Contribution à l'étude de mélange en pellets composé d'argilite COx et de bentonite MX80 pour le remplissage des stockages géologiques

Contribution to the study of pelletized mixture composed of COx argillite and MX80 bentonite as backfill for geological repositories

• Auteur / Autrice : Danai Panagiota Tyri
• Direction : Irini Djeran-Maigre, Jean-Claude Robinet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 07/01/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEOMAS - Géomécanique Matériaux Structure, EA 4126 (Lyon, INSA.) - Géomécanique- Matériaux et Structures / GEOMAS
• Jury : Président / Présidente : Daniel Levacher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Irini Djeran-Maigre, Jean-Claude Robinet, Daniel Levacher, Philippe Cosenza, Christophe Lanos, Polyxeni Kallioglou, Frédéric Plas, Jad Zghondi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Cosenza, Christophe Lanos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terrassement

Combustibles nucléaires irradiés -- Stockage

Mots clés libres

Génie civil

Pellets

Granulométrie

Méthode des éléments discrets

Argilite

Bentonite

Capacité de gonflement

Conductivité hydraulique saturée

Pelletisation

Stockage géologique

Remblai

Civil engineering

Pellets

Grain size

Discrete element method

Claystone

Bentonite

Swelling capacity

Saturated hydraulic conductivity

Pelletizing

Underground storage

Embankments

Résumé

Lors de la fermeture du stockage géologique des déchets radioactifs, l’ensemble des galeries souterraines sont remblayées et localement des scellements sont installés pour limiter la circulation de l’eau dans les ouvrages. Pour le remblaiement des galeries de Cigéo, l'argilite du Callovo-Oxfordien (COx) remaniée, mélangée avec de la bentonite (MX80) est envisagée par l’Andra. Différentes solutions d'installation sont à l'étude et en particulier la forme de granules (pellets), une solution qui pourra offrir des avantages opérationnels. L’assemblage de pellets est mis en place dans des galeries à l'état sec. Cette structure granulaire est progressivement homogénéisée par le gonflement lors de l'hydratation par l’eau issue de la roche encaissante. Cette thèse se concentre sur la détermination et la fabrication de mélanges de pellets, ainsi que l'évaluation de son comportement hydromécanique. La granulométrie des pellets est choisie pour aboutir à la densité de mise en place la plus élevée possible, qui est caractérisée comme étant la granulométrie optimale. Le mélange COx/MX80 doit produire un comportement hydromécanique adéquat de manière à reprendre les vides technologiques inhérent à la mise en place, et à long terme, réduire le déplacement des blocs de revêtements lors de la rupture de celui-ci. L’objectif est de limiter un endommagement de la roche environnante. Des dépôts gravitationnels sont réalisés numériquement et expérimentalement, pour étudier la compacité d'un matériau granulaire, sans compactage mécanique. Des simulations utilisant la méthode des éléments discrets étudient l'effet granulométrique sur la densité de la mise en place, définissant un fuseau optimal. Des expériences supplémentaires sont menées pour évaluer et finaliser la sélection granulométrique qui maximise la densité du mélange. Les études examinent l'effet de paramètres supplémentaires (protocole de mise en place, frottement inter-particules, hauteur de dépôt,…) sur la compacité. La pelletization sur la base de la granulométrie choisie est réalisée pour la première fois sur des mélanges COx/MX80. La méthode de compression est appliquée en utilisant une machine à comprimés reconditionnée. La fabrication des pellets et l’optimisation de la production est analysée. Le comportement hydromécanique des mélanges COx/MX80 est étudié expérimentalement par des essais d'infiltration à volume libre et constant. Une étude paramétrique sur mélanges COx/MX80 en poudre est menée pour caractériser les propriétés physico-chimiques et évaluer leur capacité de gonflement aux densités attendues à la mise en place. En revanche, l'ensemble des pellets finalisé avec diverses compositions est directement testé en termes de pression de gonflement et de conductivité hydraulique.

The safe operation of the geological disposal facilities for radioactive waste indicates the galleries progressive closure, by installing sealing and backfill materials. The French disposal concept examines the crushed excavated Callovo-Oxfordian (COx) claystone with bentonite additive (MX80) as backfill material. One of the ongoing studied backfill solutions considers the pelletized implementation of the mixture, due to potential set-up advantages. The pelletized mixture is emplaced inside the galleries at dry state, presenting initially a granular structure, gradually homogenised, due to swelling upon hydration from the groundwater of the surrounding rock. Objective of the PhD thesis is the determination and manufacturing of the pelletized mixture, as well as the analysis of its hydro-mechanical behaviour. The pelletized granulometry is selected to result in the highest possible packing density, defining the optimum grain size distribution (GSD). The implemented COx/MX80 backfill needs to present hydro-mechanical properties capable of limiting the voids after the saturation on the drift as well as blocking the concrete movement when liners cracking will occur in the long-term. Numerical and experimental gravitational deposits are conducted, to study the compactness of a granular material, without mechanical compaction. Simulations using the Discrete Element Method (DEM) investigate the granulometric effect on the granular material’s packing state, determining an optimum GSD. Supplementary experiments are used to evaluate and finalise the granulometric selection maximising the resulting density. Both studies investigate the effect of additional parameters (implementation protocol, inter-particle friction, deposit height,…) on the packing state. The pelletization of the selected GSD is performed for the first time on COx/MX80 powdered mixtures, by applying the compression method on a reconditioned tablet machine. The process is analysed to successfully fabricate pellets and optimise the challenging pellet production. COx/MX80 mixtures hydro-mechanical behaviour is experimentally investigated by performing infiltration tests under free and confined volume conditions. A parametric study on various powdered mixtures is conducted to characterise the materials physicochemical properties and evaluate their swelling capacity at densities expected on the backfill implementation. On the other hand, the finalised pellets assembly on various compositions is directly tested in terms of swelling pressure and hydraulic conductivity.