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Technical Report NTB 03-06
Project Opalinus Clay: Integrated Approach for the Developmentof Geochemical Databases Used for Safety Assessment
Les phénomènes de rétention chimique jouent un rôle essentiel dans le concept suisse de stockage géologique pour éléments combustibles usés, déchets de haute activité et déchets de moyenne activité à vie longue. Dans l'analyse de sûreté, ces phénomènes sont pris en compte par le biais des limites de solubilité et des valeurs Kd. Les données géochimiques nécessaires aux calculs ont été rassemblées dans cinq bases de données distinctes, dont chacune a fait l'objet d'un rapport détaillé (Berner 2002a; 2003; Bradbury & Baeyens 2003a and b; Wieland & Van Loon 2002).
Les bases de données géochimiques (Geochemical Databases ou GDB) ont été élaborées sur deux ans par une équipe comprenant des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer et de la Nagra, en se fondant sur de nombreuses années de recherches. L'approche adoptée repose à la fois sur les principes de la thermodynamique chimique, sur des ensembles de données fiables provenant d'expériences de sorption et de diffusion, ainsi que sur les connaissances scientifiques des membres de l'équipe ("expert judgement"). Une procédure cohérente alliée à une série de mesures appropriées ont permis d'assurer la qualité des données. On a veillé en particulier à ce que les données, et les incertitudes qui leur sont associées, soient obtenues par le biais de procédures transparentes et reconstituables et constituent les "meilleures estimations" possibles.
La méthodologie utilisée peut être décomposée en trois phases. La première correspond aux fondements de l'ensemble, avec la mise à jour de la base de données thermodynamique Nagra/PSI, la dérivation des conditions géochimiques cadres in-situ (p. ex. pH et Eh) dans les différents compartiments et la génération de données de sorption expérimentales pour les systèmes à base d'argile et de ciment. La seconde phase a consisté à dériver des données de rétention fiables du point de vue scientifique, c'est-à-dire les limites de solubilité et les valeurs de sorption pour les radionucléides importants pour la sûreté dans les conditions du dépôt. Au cours de la troisième et dernière étape, les valeurs obtenues ont été évaluées, puis adaptées si nécessaire, en vue de leur utilisation dans le cadre de l'analyse de sûreté. Parallèlement, on a effectué des comparaisons avec des bases de données récentes compilées à l'étranger et des données obtenues par l'étude des analogues naturels.
Les bases de données concernant les limites de solubilité pour les ensembles conteneurbentonite d'une part et ciment d'autre part sont pour une large mesure compatibles avec d'autres compilations issues d'analyse de sûreté récentes, ceci malgré les différences existant au niveau des données thermodynamiques utilisées et des hypothèses concernant les conditions géochimiques.
L'approche employée ici pour dériver les valeurs Kd et les coefficients de diffusion apparents dans la bentonite et l'argile en tant que roche d'accueil est différente de celle utilisée par la plupart des autres analyses de sûreté. Tandis que ces dernières sont basées en grande partie sur des mesures de diffusion effectuées dans des argiles compactées, les valeurs Kd que nous utilisons proviennent d'expériences en batch bien contrôlées, et ont ensuite été adaptées aux conditions in-situ. Malgré cette approche différente, les valeurs Kd et Da que nous proposons sont comparables à celles utilisées dans les autres analyses de sûreté, sauf dans le cas des radionucléides tétravalents. Ceci est confirmé par une comparaison entre des valeurs de sorption dérivées de systèmes batch et des mesures de diffusion obtenues au Japon sur de la bentonite de type Kunigel. Ce résultat suggère que la compaction et le gonflage n'ont probablement qu'un effet limité sur les propriétés de rétention de l'argile.
Par rapport à d'autres analyses de sûreté, nous utilisons d'une façon générale, pour les métaux tétravalents, des valeurs Kd plus élevées et des valeurs Da plus basses dans la bentonite du NAGRA NTB 03-06 VI champ proche et l'argile de la géosphère. L'écart est particulièrement important dans le cas des éléments sensibles aux conditions redox Tc(IV), U(IV) et Np(IV). Il est difficile d'expliquer ces différences, qui peuvent provenir (i) d'un traitement plus conservateur des incertitudes dans les autres analyses de sûreté, (ii) de conditions redox mal contrôlées dans les expériences de diffusion ou (iii) du processus qui a permis d'adapter les données de sorption batch aux conditions in-situ. Cette dernière possibilité est toutefois assez peu probable au vu des indications données ci-dessus. On notera que les différences relevées entre nos valeurs Kd et celles d'autres analyses sont moins marquées lorsque le ciment, plutôt que l'argile, prédomine dans le champ proche.
L'une des principales incertitudes identifiées concerne la composition de l'eau interstitielle dans l'argile. Lors de la compilation des bases de données, nous avons par conséquent travaillé avec un large spectre de valeurs de pH/pCO2 et Eh pour le traitement des incertitudes relatives aux limites de solubilité et aux valeurs Kd. De plus, la présente étude a permis d'identifier d'importantes incertitudes au niveau des modèles conceptuels: l'effet du carbonate sur la solubilité et la sorption des métaux tétravalents, la chimie redox du Pu, la nature et la cristallinité des phases contrôlant la solubilité, la cinétique des réactions redox pour les radionucléides sensibles aux conditions redox du milieu, ainsi que les propriétés physicochimiques de l'eau dans les argiles compactées. Du fait que la température de référence pour les bases de données est de 25 °C, la température légèrement supérieure (≈50 °C) supposé par l'analyse de sûreté crée une incertitude supplémentaire. Sur la base d'observations préliminaires, on peut toutefois avancer que son impact sera moindre que celui des incertitudes mentionnées plus haut.
Dans les bases de données géochimiques, afin de tenir compte des incertitudes existant au niveau du modèle conceptuel pour les données de rétention, on a adopté une approche prudente lors de la dérivation des marges d'incertitude et de l'estimation des values pessimistes. De plus, l'importante incertitude relative au transfert des radioéléments sensibles aux conditions redox du milieu a été prise en compte implicitement en analysant les effets d'un champ proche oxydant dans le cadre d'un cas "what-if?".