confinement, retardation et rétention des radionucléides). Les mélanges sable/bentonite comprenant une faible part de bentonite (c’est-à-dire de 20 à 30 %) sont considérés comme un matériau de remblayage et de scellement adapté pour les structures souterraines. Dans le dépôt DFMA, ils constituent la principale composante de ce que l’on désigne par le terme de « Engineered Gas Transport System » (système ouvragé de transport des gaz, EGTS) (Nagra 2008a). Dans ce contexte, l’EGTS a pour objectif d’augmenter la capacité de transport des gaz dans les structures souterraines remblayées, sans affecter la capacité du système de barrière ouvragées à retenir les radionucléides.

La compréhension et la quantification des phénomènes hydro-mécano-chimiques (HMC) qui gouvernent le transport de l’eau et du gaz dans le mélange sable/bentonite 80/20 est cruciale pour assurer la sûreté du dépôt DFMA, à court comme à long terme. Le présent travail de recherche est consacré à la caractérisation expérimentale des mélanges sable/bentonite aux niveaux microscopique et macroscopique, en suivant une approche courante dans le domaine de la mécanique des sols.

Au niveau macroscopique, des tests de gonflement libre et confiné ont été réalisés avec des échantillons compactés à différentes densités, soit secs, soit imbibés de solutions porales présentant différentes compositions chimiques. Des tests de gonflement confiné avec contrôle de la succion ont été effectués pour déterminer la courbe de rétention d’eau, ainsi que la relation succion-pression de gonflement, pour deux densités différentes. La capacité de rétention d’eau a été déterminée pour une large plage de variation de la succion. La perméabilité à l’eau du mélange a été mesurée en conditions saturées, pour une large gamme de densités de compaction et en utilisant différents fluides poraux. La relation entre la perméabilité non-saturée à l’eau et le degré de saturation a été déterminée pour deux densités sèches ciblées.

Des tests d’injection de gaz dans le mélange ont été réalisés en conditions saturées et non-saturées. Deux configurations expérimentales différentes ont été choisies pour étudier l’influence de la méthode utilisée pour la préparation des échantillons, ainsi que la manière dont les conditions-cadres affectent la perméabilité au gaz et la pression critique d’ouverture. Une cellule triaxiale performante, équipée d’un système de balayage laser pour la mesure des déformations radiales, a permis d’analyser la variation de volume du mélange pendant l’injection de gaz.

Les résultats montrent que la pression de gonflement et la conductivité hydraulique saturée dépendent de la succion matricielle appliquée et de la composition chimique de l’eau interstitielle. En particulier, pour une faible densité sèche, le mélange en contact avec les solutions aqueuses perd la plus grande part de sa capacité de gonflement, ce qui cause une forte augmentation de la conductivité hydraulique saturée. Pour une densité sèche plus élevée, la capacité de gonflement du mélange est mieux préservée et la conductivité hydraulique reste ainsi relativement basse. Dans les courbes de rétention d’eau du mélange, deux zones distinctes ont pu être identifiées: la première lorsque la succion est forte et où la courbe ne dépend pas de l’indice des vides, et la seconde lorsque la succion est faible et où la courbe est cette fois affectée de façon significative par l’indice des vides.

Finalement, une description approfondie de la microstructure a été réalisée au moyen de la porosimétrie à intrusion de mercure et d’un microscope à balayage électronique haute résolution. Ceci a permis de faire le lien entre le comportement HMC observé à l’échelle du laboratoire et l’évolution des différents réseaux de pores au cours d’un cycle de mouillage-séchage. La transition d’une structure double à une structure simple a été clairement mise en évidence lors du mouillage. Ce processus explique l’évolution de la pression de gonflement, ainsi que la réduction significative de la perméabilité au gaz lors du mouillage. Une relation spécifique est proposée pour déterminer, à n’importe quel état hydro-mécano-chimique, la densité sèche relative de la bentonite en fonction du pourcentage de bentonite contenu dans le mélange. Ceci permet de comparer les données sur le gonflement d’autres matériaux dans la composition desquels la bentonite intervient dans des proportions différentes. Les analyses microstructurelles permettent aussi de déterminer une expression décrivant la perméabilité géométrique du mélange sous différents chargements HMC. Grâce à la relation proposée, il est possible d’identifier la contribution des différentes familles de pores au transport de l’eau et du gaz au travers du milieu poreux actif.

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