Conception de fissures à géométrie contrôlée dans un mortier de confinement pour étudier les mécanismes de transport de particules : apports de la microtomographie RX.

Alexis Boccheciampe (1, 2) , Daniel Borschneck (1) , Perrine Chaurand (1) , V. Vidal (1) , Ingmar Pointeau (2) , Jérôme Rose (1)

1 CEREGE - Centre européen de recherche et d'enseignement des géosciences de l'environnement
2 CEA Cadarache

Dans les activités nucléaires, les déchets radioactifs produits sont gérés de façon spécifique en fonction de leurs activités et leurs durées de vie. Ainsi, certains déchets sont placés dans des fûts en acier, puis du mortier est coulé dans le but d’immobiliser les déchets. La barrière de mortier ainsi créée, autorise le passage des gaz produits dans le colis (corrosion, radiolyse …), mais agit comme un excellent filtre à particules grâce à son réseau poreux (diamètre d'accès des pores de quelques nanomètres), partiellement saturé, empêchant le relâchement d’aérosols radioactifs. Dans ce contexte de stockage de déchets radioactifs, des études de sûreté et sécurité se doivent toutefois d’étudier tous les scenarii accidentels pouvant survenir (ex. chute, incendie…) susceptibles de conduire à un relâchement de particules au travers de fissures qui se seraient formées. L’objectif de ce travail est donc de caractériser le transport de particules au travers d’une barrière de mortier fissuré, d’identifier les éventuels mécanismes de rétention et de migration mis en jeu afin de pouvoir à terme le reproduire et le prédire par modélisation. Notre travail se base sur deux développements expérimentaux originaux : (1) Dans la littérature (Gélain, 2012) (Parozzi, 2013), le transport de particules est étudié dans des fissures réelles générées aléatoirement par des effets de compression sans contrôle de leur géométrie. Nous proposons ici une méthode pour la génération contrôlée et répétable d’échantillon de mortier fissuré avec une géométrie artificielle de fissure caractérisée (morphologie, tortuosité et taille) en utilisant l’impression 3D pour générer des moules de fissures. Ces moules de fissures sont incorporés dans des éprouvettes de mortier (cylindres Ø=8mm), et sont dissous après la phase de durcissement pour ne laisser que leur empreinte dans le mortier hydraté, créant une fissure à géométrie contrôlée. (2) La micro-tomographie RX (micro-CT), technique d’imagerie RX 3D à haute résolution spatiale est utilisée pour la visualisation et la quantification in-situ du dépôt des particules dans les fissures sans destruction de l’échantillon. Les échantillons de mortier fissurés sont imagés en 3D par micro-CT (1 vx = 10 µm) avant et après injection de particules modèles (particules CeO2, diamètre = 40 µm) simulant les particules radioactives. L’injection des particules est réalisée en laboratoire (débit d’air = 10 ml/min pendant 30 jours). Une méthode spécifique de traitement et d’analyse des images 3D permet d’identifier individuellement chaque particule ou agrégat de CeO2 dans la fissure et de les caractériser (taille, volume, position dans la fissure, distance par rapport à l’entrée, …). L’analyse permet également une semi-automatisation de caractérisation de la géométrie de fissure. Plusieurs échantillons de mortiers fissurés ont été scannés (avant injection des particules) et comparés entre eux afin d’estimer la reproductibilité de la méthodologie de génération de fissures. Les résultats obtenus permettent tout d’abord de valider la méthodologie développée pour créer des fissures à géométrie contrôlée et révèlent que la variabilité entre les échantillons n’excède pas 10% entre le volume théorique de fissure avant impression et le volume de fissure au sein du mortier. La figure 1 ci-dessous présente de haut en bas un exemple de (A) moule de fissure imprimé en 3D, (B) une section de mortier présentant l’empreinte du moule de fissure après dissolution ainsi que les images 3D obtenues par micro-CT sur un même échantillon (C) avant et (D) après injection des particules (en rouge). Cette méthodologie ouvre la voie pour tester la reproductibilité et l’influence de différents paramètres sur le transport de particules (tailles des particules, débit, durée…) et leur déposition (mécanismes de sédimentation ou d’impaction…) dans un mortier fissuré.

Domaines: Matériaux; Environnement et Société; Ingénierie de l'environnement

Alexis Boccheciampe, Daniel Borschneck, Perrine Chaurand, V. Vidal, Ingmar Pointeau, et al.. Conception de fissures à géométrie contrôlée dans un mortier de confinement pour étudier les mécanismes de transport de particules : apports de la microtomographie RX.. Rayons X et Matière, Nov 2021, Aix-en-Provence, France. ⟨hal-03538512⟩