CHAPITRE 4 Présentation des résultats expérimentaux et des paramètres matériaux
4.4 Données expérimentales tirées de la littérature
4.4.1 Mesures de coefficient de diffusion
Dans les travaux de B. Gwinner, [2], [16] et [36], des mesures de coefficient de diffusion et de porosité sont disponibles. Des essais de lixiviation ont été menés avec différentes activités pour la solution de lixiviation afin d’obtenir différents états finaux de matériaux. Les mesures sont effectuées sur des enrobés, non radioactifs, spécialement produits en laboratoires en suivant les processus industriels des bitumes produits à La Hague (STE2 et STE3). Ces mesures de coefficient de diffusion sont corrélées avec une mesure de porosité atteinte en surface qui sont réalisées à partir d’analyse par Microscopie Electronique à Balayage en mode Environnemental – MEBE – des échantillons d’enrobés bitumineux lixiviés. Les résultats sont présentés Figure 4.7.
Figure 4.7 - Estimation du coefficient de diffusion effectif de l'eau (HTO) dans les enrobés bitumés STE3 dégradés sans connexion pour différentes activités chimiques de l'eau du lixiviat. (Source : Thèse de B.Gwinner, 2004 [2],
tableau IV-7)
Lorsque l’activité de la solution de lixiviation augmente, alors la porosité atteinte en surface augmente également. Comme il s’agit d’échantillon dont la lixiviation est complète, alors la porosité en surface est a
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~priori représentative de la porosité en tout point de l’échantillon. L’analyse des mesures de coefficient de
diffusion met en évidence un couplage avec le niveau de porosité atteint dans l’échantillon. Plus la porosité est importante plus le coefficient de diffusion est grand. Ces mesures sont utilisées pour sélectionner la loi de variation du coefficient de diffusion effectif : cf. 3.4.4.1.
En plus des mesures de coefficient de diffusion de l’eau tritiée (HTO) dans les échantillons d’enrobé bitumineux, des mesures complémentaires permettent de mieux comprendre les mécanismes qui entrent en jeu. Il s’agit notamment des mesures de coefficient de diffusion de l’eau tritiée dans l’eau et dans le bitume pur ainsi que des mesures de coefficient de diffusion pour le césium et le sodium dans les mêmes media – l’eau, le bitume pur et un enrobé bitumineux non lixivié. Ces mesures sont présentées dans le Tableau 4.6.
Tableau 4.6 - Tableau issu de [52]. "Diffusion coefficients of water and cesium in respectively, water (Cussler,1997; Erdey-Gruz, 1974) and bitumen (Gwinner, 2004)”. Données de la dernière colonne issues de [2].
Espèces chimique Coefficient de diffusion dans l’eau
Coefficient de diffusion effectif dans
le bitume
Coefficient de diffusion effectif dans un enrobé
STEL non lixivié
Eau tritiée (HTO) 1,93 . 10−9 𝑚2. 𝑠−1 1 . 10−15 𝑚2. 𝑠−1 3 . 10−14 𝑚2. 𝑠−1
Césium 2,05 . 10−9 𝑚2. 𝑠−1 < 1 . 10−18 𝑚2. 𝑠−1
Sodium 1 . 10−17 𝑚2. 𝑠−1 3 . 10−16 𝑚2. 𝑠−1
Tout d’abord, on note que le coefficient de diffusion de HTO dans l’eau est six ordres de grandeur plus importants que dans le bitume pur. Pour les ions césium, l’écart est porté à plus de 9 ordres de grandeur – la valeur du coefficient de diffusion du césium dans le bitume pur est trop faible pour être mesurée, il est considéré inférieur au seuil de mesurabilité qui correspond à 1.10−18𝑚2. 𝑠−1 . Cela permet de mettre en
évidence la forte capacité du bitume à contenir des éléments chimiques. Le coefficient de diffusion du sodium dans le bitume pur est lui de 1 . 10−17 𝑚2. 𝑠−1, soit deux ordres de grandeurs plus faibles que celui
de HTO mais au moins un ordre de grandeur plus important que celui du césium. Pour expliquer ces écarts on peut formuler l’hypothèse selon laquelle la taille des espèces diffusantes impacte significativement leur diffusivité dans le bitume. Par ailleurs, les mesures effectuées avec un échantillon d’enrobé bitumineux STEL non lixivié permettent de mettre en évidence une diffusivité pour HTO et le sodium, trente fois plus importante que dans le bitume pur. La présence des cristaux de sel a donc un impact significatif sur le transport des éléments chimiques dans le matériau. Comme les cristaux de sel ne contribuent a priori pas directement à l’accélération des phénomènes diffusifs, il est possible d’en déduire que leur présence impacte la microstructure du matériau. Une des interprétations possible, est l’existence d’une microporosité dans l’enrobé bitumineux induite par la présence des cristaux de sel. Ce point est développé au paragraphe. 5.5.
Des mesures de coefficient de diffusion ont été réalisées sur un enrobé bitumineux de composition identique au STE3 produit à la Hague nommé « COGEMA », car produit par l’entreprise COGEMA au moment de la campagne expérimentale (actuellement Orano). Ces mesures ont été réalisées par une équipe de chercheurs Japonais en 2003 [5]. Dans ces travaux, les mesures de coefficients de diffusion dans l’enrobé STE3 sont comparées aux mesures réalisées par [61] sur des enrobés Japonais produits par « Kansai Electric », ainsi qu’aux mesures réalisées par [62] sur des enrobés bitumineux belges – Eurobitume R8/40. L’ensemble des résultats expérimentaux sont présentés Figure 4.8. Dans ces travaux, deux paramètres sont étudiés :
L’impact de la température (température ambiante, 23°C, 40°C, …) La nature du lixiviat (eau dé-ionisé, eau cimentaire, eau de site)
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~Figure 4.8 - Coefficient de diffusion de différents ions obtenues à partir d'essais de lixiviation d’échantillons d’enrobés bitumineux. [5]
Pour étudier l’impact de la température, les mesures sont réalisées à 23°C et à 40°C dans les travaux de [62] et à 25°C et 45°C dans les travaux de [5]. Les résultats mettent en évidence une influence de la température : les mécanismes diffusifs semblent accélérés par la montée en température. Ainsi, pour l’Eurobitume R85/40, le coefficient de diffusion de l’ion sodium - 𝑁𝑎+ - passe de 1,4.10−13 𝑚2. 𝑠−1 à
23°C à 3,4.10−13 𝑚2. 𝑠−1 à 40°C. Cette augmentation est observée pour l’ensemble des ions étudiés –
nitrate 𝑁𝑂3−, calcium 𝐶𝑎2+ et sulfate 𝑆𝑂42−. Le modèle présenté dans ce travail fait l’hypothèse d’une
température constante au cours de la reprise en eau. Cette hypothèse est adaptée dans le cadre du stockage géologique, la reprise en eau arrivant après la fin du transitoire thermique [63]. Il conviendra cependant d’adapter les valeurs de coefficient de diffusion à la température représentative du stockage qui est d’environ 25°C (si on prend comme référence les mesures réalisées au laboratoire souterrain de Bure, creusé à la profondeur et dans la roche retenue pour Cigéo [63]). Dans le cadre de la modélisation des essais de reprise en eau réalisés en laboratoire, l’hypothèse d’une température constante (car régulée au sein du laboratoire pour ne pas influer sur les essais) et égale à la température ambiante est pertinente.
Pour analyser l’impact de la nature de la solution de lixiviation, deux solutions sont utilisées dans les travaux de [62] : une eau représentative du site d’implantation d’un stockage dans l’argilite – appelée « Clay water » - et une solution reprenant les caractéristiques d’une eau cimentaire et de l’eau de site – appelée « Clay-cement water ». Les résultats mettent en évidence une influence de la nature de la solution de lixiviation. Ainsi, pour l’Eurobitum R85/40 à 40°C, le coefficient de diffusion de l’ion sodium passe de 3,4.10−13 𝑚2. 𝑠−1 avec l’eau de site pour solution de lixiviation, à 1,1.10−13 𝑚2. 𝑠−1 avec une eau
cimentaire pour solution de lixiviation. Les résultats présentés par [5] conduisent aux mêmes conclusions. Le modèle proposé dans ce travail permet de prendre en compte une solution de lixiviation chargée en ions. Seule la présence des sels dissous en solution va impacter le calcul, car elle va jouer sur les gradients de concentration et ainsi sur les phénomènes diffusifs et osmotique. L’impact d’une solution basique – typique d’une eau cimentaire – sur la reprise en eau est actuellement étudié expérimentalement au CEA Marcoule.
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