Étude d'analogues archéologiques pour la validation des modèles de comportement à long terme des verres nucléaires, Study of archaeological anologs for the validation of nuclear glass long-term behavior models

Aurélie Verney-Carron

Description

Sous la direction de Guy Libourel, Stéphane Gin
Thèse soutenue le 29 octobre 2008: INPL
Des blocs de verre archéologique provenant d’une épave découverte près de l’île des Embiez (Var) en mer Méditerranée ont été étudiés en raison de leur analogie morphologique avec les verres nucléaires et de leur environnement connu et stable. Fracturés à l’issue de leur élaboration (comme les verres nucléaires), ces verres se sont altérés près de 1800 ans en eau de mer. Ce travail a abouti au développement et à la validation d’un modèle géochimique capable de simuler l’altération d’un bloc de verre archéologique fracturé au bout de 1800 ans. Les expériences ont permis de déterminer les constantes cinétiques des mécanismes en jeu (interdiffusion et dissolution du réseau vitreux) et les paramètres thermodynamiques (affinité, phases secondaires) de ce modèle. Celui-ci, implémenté dans HYTEC a permis de simuler l’altération de fissures sur 1800 ans. La cohérence des épaisseurs d’altération simulées et des valeurs mesurées sur les blocs valide la capacité prédictive du modèle. Ce modèle permet alors d’expliquer les résultats issus de la caractérisation du réseau de fissures et de son état d’altération. Les fissures de la zone externe du bloc sont les plus altérées du fait du renouvellement rapide de la solution, alors que les fissures internes ont des épaisseurs très fines à cause du couplage entre l’altération du verre et le transport des éléments en solution (effet de l’ouverture initiale et du colmatage). Les résultats expliquent non seulement les épaisseurs les plus fines, mais aussi leur variabilité. Le comportement analogue des verres archéologiques et nucléaires permet d’envisager une transposition de ce modèle aux verres nucléaires en condition de stockage géologique
-Altération
-Modélisation géochimique
-Couplage chimie-transport
-Fracturation
-Verre archéologique
Fractured archaeological glass blocks collected from a shipwreck discovered in the Mediterranean Sea near Embiez Island (Var) were investigated because of their morphological analogy with vitrified nuclear waste and of a known and stable environment. These glasses are fractured due to a fast cooling after they were melted (like nuclear glass) and have been altered for 1800 years in seawater. This work results in the development and the validation of a geochemical model able to simulate the alteration of a fractured archaeological glass block over 1800 years. The kinetics associated with the different mechanisms (interdiffusion and dissolution) and the thermodynamic parameters of the model were determined by leaching experiments. The model implemented in HYTEC software was used to simulate crack alteration over 1800 years. The consistency between simulated alteration thicknesses and measured data on glass blocks validate the capacity of the model to predict long-term alteration. This model is able to account for the results from the characterization of crack network and its state of alteration. The cracks in the border zone are the most altered due to a fast renewal of the leaching solution, whereas internal cracks are thin because of complex interactions between glass alteration and transport of elements in solution (influence of initial crack aperture and of the crack sealing). The lowest alteration thicknesses, as well as their variability, can be explained. The analog behavior of archaeological and nuclear glasses from leaching experiments makes possible the transposition of the model to nuclear glass in geological repository
-Alteration
-Geochemical modeling
-Coupling chemistry-transport
-Archaeological glass
-Fracture
Source: http://www.theses.fr/2008INPL052N/document

Sujets

• Altération

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 182
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

ECOLE DOCTORALE RP2E



Doctorat de Géosciences





VERNEY-CARRON Aurélie




Étude d’analogues archéologiques pour la validation des modèles de
comportement à long terme des verres nucléaires.





Thèse soutenue le 29 octobre 2008



Jury :

Yves GUEGUEN Président du Jury
Jean-Louis CROVISIER Rapporteur
Laurent DE WINDT Rapporteur
Anne BOUQUILLON Examinateur
Stéphane GIN Exam
Guy LIBOUREL Directeur de thèse
Jean PHALIPPOU Invité
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Titre : Etude d’analogues archéologiques pour la validation des modèles de comportement à
long terme des verres nucléaires

Résumé :

Des blocs de verre archéologique provenant d’une épave découverte près de l’île des Embiez
(Var) en mer Méditerranée ont été étudiés en raison de leur analogie morphologique avec les
verres nucléaires et de leur environnement connu et stable. Fracturés à l’issue de leur
élaboration (comme les verres nucléaires), ces verres se sont altérés près de 1800 ans en eau
de mer. Ce travail a abouti au développement et à la validation d’un modèle géochimique
capable de simuler l’altération d’un bloc de verre archéologique fracturé au bout de 1800 ans.
Les expériences ont permis de déterminer les constantes cinétiques des mécanismes en jeu
(interdiffusion et dissolution du réseau vitreux) et les paramètres thermodynamiques (affinité,
phases secondaires) de ce modèle. Celui-ci, implémenté dans HYTEC a permis de simuler
l’altération de fissures sur 1800 ans. La cohérence des épaisseurs d’altération simulées et des
valeurs mesurées sur les blocs valide la capacité prédictive du modèle.
Ce modèle permet alors d’expliquer les résultats issus de la caractérisation du réseau de
fissures et de son état d’altération. Les fissures de la zone externe du bloc sont les plus
altérées du fait du renouvellement rapide de la solution, alors que les fissures internes ont des
épaisseurs très fines à cause du couplage entre l’altération du verre et le transport des
éléments en solution (effet de l’ouverture initiale et du colmatage). Les résultats expliquent
non seulement les épaisseurs les plus fines, mais aussi leur variabilité.
Le comportement analogue des verres archéologiques et nucléaires permet d’envisager une
transposition de ce modèle aux verres nucléaires en condition de stockage géologique.
Mots-clé : altération, verre archéologique, fracturation, couplage chimie-transport,
modélisation géochimique
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Title: Study of archaeological analogs for the validation of nuclear glass long-term behavior
models

Abstract:

Fractured archaeological glass blocks collected from a shipwreck discovered in the
Mediterranean Sea near Embiez Island (Var) were investigated because of their
morphological analogy with vitrified nuclear waste and of a known and stable environment.
These glasses are fractured due to a fast cooling after they were melted (like nuclear glass)
and have been altered for 1800 years in seawater. This work results in the development and
the validation of a geochemical model able to simulate the alteration of a fractured
archaeological glass block over 1800 years.

The kinetics associated with the different mechanisms (interdiffusion and dissolution) and the
thermodynamic parameters of the model were determined by leaching experiments. The
model implemented in HYTEC software was used to simulate crack alteration over 1800
years. The consistency between simulated alteration thicknesses and measured data on glass
blocks validate the capacity of the model to predict long-term alteration.

This model is able to account for the results from the characterization of crack network and its
state of alteration. The cracks in the border zone are the most altered due to a fast renewal of
the leaching solution, whereas internal cracks are thin because of complex interactions
between glass alteration and transport of elements in solution (influence of initial crack
aperture and of the crack sealing). The lowest alteration thicknesses, as well as their
variability, can be explained.

The analog behavior of archaeological and nuclear glasses from leaching experiments makes
possible the transposition of the model to nuclear glass in geological repository.

Keywords: alteration, archaeological glass, fracture, coupling chemistry-transport,
geochemical modeling
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Analogie de la guêpe et du tramway électrique.
Quelque chose de muet au repos et de chanteur en action.
Quelque chose aussi d'un train court, avec premières et secondes, ou plutôt motrice et
baladeuse.
Et trolley grésilleur. Grésillante comme une friture, une chimie (effervescente).
Et si ça touche, ça pique. Autre chose qu’un choc mécanique : un contact électrique, une
vibration venimeuse.
Mais son corps est plus mou – c’est-à-dire en somme plus finement articulé – son vol plus
capricieux, imprévu, dangereux que la marche rectiligne des tramways déterminée par les
rails.


Francis Ponge, La Rage de l'expression.

















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Remerciements

“Si philosopher c’est douter, comme ils disent, à plus forte raison niaiser et fantastiquer,
comme je fais, doit être douter. Car c’est aux apprentis à enquérir et à débattre, et au
cathédrant [directeur] de résoudre.” (Montaigne, Essais II, Chapitre III : Coutume de l’île de
Cea).
Je remercie ainsi infiniment mes encadrants de thèse, Stéphane Gin et Guy Libourel, pour
m’avoir encouragée et soutenue tout au long de ce travail et pour avoir su patiemment faire
face à mes “doutes” et répondre à mes questions. Je suis également très reconnaissante envers
Stéphane Gin pour m’avoir convaincue de me lancer dans cette aventure.

Je tiens ensuite à remercier Jean-Louis Crovisier et Laurent De Windt pour avoir accepté
d’être rapporteurs de ce travail et pour toute l’attention qu’ils y ont consacré. Je remercie
également Yves Guéguen, Anne Bouquillon et Jean Phalippou d’avoir pris part à l’examen de
cette thèse.

Cette thèse s’est déroulée au CEA de Marcoule. Je remercie donc chaleureusement Catherine
Fillet et Bruno Lorrain pour m’avoir accueillie au sein de leur service (SECM). Je voudrais
également adresser toute ma gratitude aux membres du laboratoire LCLT. Merci tout d’abord
à Pierre Frugier et à Jean-Eric Lartigue, qui au détour d’une pause, m’ont permis d’avancer
chaque jour en modélisation, en résolvant mes problèmes. Merci aussi à Frédéric Bouyer pour
son aide technique sur Hytec. Merci à Jean-Pierre Mestre pour tout ce temps passé dans le
noir à observer mes échantillons (au MEB). Merci à Géraldine Parisot et au reste de l’équipe
ICP (Caroline Marques et Christel Coullomb) pour avoir analysé (souvent dans des délais très
courts) mes solutions “casse-tête”. Merci à Jean-Louis Chouchan, Chantal Sanchez, Florence
Bruguier et Delphine Gleizes pour leur aide précieuse lors des expériences. Merci également
aux autres personnes du laboratoire pour leur accueil, leur gentillesse et leur soutien : Nicole
Godon, Frédéric Angeli, Patrick Jollivet, Nadine Daïni, Yves Minet. Un merci spécial aux
“vieux” thésards pour la transmission de