IONIC TRANSPORT THROUGH SHALES. INFLUENCE OF THE MICROSTRUCTURE AND OF THE MINERAL/WATER INTERFACE. APPLICATION TO THE ARGILLITES OF THE BURE'S SITE (MEUSE/HAUTE MARNE)
TRANSPORT IONIQUE DANS LES ARGILES. INFLUENCE DE LA MICROSTRUCTURE ET DES EFFETS D'INTERFACE. APPLICATION AUX ARGILITES DU SITE DE BURE (MEUSE/HAUTE MARNE)
Résumé
Negative charge excess at the surface of clay minerals coupled with their high specific surface area implies that clay-rich media have transport properties very favourable to radioactive waste storage. Given their low hydraulic conductivity, diffusion is the main transport mechanism in these media. The goal of this research was to experimentally realize and validate a mechanistic model of transport in compact clay-rich media including a triple layer model. We have developed a transport model without the thin diffuse layer assumption. Our triple layer model is based on a crystallographic consideration and a complexation model including silanols, aluminols, and SiOAl sites. We have successfully used the predictions of this mechanistic model with hydraulic and ionic diffusivities. This was determined by measuring the relaxation of the electrical fields associated with the hydraulic (streaming potential) and ionic (membrane potential) disturbances. The diffusivity of salt increases with ionic strength because the diffusion of the salt depends on the variation of the membrane potential. We have successfully predicted the values for the effective diffusion coefficients of some monovalent ionic tracers such as 22Na and 36Cl at different dry densities and ionic strengths.
L'excès de charges négatif à la surface des minéraux argileux ainsi que leur très grande surface spécifique confèrent aux milieux riches en argile des propriétés de transport très favorables pour le stockage des déchets radioactifs de haute activité et à vie longue. Le principal mécanisme de migration des radionucléides correspond à leur diffusion au sein de la formation argileuse en raison de la très faible conductivité hydraulique du milieu. L'objectif de cette thèse a été de réaliser et de valider par des expériences en laboratoire un modèle de transport mécanistique incluant explicitement les propriétés électrochimiques de l'interface minéral/solution pour des milieux argileux compacts. Nous avons donc réalisé un modèle de transport macroscopique en s'affranchissant de l'hypothèse d'une couche diffuse fine à l'interface minéral/solution. Nous avons aussi développé et validé un modèle de triple couche électrique basé sur des considérations cristallographiques et distinguant les sites de surface silanols, aluminols et SiOAl. Les prédictions du modèle de transport sont en accord avec les valeurs des diffusivités ioniques et hydrauliques déterminées grâce aux mesures des champs électriques liés aux perturbations salines (potentiel de membrane) et hydriques (potentiel d'électrofiltration). La diffusivité du sel augmente en fonction de la force ionique du milieu car elle dépend des variations du potentiel de membrane. Nous avons également réussi à prédire les valeurs des coefficients de diffusion effectifs des traceurs ioniques monovalents en fonction du degré de compaction de la bentonite MX-80 et de la force ionique du milieu.