Technical Report NTB 00-09

L'expérience de migration de radioéléments (MI) de la Nagra et du JNC est l'une des multiples investigations sur le comportement des radioéléments dans la géosphère menées au laboratoire souterrain du Grimsel. Le projet MI avait pour objectifs le développement de méthodologies pour la caractérisation d'un site, l'étude de l'hydraulique et de la géochimie des roches fissurées, la synergie d'études en laboratoire, sur le terrain et par modèles sur la caractérisation détaillée d'une structure aquifère isolée, ainsi que le test de modèles de transport de radioéléments. Le présent rapport résume les résultats de ce projet tout en actualisant un rapport précédent, fournit un guide des rapports techniques sur les aspects spécifiques de la MI, et évalue son apport à la fiabilité des modèles de transport de radioéléments, ainsi qu'à leur applicabilité à l'analyse de sûreté de dépôts de déchets radioactifs.

La partie principale de la MI consiste en une série d'essais de traçage effechés dans une zone cisaillement bien distincte et à peu près plane, dans laquelle on a pu générer des champs d'écoulement dipolaire bien définis en injectant de l'eau à un endroit et en la soutirant à un autre. Les essais ont été effectués à différents endroits, échelles et intensités. Un certain nombre d'améliorations ont été apportées à l'équipement au cours des essais, avec pour résultat de renforcer sa fiabilité et de minimiser les artefacts expérimentaux pouvant affecter les courbes de restitution des traceurs. La précision des courbes de restitution est particulièrement importante, puisque le processus de retardement dû à la diffusion dans la matrice n'apparaît sous forme de courbe que si les mesures sont faites sur des périodes plus longues de plusieurs ordres de grandeur que celles du pic d'apparition, et à des concentrations de plusieurs ordres de grandeur plus faibles. 

Pour faciliter le développement et la paramétrisation des modèles de transport, on a entrepris une caractérisation détaillée de la zone de cisaillement de la MI sur les plans géologique, géochimique et hydrogéologique. La caractérisation géologique a permis d'évaluer la structure de la zone de cisaillement à petite et micro-échelle, ainsi que la distribution spatiale des porosités totale et efficace. Elle a ainsi fourni des données directement utilisables pour le développement des modèles de transport, comme l'a aussi fait la caractérisation hydrogéologique. De plus, des profils de désintégration d'isotopes naturels, perpendiculaires à la zone de cisaillement, ont montré la présence univoque d'une porosité interconnectée accessible à la diffusion sur quelques centimètres à partir des régions d'écoulement d'eau souterraine. 

Une série d'essais en laboratoire et sur le terrain a été effectuée pour faciliter la sélection de traceurs adsorbants à utiliser pour les essais. Ces tests étaient destinés à évaluer les propriétés d'adsorption des traceurs dans des conditions de laboratoire, et d'en tirer une prévision sur leurs propriétés d'adsorption in situ dans la zone de cisaillement. Les essais en laboratoire ont été focalisés sur des tests d'interaction eau-roche et sur des mesures d'adsorption globale sur des échantillons de la zone de cisaillement (mylonite broyée). Ils ont permis d'évaluer les cinétiques d'adsorption, la réversibilité et le rôle de la concentration ("non-linéarité"). Le retour à l'équilibre géochimique a également été testé in situ, ce qui a fourni des informations supplémentaires sur les propriétés d'adsorption. Trois traceurs adsorbant ont été sélectionnés pour les essais de traçage : du sodium faiblement adsorbant et du strontium modérément adsorbant, tous deux adsorbant de manière linéaire, et du césium plus fortement adsorbant, adsorbant de manière non linéaire. Un modèle d'adsorption mécaniste a été utilisé pour prédire le comportement adsorbant in situ du césium, afin de tenir compte de la compétition avec le potassium, présent en plus faible concentration dans l'eau souterraine naturelle du Grimsel que dans les essais en laboratoire. 

Trois modèles différents ont été développés et appliqués aux courbes de restitution de la MI, en Suisse par l'Institut Paul Scherrer (PSI) et par l'Ecole polytechnique fédérale (EPF), et au Japon par le JNC. Tous ces modèles supposent que les mécanismes dominants de transport des traceurs sont la convection et la dispersion dans la zone de cisaillement, avec un effet retardateur dû à la diffusion à travers la matrice rocheuse, dans l'eau stagnante des pores (en grande partie à l'intérieur des matériaux de colmatage) et, pour les traceurs adsorbants, à l'adsorption sur la surface des minéraux. Les différences de conception des modèles sont relativement mineures. Le modèle du JNC, à la différence de ceux du PSI et de l'EPF, prend en compte l'hétérogénéité de la transmissivité dans la zone de cisaillement, obtenue par l'analyse des essais de pompage. Le modèle de l'EPF, à l'encontre des deux autres, inclut les dispersions longitudinale et transversale. Les modèles se distinguent aussi dans la discrétisation du champ d'écoulement dipolaire effectuée pour résoudre les équations de transport. 

Tous les modèles ont été testés sur leur capacité à reproduire les courbes de restitution et sur la cohérence des paramètres ajustés avec les connaissances déjà acquises du système. En outre l'accent a été mis, là où c'était possible, sur l'examen des capacités prédictives des modèles, afin de maximiser l'apport de l'expérience MI à la fiabilité des analyses de sûreté. Les paramètres des modèles ont été déduits d'observations indépendantes (par exemple les paramètres d'adsorption proviennent d'expériences en laboratoire) et de la modélisation inverse (ajustement) des courbes de restitution d'un traceur non adsorbant. Les prévisions des courbes de restitution ont ensuite été simulées pour des traceurs adsorbants (avant chaque essai). 

Le modèle du PSI a été appliqué à une palette particulièrement large de tests, pour des simulations inverses et des simulations prédictives, en particulier celles portant sur un champ d'écoulement dipolaire court, où les différents mécanismes de transport sont pondérés de manière variée. Le succès de ces exercices, dans la majorité des cas, non seulement confirme les concepts sous-jacents au modèle, indiquant qu'aucun processus significatif n'a été omis, mais il indique aussi que pour les traceurs qui sont rapidement adsorbés et qui ont une capacité d'échange cationique réversible, les résultats acquis en laboratoire peuvent être extrapolés raisonnablement bien aux conditions in situ. Un soin particulier doit toutefois être apporté dans la sélection et la préparation des échantillons, afin d'assurer qu'ils représentent correctement les propriétés géologiques du site. Dans le cas du champ dipolaire court, il y a des éléments indiquant que les cinétiques d'adsorption peuvent influencer les courbes de restitution du césium, dont les cinétiques d'adsorption sont plus lentes. Des effets de ce genre ne sont toutefois pas significatifs pour les champs d'écoulement bien plus étendus, sur les plans spatial temporel, pris en compte dans les analyses de sûreté. 

Modéliser avec succès des courbes de restitution ne doit pas toujours être considéré comme une validation des modèles, au sens de la confiance qu'on peut leur accorder pour les analyses de sûreté. Par exemple, on ne dispose pas d'information sur des processus insignifiants à l'échelle spatiale et temporelle des essais de traçage effectués mais qui pourraient devenir importants aux échelles considérées pour les analyses de sûreté. Ainsi, les prévisions correctes des modèles du PSI, de l'EPF et du JNC ne signifient pas nécessairement que les différences entre eux resteront insignifiantes lorsqu'on utilisera ces modèles pour les analyses de sûreté; ces différences devront peut-être faire l'objet d'une évaluation ultérieure. 

Avant tout, le projet MI a démontré la faisabilité de la modélisation du transport de soluté en roche cristalline fracturée, avec la méthodologie adoptée pour la caractérisation des structures aquifères, leur simplification pour les besoins de la modélisation, l'adaptation des résultats de laboratoire (en particulier les valeurs d'adsorption) aux conditions de terrain, la sélection des processus significatifs pour le transport et la solution numérique des équations le gouvernant. 

En dehors des réalisations techniques (et des limitations) mentionnés plus haut, la participation au projet MI a permis aux organisations concernées de développer un savoir-faire pour le test rigoureux de modèles et, mieux encore, pour le test de modèles prévisionnels. De plus, le fait de travailler dans une équipe pluridisciplinaire sur un projet de longue haleine représentant un défi a été considéré par tous les participants comme une expérience précieuse de communication réussie entre géologues, techniciens de laboratoire et de terrain et modélistes.