Impact de la variation de la porosité sur le transport diffusif : Expérimentation versus Simulation

Diffusion of radionuclides in unbalanced physical-chemical conditions through indurated clay rocks : experiments versus simulation

• Auteur / Autrice : Ikram Fatnassi
• Direction : Philippe Gouze
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 17/12/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Pezard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Gouze, Philippe Pezard, Lionel Mercury, Vincent Lagneau, Sébastien Savoye, Georg Kosakowski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Mercury, Vincent Lagneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation

Stockage souterrain

Porosité

Déchets radioactifs

Mots clés libres

Simulation

Expérimentation

Stockage

Déchets nucléaires

Colmatage

Variation de la porosité

Simulation

Management nuclear waste

Experiments

Clogging

Porosity change

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le cadre des études sur le stockage des déchets radioactifs HA/MAVL en couches géologiques profondes. L’objectif est de tester la capacité des codes couplés chimie-transport à prendre en compte l’impact des variations de porosité sur le transport des solutés, et ce, en concevant des expériences de diffusion colmatage/dissolution les plus simples possibles, pour limiter au maximum le nombre de degrés de liberté du système.Pour ce faire, des montages expérimentaux de type « diffusion traversante » ont été adaptés pour l’étude de différents milieux poreux de complexité croissante : du sable compacté, des frittés de verre, de la craie, du grès jusqu’aux matériaux proches de ceux envisagés dans le cadre d’un stockage, les argilites de Tournemire. En même temps qu’une expérience de diffusion de traceur inerte, des réactions de précipitation (oxalate de calcium, gypse ou barytine) ou de dissolution (attaque acide de la craie) ont été réalisées, de manière à évaluer leur influence sur le flux diffusif de ces traceurs. En fin d’expérience, les milieux poreux et les précipités ont été caractérisés par MEB-EDS. Enfin, ce large jeu de données a permis de tester un des codes de chimie-transport utilisé dans cette thèse, le code Crunch. Les résultats obtenus à partir des premières expériences de diffusion/colmatage réalisées au travers des sables et des frittés de verre tendent à démontrer que le premier montage expérimental utilisé n’était pas adapté à ces milieux poreux très perméables. Les courbes de flux sont en effet très bruitées, et les observations des solides au MEB ne révèlent pas l’existence d’un front de précipité, comme attendu, mais seulement de nouvelles phases éparpillées au sein des milieux poreux. Ceci est à mettre en lien avec de possibles écoulements parasites de solution lors des prélèvements.En revanche, les expériences réalisées au travers de la craie, qui est plus imperméable, n’ont pas été entachées par ces artefacts. Dans ce cas, il a été clairement observé au MEB un front de précipitation au sein de la craie, dont l’effet sur les flux diffusifs de traceurs de l’eau (HTO ou HDO), est plus ou moins important suivant le type de précipité. Ainsi, d’un côté, la cellule avec précipitation de barytine est impactée dès le départ par le colmatage, avec une baisse continue du flux de HDO, qui peut être jusqu’à 40 fois plus faible que le flux mesuré dans le milieu poreux sain. En revanche, la cellule avec précipitation de gypse est impactée beaucoup plus tardivement par le colmatage (70 jours après le lancement de l’expérience), et de manière moins marquée, avec des valeurs de flux baissant d’un facteur 3 par rapport à celles mesurées dans le milieu sain. Tout ceci tend à suggérer que l’efficacité du colmatage est plus liée à la nature du minéral qu’à la quantité précipitée, la barytine étant probablement plus dense et moins poreuse que le gypse. En plus, après plus de deux mois d’expérience, le flux de HTO de la cellule contenant l’échantillon d’argilite de Tournemire ne montre aucun impact en lien avec l’éventuelle précipitation de gypse, ce qui est cohérent avec les très faibles coefficients de diffusion mesurés dans cette roche. En outre, pour les frittes de verre, on a vu un léger effet de la précipitation de la barytine sur la diffusion. En ce qui concerne la simulation, les premiers essais réalisés avec Crunch n’ont pas permis de reproduire les résultats expérimentaux, particulièrement ceux issus de l’expérience de diffusion/précipitation de barytine. Ceci peut s’expliquer par la façon dont sont prises en compte les lois cinétiques dans le code, mais plus probablement par la formulation de facto trop empirique de la loi d’Archie, utilisée pour relier l’évolution du coefficient de diffusion à celle de la porosité

This phD is in the frame of nuclear waste storage . The purpose is to test the ability of coupled chemical transport code to study the impact of porosity changes on solute transport, by designing clogging/dissolution experiments .To do this, experimental setups "through-diffusion" have been adapted to study the various porous media with increasing complexity: the compacted sand, glass frit , the chalk, sandstone close up to the materials used in the context of a storage, argillites Tournemire. Together with an inert tracer, diffusion experiment, precipitation reactions (calcium oxalate, gypsum or barite) or dissolution (acid attack chalk) were performed to assess their influence on the diffusive flux of these tracers. At the end of experience, the porous media and precipitates were characterized by MEB-EDS. Finally, this large data set was used to test one of the coupled chemical transport codes used in this phD, the Crunch code. The results from the first diffusion / clogging experiments performed through sand and glass frits show that the first experimental setup was not suited to such highly permeable porous media. The flux Curves are very noisy, and SEM observations do not reveal the existence of a precipitate front, as expected, but only new scattered phases in porous media. This is due to possible parasitic flow solution during sampling. In contrast, experiments through the chalk, have not been touched by these artifacts. In this case, it was clearly observed by SEM a precipitated front within the chalk, the effect on diffusive flux of water tracers (HTO and HDO) is more or less important depending on the type of precipitate. Thus, on the one hand, the cell with barite precipitation is impacted from the start by clogging , with a continued decrease of the HDO flux , which can be up to 40 times lower than the flux measured in the porous media without clogging. However, the cell with gypsum precipitation is affected much later by the clogging (70 days after the start of the experiment), and less markely, with flux values lowering a factor of 3 compared to those measured in healthy environment. All this tends to suggest that the efficiency of the clogging is more related to the nature of mineral than the precipitated amount, barite is probably denser and less porous than gypsum. In addition, after more than two months of experience, the HTO flux of the cell containing the Argilite Tournemire sample shows no impact related to the possible gypsum precipitation, which is consistent with the very low diffusion coefficients measured in this rock. In addition, for glass frits, there has been a slight effect of the barite precipitation on the flux. With regard to the simulation, the tests carried out with Crunch did not permit to reproduce the experimental results, particularly those from the diffusion / precipitation barite experiment. This can be explained by the way are considered kinetic laws in the code, but more probably to empirical formulation of the Archie law, used to link the evolution of diffusion coefficient with the porosity .