Les chercheurs du Sandia National Laboratories, Melissa Mills, à gauche, et Kristopher Kuhlman examinent un échantillon de sel de leur site expérimental de l’usine pilote d’isolement des déchets. Crédit : Photo de Randy Montoya/Laboratoires nationaux Sandia
Étude pour affiner les modèles informatiques, informer les décideurs pour le futur stockage du combustible nucléaire usé.
Des scientifiques des laboratoires nationaux de Sandia, Los Alamos et Lawrence Berkeley viennent de commencer la troisième phase d’une expérience de plusieurs années pour comprendre le comportement de l’eau salée et très salée à proximité des conteneurs de déchets nucléaires chauds dans un dépôt à lit de sel.
Les propriétés physiques uniques du sel peuvent être utilisées pour assurer une élimination sûre des déchets radioactifs, a déclaré Kristopher Kuhlman, géoscientifique de Sandia et responsable technique du projet. Les lits de sel restent stables pendant des centaines de millions d’années. Le sel guérit ses propres fissures et toutes les ouvertures se referment lentement.
Par exemple, le sel au Usine pilote d’isolement des déchets à l’extérieur de Carlsbad, au Nouveau-Mexique – où sont enterrés certains des déchets nucléaires de l’ère de la guerre froide – ferme les salles de stockage à un rythme de quelques centimètres par an, protégeant l’environnement des déchets. Cependant, contrairement au combustible nucléaire irradié, les déchets enterrés au WIPP ne produisent pas de chaleur.
L’initiative d’élimination du combustible usé et des déchets du Department of Energy Office of Nuclear Energy cherche à fournir une base technique solide pour plusieurs options d’élimination viables aux États-Unis, et plus précisément sur la façon dont la chaleur modifie la façon dont les liquides et les gaz se déplacent et interagissent avec le sel, a déclaré Kuhlman. Les connaissances acquises grâce à cette recherche fondamentale seront utilisées pour affiner les modèles conceptuels et informatiques, informant éventuellement les décideurs politiques sur les avantages de l’élimination du combustible nucléaire usé dans des lits de sel. Sandia est le laboratoire principal du projet.
“Le sel est une option viable pour le stockage des déchets nucléaires car loin de l’excavation, toutes les ouvertures sont cicatrisées”, a déclaré Kuhlman. « Cependant, il y a ce halo de roche endommagée près de l’excavation. Dans le passé, les gens ont évité de prédire les interactions complexes au sein du sel endommagé, car à 30 pieds de distance, le sel est une barrière parfaite et imperméable. Maintenant, nous voulons approfondir notre compréhension des premières complexités à côté des déchets. Plus nous comprenons, plus nous avons confiance à long terme dans les dépôts de sel.
Essais-erreurs dans la première expérience
Pour comprendre le comportement du sel endommagé lorsqu’il est chauffé, Kuhlman et ses collègues ont mené des expériences à 2 150 pieds sous terre au WIPP dans une zone expérimentale à plus de 3 200 pieds de l’activité d’élimination en cours. Ils surveillent également la distribution et le comportement de la saumure, qui est de l’eau salée trouvée dans le lit de sel laissé par une mer évaporée vieille de 250 millions d’années. La petite saumure que l’on trouve dans le WIPP est 10 fois plus salée que l’eau de mer.
« Le sel se comporte très différemment lorsqu’il fait chaud. Si vous chauffez un morceau de granit, ce n’est pas si différent », a déclaré Kuhlman. « Le sel chaud s’infiltre beaucoup plus rapidement, et s’il devient suffisamment chaud, l’eau de la saumure pourrait bouillir en laissant une croûte de sel sur le conteneur à déchets. Ensuite, cette vapeur pourrait s’éloigner jusqu’à ce qu’elle soit suffisamment froide pour redevenir liquide et dissoudre le sel, formant éventuellement une boucle de rétroaction complexe.
Melissa Mills, à gauche, géochimiste des Laboratoires nationaux de Sandia, et Kristopher Kuhlman, géoscientifique de Sandia, présentent des échantillons de sel de leur site expérimental de l’usine pilote d’isolement des déchets. Ils viennent de commencer la troisième phase d’une expérience scientifique fondamentale d’une année pour comprendre comment le sel et l’eau très salée se comportent à proximité de conteneurs de déchets nucléaires chauds dans un dépôt de sel. Crédit : Photo de Randy Montoya/Laboratoires nationaux Sandia
En d’autres termes, les scientifiques cherchent à savoir si la chaleur du combustible nucléaire usé pourrait aider à enfermer les conteneurs de déchets, et même les protéger de la corrosion que l’eau salée peut provoquer.
La planification de la première phase de l’expérience a commencé en 2017, en utilisant les trous horizontaux existants au WIPP. Au cours de cette phase de « shakedown », les chercheurs ont appris quel équipement utiliser dans les expériences ultérieures. Par exemple, le premier appareil de chauffage, qui fonctionnait comme un grille-pain, ne faisait pas chauffer le sel à proximité suffisamment pour faire bouillir la saumure, a déclaré Phil Stauffer, un géoscientifique spécialisé dans la combinaison de modèles informatiques et d’expériences réelles qui dirige le Laboratoire national de Los Alamos. contributions. Cependant, le deuxième appareil de chauffage que l’équipe a essayé, un modèle infrarouge, a été efficace ; cela fonctionnait plus comme le soleil.
« Lorsque nous avons placé le premier radiateur radiatif dans le premier trou de forage, dans le cadre de la phase d’adaptation, il s’est avéré que l’air ne permettait pas à la chaleur de pénétrer efficacement dans la roche », a déclaré Stauffer. « Ensuite, nous sommes passés à un radiateur infrarouge et la chaleur s’est déplacée dans l’air avec peu de perte d’énergie. Dans les premières simulations numériques, on se contentait de mettre naïvement en chaleur ; nous ne nous sommes pas inquiétés de la façon dont la chaleur passait du radiateur à la roche.
Comment la saumure et les gaz se déplacent à travers le sel
Au cours de la deuxième phase de l’expérience, l’équipe a percé deux séries de 14 trous horizontaux dans le côté d’un hall et inséré plus de 100 capteurs différents dans les trous autour du trou horizontal central contenant le radiateur. Ces capteurs surveillaient les sons, les contraintes, l’humidité et les températures pendant que le sel était chauffé et refroidi.
Melissa Mills, une géochimiste de Sandia, a fabriqué un joint spécial en béton salin pour tester les interactions entre le ciment et la saumure.
Kristopher Kuhlman, à l’avant, un géoscientifique des Sandia National Laboratories, et Thom Rahn, un scientifique du Los Alamos National Laboratory, extraient soigneusement un échantillon de saumure de l’un des forages. Crédit: Photo avec l’aimable autorisation des laboratoires nationaux Sandia
Parmi les capteurs utilisés figuraient près de 100 capteurs de température, comme ceux que l’on trouve dans les thermostats domestiques, afin que les chercheurs puissent mesurer la température dans le temps à des emplacements autour du radiateur. Yuxin Wu, un géoscientifique du Lawrence Berkeley National Laboratory, a également installé des capteurs de température à fibre optique, des jauges de contrainte et une imagerie de résistivité électrique.
Charles Choens, un géoscientifique de Sandia, a utilisé des microphones spéciaux, appelés capteurs d’émissions acoustiques, pour écouter le “pop” des cristaux de sel lorsqu’ils se dilatent lorsqu’ils sont chauffés et se contractent pendant le refroidissement, a déclaré Kuhlman. L’équipe a utilisé ces microphones pour trianguler l’emplacement des cristaux de sel éclatants.
“Ces pops sont la preuve de la perméabilité transitoire du lit de sel – les fissures entre les cristaux de sel, à travers lesquelles la saumure peut s’infiltrer.” dit Kuhlman. « Quand vous le chauffez, il ferme ces petites fissures. Lorsque le sel est chaud, la perméabilité diminue, mais lorsqu’il se refroidit, les fissures s’ouvrent temporairement et la perméabilité augmente.
Pour tester le flux de gaz à travers le sel endommagé, les chercheurs ont injecté de petites quantités de gaz rares, tels que le krypton et l’hexafluorure de soufre, dans un trou de forage et ont surveillé leur émergence dans un autre, a déclaré Kuhlman. « Quand le sel était chaud, les gaz n’allaient nulle part. Lorsque nous avons éteint le chauffage, les gaz ont pénétré le sel et sont ressortis dans un autre trou de forage. »
De même, l’équipe a injecté de la saumure fabriquée en laboratoire dans un trou de forage avec une petite quantité de l’élément rhénium et du colorant fluorescent bleu comme « traceurs ». L’équipe surveille l’émergence du liquide dans d’autres forages, qui sera échantillonné à la fin du test.
“L’objectif avec le colorant fluorescent – une fois que nous avons foré des échantillons post-test – est de cartographier où le traceur est allé”, a déclaré Mills. « Évidemment, on pourra dire qu’il est passé d’un forage à l’autre, si on détecte un signal de rhénium, mais on ne saura pas le chemin qu’il a pris. De plus, la saumure interagira avec les minéraux du sel, comme l’argile. Le colorant fluorescent est un moyen visible d’identifier où le traceur liquide s’est réellement rendu sur le terrain.
Dans la troisième phase, qui a commencé à la mi-octobre, l’équipe forera un nouveau réseau de neuf trous de forage chauffés, en s’appuyant sur ce qu’ils ont appris lors des phases précédentes des expériences.
Travailler dans des conditions difficiles sous terre
L’équipe a beaucoup appris des deux premières phases de l’expérience, y compris le meilleur type de chauffage, quand forer les trous de forage et à quel point la saumure est corrosive, ont déclaré Stauffer et Mills.
Un exemple d’équipement électronique corrodé par de la saumure s’infiltrant dans un fil isolé. La nature omniprésente de la saumure dans l’usine pilote d’isolement des déchets n’était que l’un des défis que l’équipe de recherche dirigée par Sandia National Laboratories a surmonté au cours des deux premières phases de leur expérience. Crédit: Photo avec l’aimable autorisation des laboratoires nationaux Sandia
« Les deux premières phases impliquaient de nombreux tests d’équipement ; certains ont échoué et d’autres ont été renvoyés au fabricant », a déclaré Mills. « Nous avons également appris à garder un équipement de secours à portée de main car la poussière de sel et la saumure détruisent l’équipement. Nous devons sceller les choses parce que la saumure peut s’infiltrer dans le fil isolé, puis l’équipement meurt. Cela a été un processus pour apprendre à travailler dans l’environnement salin.
Kuhlman a accepté. « Beaucoup de choses peuvent mal se passer lorsque vous prenez un équipement de laboratoire sensible et que vous le mettez dans une mine de sel. Nous sommes revenus et avons lu les rapports des expériences du WIPP dans les années 80. Nous voulons apprendre du passé, mais parfois nous avons dû faire nos propres erreurs. »
Les chercheurs collaborent avec des partenaires internationaux pour utiliser les données de ce projet afin d’améliorer les modèles informatiques des interactions chimiques, thermiques, aquatiques et physiques complexes qui se déroulent sous terre. Cela améliorera la modélisation future des dépôts de déchets nucléaires à l’échelle mondiale.
En fin de compte, l’équipe aimerait passer à des expériences plus grandes et plus longues pour obtenir des données pertinentes pour les futurs dépôts de sel, ont déclaré Kuhlman et Stauffer. Ces données, complétant les données déjà collectées, informeraient les concepteurs de dépôts et les décideurs politiques sur la sécurité du stockage permanent des déchets nucléaires générateurs de chaleur dans des dépôts de sel.
“C’est vraiment intrigant et intéressant, pour moi, de travailler sur un projet qui est si pratique”, a déclaré Mills. « Concevoir et construire les systèmes et entrer sous terre dans WIPP a été vraiment gratifiant. Faire de la recherche dans un environnement minier actif peut être un défi, mais j’ai été fier de travailler là-bas et de mettre en œuvre nos idées.
