SharePoint
Aide
Evaluer les transferts de radionucléides dans la roche

Dans un sous-sol sans perturbation


Avant d’évaluer le transfert des radionucléides dans une roche endommagée, les chercheurs l’ont étudié sur la roche argileuse saine de la station expérimentale de Tournemire, au moyen de tests hydrauliques. Ils ont mesuré une conductivité hydraulique [1] très faible, de l’ordre de 10-15 à 10-14 m/s. Les vitesses d’écoulement correspondantes sont extrêmement lentes, de l’ordre du cm par million d’années. Cela confirme que les polluants radioactifs seraient avant tout transportés par diffusion moléculaire, une migration naturelle des radionucléides sous forme d’espèces dissoutes (solutés) dans l’eau porale par homogénéisation des concentrations.

L’IRSN étudie ce phénomène fondamental pour l’évaluation de la sûreté des stockages de déchets radioactifs au moyen de traceurs de diffusion des espèces chimiques entrainées par le fluide, censées reproduire le comportement des différents types de radionucléides. Les études sont menées d’une part en laboratoire au moyen de traceurs artificiels, d’autre part sur le terrain, à l’échelle de temps géologiques à partir de traceurs contenus naturellement dans l’eau porale des argilites.


Mesurer la diffusion des radionucléides au laboratoire

La structure de l’argilite (un empilement de feuillets tétraédriques et octaédriques, chargés négativement en surface) produit un champ électrique naturel [2] à l’interface entre les minéraux argileux et la solution. Les espèces chimiques neutres ou les cations [3] diffusent donc plus librement que les anions [4]. Les études de diffusion réalisées au laboratoire ont été menées avec des traceurs neutres (non réactifs) radioactifs (eau tritiée) ou non (2H, 18O), des traceurs anioniques radioactifs (36Cl-) ou non (Br-) et des traceurs cationiques radioactifs (22Na+) ou non (K+).

Outre la nécessité d’étudier différents types de traceurs, il est important d’évaluer l’anisotropie [5] des propriétés de diffusion. Pour cela, des expériences ont été menées sur des échantillons d’argilite issus de forage réalisés parallèlement et perpendiculairement à la stratification de la roche.

Les paramètres de diffusion (coefficient de diffusion effectif et porosité accessible) ont été mesurés avec précision avec deux méthodes expérimentales complémentaires, la diffusion radiale (cf. figure) et la through diffusion (cf. figure). Les traceurs neutres (qui reflètent le comportement de l’eau) sont les plus rapides, les traceurs anioniques et cationiques étant ralentis respectivement par le champ électrique et par l’argilite, un résultat cohérent.


Vérifier sur que la diffusion est bien le processus dominant

L’eau présente dans les pores de l’argilite de Tournemire possède deux origines : l’eau marine (donc salée) piégée dans l’argilite lors de la sédimentation et l’eau de pluie provenant des aquifères calcaires situés au-dessus et au-dessous [6] de la couche d’argilite. Les espèces chimiques naturellement dissoutes dans l’eau marine sont utilisées comme traceurs naturels : les plus étudiés sont les isotopes stables de l’eau (2H et 18O), les chlorures (Cl-) et, sous forme gazeuse, l’hélium-4 (4He).

Il est constaté (cf. figure) qu’au cours du temps, l’eau porale de l’argilite se trouvant au contact des aquifères calcaires est diluée par les eaux de pluie, et que les concentrations en traceurs naturels diminuent progressivement pour atteindre celles observées dans l’eau des aquifères. L’eau porale des échantillons au centre de la formation argileuse présente ainsi des concentrations en traceurs naturels plus importantes que celles relevées au toit et au mur de la formation : les profils de traceurs naturels sont bien en forme « de cloche », traduisant bien un transfert majoritairement dominé par le processus de diffusion.

Cellule de diffusion radiale 

Figure : Cellule de diffusion radiale.

Cellule de through-diffusion 

Figure : Cellule de through-diffusion.


Notes :

1- La conductivité hydraulique traduit l’aptitude d’un milieu poreux, ici la roche, à laisser circuler un fluide. Elle se mesure en m.s-1 mais n’est pas directement comparable à une vitesse.
2- On parle de phénomène d’exclusion anionique.
3- Ion chargé positivement.
4- Ion chargé négativement.
5- C’est à dire l’existence (ou non) d’orientations privilégiées.
6- Aalénien et Carixien.

Collaborations scientifiques

CNRS/Université de Paris Sud (IDES) ; CNRS/UPMC (SYSIPHE) ; CNRS/Géosciences Montpellier (Labo) ; Université de Berne (RWI, IGS)

Publications scientifiques