Development of a super absorbent process for nuclear decontamination of porous materials

Dans le cadre des opérations de démantèlement d’installations nucléaires, diverses opérations de décontamination sont nécessaires. Une des problématiques principales rencontrées concerne la décontamination des matériaux cimentaires du fait de l’incorporation des contaminants dans leurs structures poreuses. Dans ce travail, nous étudions la possibilité d’utiliser un procédé de décontamination de matériaux cimentaires basé sur la méthode de « compresses » qui est principalement utilisée de nos jours pour le dessalement des bâtiments. L’adaptation de cette technique passe d’abord par l’étude des mécanismes physiques qui contrôlent les différentes phases du procédé. Pour ce faire, nous utilisons des systèmes modèles, composés de compresses (pâtes formulées à base de kaolin ou de fibres de cellulose) appliquées sur la surface d’un substrat modèle (empilement de billes de verre), dans le but de comprendre le déroulement du procédé dans son intégralité, et en particulier les transferts hydriques impliqués. Des techniques d’Imagerie par Résonance Magnétique sont donc utilisées pour suivre la distribution de l’eau à l’intérieur de ces systèmes fournissant ainsi des informations originales très complètes. La démarche adoptée consiste à décomposer notre étude en trois axes. Tout d’abord, nous montrons que l’imbibition du substrat à partir de la compresse est rendu possible grâce à sa capacité à se contracter sous l’effet des contraintes capillaires imposées par le substrat. L’état d’équilibre atteint à la fin du processus d’imbibition peut ainsi être contrôlé en ajustant les caractéristiques de la compresse. Ensuite, nous décrivons les différents mécanismes observés lors du séchage de systèmes compresses/substrat en fonction de leur distribution de tailles des pores. Nous montrons que l’extraction d’une grande partie de l’eau (~ 85 %) du substrat par une compresse est assurée par les rééquilibrages capillaires qui permettent une désaturation homogène et simultanée des deux composants du système jusqu’à de très faibles saturations. Enfin, le procédé de décontamination du substrat (initialement contaminé en césium inactif) est évalué pour différents systèmes. Nous montrons que la formation des cristaux de sel (nitrate de césium) lors du séchage des systèmes compresse/substrat peut, dans certaines configurations, limiter le transport des contaminants depuis le substrat vers la compresse diminuant ainsi son efficacité de décontamination.Within the framework of decommissioning of nuclear facilities, various decontamination operations are required. One of the main issues is the decontamination of cementitious materials due to the incorporation of contaminants into their porous structures. Throughout this project, we study the possibility of using a process for decontaminating cementitious materials based on the "poultice" method, which is mainly used nowadays for desalination of buildings. Such a technical adaptation first requires a meticulous study of physical mechanisms that control the different phases of the process. For that aim, we use model systems, composed of poultices (based on kaolin or cellulose fibers) applied to the surface of a model substrate (glass beads packing) in order to understand the whole process, and in particular the water transfers involved. Magnetic Resonance Imaging techniques are therefore used to monitor water distribution within these systems, and provide complete original information. Our approach consists in breaking down our study into three axes. First, we study substrate imbibition from a wet poultice. We show that liquid can invade the substrate even if it has a larger pore size than the poultice. The imbibition process stops when the capillary pressure in the substrate balances the stress needed to further contract the poultice. This in particular means that the liquid penetration in a porous medium from a poultice may be controlled by adjusting the poultice characteristics. Then, we provide the detailed drying mechanisms of initially saturated systems depending on their pore size distribution. We show that poultice can extract a large part (~ 85 %) of substrate liquid thanks to capillary equilibration processes that allow both media to desaturate homogeneously and simultaneously up to the very last stages of drying. Finally, decontamination efficiency of substrates initially contaminated by inactive cesium is evaluated. We show that salt crystals (cesium nitrate) growing during the system poultice/substrate drying can, in some configurations, limit contaminants transport from the substrate to the poultice and thus reduce the decontamination efficiency