Electro-décontamination des matériaux cimentaires
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The end of operations in nuclear facilities is followed by various decontamination and decommissioning operations. Similar to other electrochemical techniques such as realkalisation and chloride extraction, an electrokinetic remediation process is being developed as a specific method for deeply contaminated concrete structures. Two cements, an ordinary Portland and 30 % slag cement, have been chosen for the conducted work. Mortars and concretes are contaminated by adding non-radioactive cesium in the batch water, cesium being a representative specie of deep encountered contaminants. The conducted experimental and numerical work have focused on three main aspects: characterizing and understanding the cesium transport mechanisms, assessing the electro-remediation process at lab-scale and evaluating the real scale constraints. Using existing knowledge of chloride transport mechanisms, experiments have been conducted to characterize the cesium interactions with cementitious phase and ionic transport in saturated materials. A numerical model have then been developed to describe the cesium transport, taking into account the ionic activity coefficients and interactions with solid phases. Indeed, lab-scale experiments have demonstrated that electro-remediation reduced to 20--50% the initially contained cesium after a three weeks treatment. Treated samples analysis confirmed that deeply diffused cesium is migrating to the surface. Moreover, conducted experiments showed the consistency between the different materials properties, applied currents and decontamination efficiency. A comparative analysis of experiments carried on samples with different shapes, formulations and contamination modes helped assessing and optimizing the process efficiency for various continuous and variable applied currents. Finally, electro-remediation experiments have also been carried on 1 m² concrete slabs. Liquid catholyte and anolyte solutions are replaced by alumina gels and cellulose pastes. Lab-scale experiments demonstrated the good substitutability between liquid solutions and the two alternative electrolytes, however, rheological and drying behavior of gels and pastes still dwells on the process efficiency. Analysis of concrete slabs samples after treatment showed ionic migration of cesium, sodium and potassium. Hence, the efficiency and feasibility of electro-remediation have been demonstrated. Yet, the process still needs optimization and validation on real contaminated structures.
Abstract FR:
Les matériaux cimentaires représentent une part importante du volume des déchets nucléaires. Le procédé d'électro-décontamination permet d'assainir en profondeur les matrices cimentaires et de réduire les volumes des déchets. Le développement du procédé s'appuie sur l'expérience acquise par les techniques de réalcanisation et de déchloruration des bétons armés. Au cours de cette étude, deux ciments, un ciment ordinaire de Portland et un ciment à 30 % de laitier, ont été choisis pour gâcher mortiers et bétons. Ils ont été contaminés à la gâchée par du césium inactif, l'espèce la plus représentative des contaminations profondes. Trois principaux objectifs ont guidé les travaux expérimentaux et numériques : la caractérisation et une meilleure compréhension du transport ionique du césium, l'évaluation du procédé à l'échelle du laboratoire et le passage à une échelle représentative du chantier. La caractérisation des propriétés de transfert du césium s'est appuyée sur les protocoles existants pour les chlorures. Une étude comparative de la rétention et du transport des chlorures et du césium ont permis de décrire et de quantifier les phénomènes observés. Un modèle de transport ionique a alors été développé en prenant en compte les termes de force ionique et les équilibres des interactions des alcalins avec les phases cimentaires. Les applications du procédé à l'échelle du laboratoire ont montré la cohérence entre efficacité de la décontamination, caractéristiques du matériau et les grandeurs électriques imposées. Il a notamment été démontré que le procédé permet de s'affranchir d'une part importante du césium (entre 50 % et 80 % en trois semaines) et mobilise le césium profond depuis le voisinage des armatures. Les effets de la géométrie de l'échantillon, du mode de contamination et des courants électriques, ainsi que le suivi de la corrosion et de la déformation des matériaux ont également été étudiés. Des essais de décontamination sur grandes dalles ont aussi été réalisés pour estimer les effets d'échelle. Les compartiments électrolytiques sont remplacés par des électrolytes solides, gels et pâtes de papier. Si le rôle substitutif de ces électrolytes a été démontré, les contraintes liées à leur comportement rhéologique et leur cinétique de séchage restent présentes. L'analyse du solide après décontamination a mis en évidence la migration du césium mais aussi celle du sodium et du potassium. Enfin, l'efficacité et la faisabilité du procédé ont été largement démontrées tout au long de ce travail, néanmoins, un travail d'optimisation et de validation reste aujourd'hui nécessaire.