Etude du transport de particules au travers de fissures contrôlées synthétisées dans un mortier de confinement : apport de la microtomographie RX

Study of particle transport through controlled cracks synthesized in a containment mortar : contribution of X-ray microtomography

• Auteur / Autrice : Alexis Boccheciampe
• Direction : Jérôme Rose, Perrine Chaurand, Daniel Borschneck, Ingmar Pointeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement. Géosciences
• Date : Soutenance le 12/07/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences de l'Environnement (Aix-en-Provence ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et d’Enseignement des Géosciences de l’Environnement (Aix-en-Provence ; 1995-....) - Laboratoire d'Expertise et de Caractérisation des Déchets (CEA Cadarache)
• Jury : Président / Présidente : Catherine A. Davy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Poulesquen, Barbara D'Anna
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Moonen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtomographie

Plasmas (gaz ionisés) -- Confinement

Déchets radioactifs

Génie nucléaire

Mots clés libres

Fissures

Transport

Particules

Microtomographie RX

Traitement d'images

Cracks

Transport

Particles

X-Ray microtomographie

Images processing

Résumé

Ce travail de thèse s’inscrit dans le contexte du conditionnement des déchets radioactifs bloqués dans un enrobage type mortier. Le réseau nanoporal de mortier type CEM V constitue un excellent filtre à particules pour contenir la matière radioactive dans les colis. Les études de sûreté doivent toutefois envisager des scénarios conduisant à une rupture du confinement à la suite d’une chute ou d’un incendie. Des fissures pourraient alors apparaitre et conduire à un relâchement des particules. Du fait de très faibles débits de gaz produits par les colis, une étude a été développée permettant de caractériser le transport de particules directement dans le solide. A cette fin, des fissures à géométrie contrôlée ont été créées dans des mortiers par dissolution de moules plastiques synthétisés par imprimantes 3D et placés dans les échantillons. Les empreintes laissées ont été caractérisés par microtomographie à rayon X et le développement de modélisation a permis de montrer la reproductibilité et la robustesse de la méthodologie de production d’échantillons fissurés. Des particules d'oxyde de cérium ont été injectées dans les échantillons fissurés en faisant varier le débit d’injection et la forme de la fissure. La micro-CT a permis de caractériser le dépôt des particules directement dans la fissure . Grâce à la méthode de génération de fissure, et à différents échantillons à fissures similaires, il a été possible pour la première fois d’étudier l’influence du débit sur les mécanismes de transfert de particules au sein des fissures de ciments. Les analyses par micro-CT montrent que le mécanisme principal d’arrêt permettant de stopper les particules est l’impaction inertielle

This thesis work takes place in the context of the conditioning of radioactive waste trapped in a mortar-type liner. The nanoporous network of CEM V type mortar constitutes an excellent particle filter to contain the radioactive material in the packages. However, safety studies must consider scenarios leading to containment failure due to a fall, a fire or extreme ageing... Cracks could then appear and lead to a release of particles. Due to the very low gas flow rates produced by the packages, it was necessary to develop a specific experimental study to characterise the transport of particles directly in the solid. To this end, cracks with controlled geometry were created in mortars by dissolving plastic moulds synthesised by 3D printers and placed in the samples to be studied. The impressions left were characterised by X-ray microtomography (micro-CT) and the development of IMorph modelling enabled to show the reproducibility and robustness of the methodology for producing similar cracked samples. Cerium oxide particles were then injected into the cracked samples by varying the injection rate and the crack shape (flat, sinusoidal and complex). Micro-CT allowed the characterisation of the deposition of the particles directly in the crack (average diameter studied 40 µm). Using the crack generation method, and different samples with similar cracks, it was possible for the first time, to study the influence of flow rate on particle transfer mechanisms within cement cracks. The micro-CT analyses show that the main arresting mechanism to stop the particles is inertial impaction