Quand Barbara Lothenbach poursuit ses projets de recherche, elle sait qu'elle ne vivra pas pour voir le résultat final :ce sur quoi elle travaille devrait durer entre 100, 000 et un million d'années. Le chercheur du laboratoire "Béton &Asphalte" de l'Empa étudie les matériaux à base de ciment, qui conviennent à l'élimination des déchets radioactifs.

Selon la loi sur l'énergie nucléaire, les dépôts géologiques profonds en Suisse doivent recevoir déchets nucléaires de moyenne et haute activité à l'avenir. Dans ce but, des couches rocheuses stables doivent être disponibles pour enfermer les conteneurs de déchets. Puisque les scientifiques des matériaux le savent, cependant, qu'aucune matière n'est immuable, une formation rocheuse doit être choisie qui est géologiquement aussi stable et dense que possible, sur des milliers d'années. L'argile d'Opalinus vieille de 180 millions d'années, qui s'étend en Suisse entre Olten et Schaffhouse à une profondeur de 600 mètres, par exemple, s'est avéré être une roche hôte appropriée. Comme il a une faible conductivité de l'eau, il a d'excellentes propriétés isolantes.

Solide comme le roc scellé dans la montagne

Mais comment les structures cristallines et les minéraux argileux de l'Argile à Opalinus réagissent-ils avec les barrières de sécurité à base de ciment lorsque les ravages rongeants du temps entraînent des changements ? La Coopérative nationale pour l'élimination des déchets radioactifs (Nagra) a besoin de données sur cette question afin qu'un dépôt final de déchets nucléaires puisse être ancré solidement dans la Terre en ce qui concerne la protection et la sécurité de l'environnement.

Barbara Lothenbach et son équipe réalisent les analyses nécessaires en réalisant des expérimentations en conditions réalistes au Laboratoire du Rocher du Mont Terri à St. Ursanne, qui a été construit dans une couche d'argile Opalinus. En collaboration avec des partenaires internationaux et des groupes de recherche suisses, comme l'Université de Berne et l'Institut Paul Scherrer (PSI), les réactions des matériaux à base de ciment et de l'argile à Opalinus environnante sont simulées. Les chercheurs étudient et modélisent le développement à long terme des couches limites entre les systèmes de matériaux très différents dans des approches expérimentales durant plusieurs années à différentes températures entre 20 et 70 degrés Celsius.

Le retour d'une connaissance établie

Le pH fortement alcalin du ciment est particulièrement important ici, qui dans le ciment Portland conventionnel peut atteindre un pH de 13,5 ou même plus. Pour s'assurer que l'environnement alcalin n'attaque pas les minéraux argileux de la zone environnante, un nouveau développement, le ciment dit « faiblement alcalin », semblait être un bon candidat pour durable, barrières de protection à base de ciment. Avec un pH de 12,2 ou moins, il a une concentration en alcalis plus de dix fois inférieure. Lothenbach et son équipe ont donc comparé des types de ciment avec différentes valeurs de pH en utilisant la modélisation thermodynamique et l'analyse par diffraction des rayons X. C'est la première fois que l'on dispose de résultats à long terme permettant de caractériser les types de ciments et leur évolution en montagne. Il s'est avéré que le ciment faiblement alcalin est en effet plus doux pour les minéraux argileux. Cependant, lorsque le ciment Portland conventionnel est utilisé, des composés chimiques se forment au fil du temps, ce qui conduit à des conditions tout aussi favorables dans la barrière de sécurité. "Par conséquent, le ciment Portland moins cher et bien établi est redevenu le centre d'intérêt, " dit Lothenbach.

Radioactivité complexe

De plus, si les matériaux à base de ciment doivent empêcher les substances radioactives de s'échapper dans l'environnement, en aucun cas la réaction entre les déchets nucléaires et le ciment ne doit altérer les barrières de sécurité de l'installation de stockage. Des chercheurs de l'Empa ont ainsi étudié les isotopes radioactifs présents dans les déchets radioactifs, tels que ceux de l'élément sélénium, dans les études d'adsorption. Les résultats montrent que les composés du sélénium sont absorbés par le ciment en grande quantité. « Une barrière de protection en béton retarde le rejet de radioactivité dans la biosphère, puisque les minéraux du ciment lient les substances radioactives et arrêtent ainsi leur propagation, " conclut Lothenbach.

Cependant, tous les processus qui se déroulent dans l'interaction complexe des matériaux qui entrent en contact les uns avec les autres ne peuvent pas être évalués aussi facilement, précise le chercheur. Elle espérait que le développement de nouveaux ciments faiblement alcalins offrirait des avantages pour la durabilité des barrières de sécurité. Cependant, les chercheurs ont découvert des inconvénients dans d'autres propriétés : Combinant modélisation thermodynamique et données expérimentales, L'équipe de Lothenbach a pu constater que ces types de ciment se lient moins bien à des substances telles que l'iodure radioactif.

Corrosion dangereuse

Une couche isolante est souhaitable, qui est aussi étanche que possible mais pas étanche au gaz. Dans un dépôt géologique en profondeur, des gaz peuvent être produits, par exemple, par la corrosion des conteneurs en acier fermés, moyennant quoi de l'hydroxyde de fer est formé et de l'hydrogène est libéré. De tels gaz, qui sont produites en petites quantités au fil du temps, doit pouvoir s'échapper afin d'éviter qu'une surpression ne se développe. Afin de retracer les réactions à long terme de la corrosion du fer à la frontière du matériau cimentaire, les chercheurs ont mené des investigations à l'aide d'analyses chimiques et de spectroscopie. Les premiers résultats montrent que le ciment Portland avec son pH élevé est plus efficace que le ciment faiblement alcalin. D'autres expérimentations sont désormais prévues pour faire la lumière sur ces processus de corrosion encore méconnus.

En outre, L'équipe de Lothenbach a caractérisé les phases dans la zone d'interaction du ciment et de l'Argile à Opalinus qui résultent de l'interaction des minéraux argileux avec les constituants du ciment, telle qu'une phase de silicate de magnésium. Il n'a pas encore été clairement établi que de telles couches intermédiaires sont formées et pourraient contribuer à sceller la couche protectrice. Lothenbach est convaincu que des découvertes de ce type peuvent contribuer au développement de nouveaux systèmes de matériaux qui intéressent l'ensemble de l'industrie de la construction. Car malgré les bonnes propriétés matérielles du ciment Portland, il y a une recherche croissante d'alternatives plus respectueuses de l'environnement et permettant d'économiser les ressources naturelles, qui pourraient également être utilisés pour des applications autres que dans un stockage géologique profond.