Les phases de fermeture des sites de stockage géologique de déchets radioactifs impliquent la construction de scellements utilisant des matériaux à base de bentonite. Ces matériaux sont sélectionnés pour leur faible perméabilité à l’eau et leur capacité de rétention des radionucléides. Leur potentiel de gonflement lors de la reprise d’eau leur permet de combler efficacement tous les vides résiduels autour du scellement et de recomprimer la zone endommagée par l’excavation de la roche hôte.

Après la fermeture du stockage, l’eau provenant de la roche hôte hydrate les scellements jusqu’à une saturation en eau complète. Dans le même temps, les éléments métalliques présents dans le stockage subissent une corrosion qui entraîne la génération d’hydrogène. L’accumulation de ce gaz peut potentiellement augmenter la pression du gaz à l’intérieur des tunnels de stockage. Les scellements contribuent à limiter cette pression en permettant le transfert de gaz le long des galeries.

Ce travail concerne la caractérisation expérimentale et la modélisation numérique du comportement hydromécanique-gaz de briques compactées constituées d’un mélange de bentonite et de sable, dans une proportion de 40/60 en masse sèche, considéré comme un matériau candidat pour la construction du noyau gonflant des scellements dans le concept français de stockage géologique.

Premièrement, des expériences de relaxométrie par résonance magnétique nucléaire (RMN) ont permis la caractérisation microstructurale de la mobilité de l’eau pendant le mouillage. Deux régimes prédominants de mobilité de l’eau ont été mis en évidence. Dans les états plus secs, l’eau est adsorbée sur les particules d’argile, tandis que dans les états plus humides, l’eau capillaire et l’eau adsorbée coexistent.

Deuxièmement, le transfert d’eau et le comportement hydromécanique au cours des expériences d’imbibition d’eau ont été caractérisés en suivant la valeur de l’humidité relative et la pression de gonflement, ainsi qu’en utilisant des techniques d’imagerie par résonance magnétique (IRM) et de la microtomographie à rayons X (µCT). La combinaison de l’IRM et de la µCT a permis d’obtenir des données sur la distribution de la masse d’eau et de la densité sèche le long de l’échantillon et fourni une estimation précise de la conductivité hydraulique du matériau.

Des essais d’injection de gaz sur des échantillons saturés en eau ont démontré que des pressions de gaz inférieures à la pression de gonflement de l’échantillon pouvaient induire une percée du gaz. Les images µCT prises pendant l’injection de gaz ont révélé que le processus d’entrée et de migration du gaz a lieu entre les grains de sable, là où la bentonite est moins dense. Le déplacement de l’eau dû à l’avancée du gaz suggère que la migration du gaz suit un écoulement visco-capillaire biphasique à travers le squelette de sable de l’échantillon.

Un cadre de modélisation a été proposé sur la base de preuves expérimentales et a été implémenté dans le code open-source aux éléments finis Bil. Pour la modélisation du transport, il prend en compte l’écoulement multiphasique avec : l’advection de l’eau liquide, la diffusion de la vapeur d’eau et l’advection du gaz. Le modèle de rétention d’eau est bimodal et distingue les pressions d’entrée du gaz dans le squelette de sable et dans la matrice de bentonite. Le couplage hydromécanique est basé sur le Barcelona Basic Model, étendu pour prendre en compte la présence de bentonite. La simulation d’expériences en laboratoire a permis de calibrer les paramètres du modèle pour les briques de bentonite/sable.

En conclusion, la combinaison originale d’une proportion élevée de sable avec une densité sèche en bentonite élevée pour le mélange sable/bentonite, fournit aux briques la combinaison idéale de propriétés hydromécaniques vis-à-vis des exigences requises pour le stockage souterrain de déchets radioactifs. Ces propriétés sont : une faible conductivité hydraulique, un potentiel de gonflement élevé et une faible pression d’entrée de gaz.