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Technical Report NTB 91-21
Hydrogen evolution from corrosion of iron and steel in low/intermediate-level waste repositories
La production d'hydrogène résultant de la corrosion du fer et de l'acier présents en quantités importantes dans un dépôt final pour déchets de faible et moyenne activité doit être prise en compte dans toute analyse de sûreté.
La plus grande partie du fer présent dans un dépôt pour déchets de moyenne activité se trouve dans un environnement contenant du ciment. Selon la litérature, les vitesses de formation d'hydrogène lors de la corrosion du fer et de l'acier à des pH élevés, en particulier en présence de ciment, sont de l'ordre de 22 à 220 mmol H2/(m2*a). Certains auteurs mentionnent des vitesses de corrosion encore plus basses. Jusqu'à présent toutefois, l'intérêt à étudier des vitesses de corrosion aussi basses était pratiquement nul, vu que dans les applications techniques normales elles ne jouent aucun rôle.
Les analyses de sûreté montrent cependant que la diffusion dans les dépôts pour déchets moyennement et faiblement actifs est insuffisante pour éliminer l'hydrogène produit selon une cinétique comme celle citée ci-dessus. Ceci peut avoir des conséquences diverses. D'un côté, des poches de gaz déplaçant l'eau de la surface métallique peuvent se former, d'un autre côté, des pressions d'équilibre de gaz de l'ordre de 500 bar peuvent conduire à une destruction mécanique du rocher, voir même du dépôt final. Voilà pourquoi la détermination exacte de vitesses de corrosion faibles est, dans le présent cas, très importante.
Dans la présente étude on a utilisé une méthode volumétrique pour déterminer la cinétique d'évolution de l'hydrogène lors de la corrosion du fer en milieu neutre resp. alcalin sur une période de plus de 6000 heures. La sensibilité de la méthode est suffisante pour déterminer des vitesses de corrosion du fer dans le ciment plus faibles que celles généralement admises jusqu'à présent.
Les études ont été réalisées dans des milieux contenant les bases libres NaOH, KOH et Ca(OH)2 ainsi que dans trois solutions synthétiques simulant l'eau dans les pores du béton. Le pH des solutions était de 12,5 à 13.
Les vitesses de production d'hydrogène déterminées sont inférieures de 22 à 200 mmol H2/(m2*a) citées ci-dessus. Toutefois, des différences manifestes ont été observées entre les bases monovalentes (NaOH, KOH) et bivalentes (Ca(OH)2).
Ainsi, la solution Ca(OH)2 produit pendant toute la durée d'essai de l'hydrogène à une vitesse constante de 1 à 2 mmol/(m2*a), alors que les bases monovalentes montrent un maximum de la production d'hydrogène de l'ordre de 13 mmol/(m2*a) après 2000 heures, tombant à 4 mmol/(m2*a) pour des temps d'exposition de 6000 heures.
Une eau de pore conditionnée ne contenant que du Ca(OH)2 comme base libre produit en conséquence 0,5 à 1 mmol d'hydrogène par m2 et année. Une eau de pore «jeune» contenant encore des bases monovalentes NaOH et KOH en quantités importantes devrait en principe se comporter comme les bases libres correspondantes. Cependant, la durée des essais était insuffisante pour vérifier cette hypothèse.
Pour simuler une solution neutre, on a utilisé de l'eau de Böttstein (eau synthétique en provenance d'un gisement granitique en grande profondeur), de l'eau bidistillée ainsi qu'une solution à pH 8,5 contenant 8000 ppm de chlorures. En principe ces trois solutions conduisent à des résultats similaires: Après une phase de démarrage d'environ 1000 heures, caractérisée par une vitesse d'évolution d'hydrogène de 80 à 100 mmol/(m2*a); cette dernière s'abaisse à 10 à 20 mmol/(m2*a) au cours de 6000 h. L'ordre des valeurs détérminées dans la phase initiale correspond à celui trouvé dans une étude antérieure (Schenk 1988); toutefois comme des essais de corrosion sur des durées de plusieurs milliers d'heures sont rares resp. inexistants, une comparaison avec des résultats publiés dans la littérature est difficile.