Technischer Bericht NTB 17-03

Le ciment Portland et le béton sont des composants essentiels des systèmes de barrière ouvragées et des structures de soutènement prévus par différents concepts de stockage géologique destinés aux déchets radioactifs, qu’il s’agisse des déchets de faible et de moyenne activité, de haute activité ou des assemblages combustibles usés. L’interaction entre l’eau souterraine et le ciment entraîne la formation de solutions hyperalcalines (pH de 12 à 13,5), lesquelles peuvent réagir avec les roches d’accueil des dépôts et ainsi causer des modifications de leurs propriétés physiques et chimiques. Une collaboration entre JAEA (Japon), la NAGRA (Suisse), NUMO (Japon), POSIVA (Finlande), RWM (Royaume-Uni) et SKB (Suède) a débuté en 2009 sur le projet GTS-LCS (« Grimsel Test Site – Long-Term Cement Studies » – Etudes à long terme sur le ciment), un essai in situ d’une durée de six ans environ, mis en œuvre au Laboratoire souterrain du Grimsel. L’objectif était d’étudier les interactions entre eau, ciment et roche afin de connaître leurs effets, dans des conditions réalistes, sur la circulation de l’eau et les caractéristiques du transport de solutés. Des cylindres de ciment Portland ordinaire préalablement durcis ont été placés dans un trou de forage traversant la faille F16. Deux autres trous de forage (l’un destiné à l’observation, l’autre à l’extraction) ont été placés à 0,56 et 1,12 mètre respectivement du premier. De l’eau souterraine du Grimsel a été injectée et a circulé dans le trou principal. On a ensuite extrait de l’eau dans les deux autres trous et observé la composition chimique des différentes solutions. Après le début de l’injection d’eau dans le trou de forage principal, on a observé une augmentation du pH ainsi que des concentrations de solutés reflétant l’interaction avec le ciment dans les trous d’observation et d’extraction. Avant et pendant cet essai, des expériences de traçage ont été réalisées afin de déterminer les flux caractéristiques dans la roche entourant les trois trous de forage. Le ciment et la roche proche du forage principal ont été analysés à l’issue de l’essai.

La modélisation des circulations d’eau, du transport de traceurs et du transport réactif dans le cadre de cet essai in situ a été mise en œuvre par différentes équipes (SKB, IDAEA-CSIC/UPC (POSIVA), QUINTESSA (RWM)). Les résultats des différents essais de modélisation (transport de traceurs et transport réactif) ont montré qu’il était possible de modéliser et d’interpréter les données tirées de l’essai in situ, en postulant soit une faille homogène, soit une faille où le flux suit des cheminements préférentiels. Une véritable discrimination entre les différents modèles de flux n'est pas possible. L’accent a été placé sur les aspects géochimiques des interactions ciment/eau souterraine/roche ; il a été possible de reproduire les principales caractéristiques des altérations observées dans le ciment et la roche à l’aide de données thermodynamiques et cinétiques courantes (p. ex. dissolution de la portlandite dans le ciment ; précipitation de la calcite aux interfaces entre ciment et vide ainsi que entre vide et roche ; dissolution minérale primaire dans la roche ; précipitation C-S-H/C-A-S-H dans la roche), de meilleurs résultats ayant été obtenus lorsque les données les plus récentes avaient été utilisées pour des phases telles que C-A-S-H. Certaines particularités – à l’instar des importantes variations constatées dans la composition de C-S-H/C-A-S-H dans la roche ou la présence de quantités mineures de précurseurs de CaCO3 (aragonite, vatérite) – n’ont pas pu être reproduites à l’aide des modélisations utilisées. Globalement, il est permis de dire que nous avons une bonne compréhension des processus géochimiques impliqués.

Par ailleurs, il faut relever que pour cet essai, l’essentiel des informations provenait de l’observation de la composition des solutions extraites dans les trois trous de forage pendant l’expérience ainsi que de la caractérisation du ciment et de la roche dans le trou principal à l’issue de l’essai. En conséquence, si l’on a pu caractériser, d’une manière générale, les altérations au plan minéralogique et géochimique, il demeure que le calcul de l’étendue et de la répartition des altérations dans la fracture est dépendant du modèle conceptuel utilisé (fracture homogène vs cheminements discrets). Pour évaluer, puis préciser les modèles conceptuels, il faudrait pouvoir caractériser le champ de propagation des altérations minéralogiques dans le plan de la faille au-delà des trous de forage.