Miscroscopic scale modelling of fluids and solutes in saturated and unsaturated clays

Les minéraux argileux ont été sélectionnés par l'Andra dans le projet Cigéo de stockage de déchets nucléaires pour leur propriétés d'adsorption et leur très faible perméabilité. Dans ce contexte d'exploitation, du gaz peut s'introduire dans les pores du milieu naturel initialement saturé, créant localement des conditions transitoires partiellement saturées dont il est essentiel de quantifier l'impact pour s'assurer de la pérennité du stockage. Dans les pores argileux, de l'ordre du nanomètre, le transfert de l'eau et des solutés est fortement influencé par les interactions électrostatiques avec les surfaces. Nous avons utilisé la dynamique moléculaire afin d'étudier l'effet de surfaces chargées sur les propriétés des espèces à l'échelle atomique. Nous avons tout d'abord sondé l'effet de la prise en compte de la polarisabilité des espèces dans les interactions (champ de force) sur un système de référence de montmorillonite saturée. La polarisabilité s'est avérée changer de façon notable l'organisation et la dynamique des espèces au sein du pore. Elle augmente notamment le nombre de paires ioniques formées en solution, ce qui amène une structuration en couche des ions polarisables à l'interface avec l'argile. L'effet de l'insaturation en air sur les propriétés des espèces confinées au sein d'un pore argileux s'est révélé être important pour les très grandes insaturations. Dans les pores très insaturés, les cations se placent entre la surface et les anions afin d'écranter la charge négative de l'argile créant localement une surcompensation de la charge. La diffusion des espèces est contrôlée par celle des cations qui varie en fonction du type de champ de force utilisé.The clay minerals were selected by Andra in the deep geological disposal facility for radioactive waste management, named Cigeo, for their adsorption properties and very low permeability. In this context, gas can be inserted into the pores of the initially saturated natural environment, creating partially saturated transient conditions. Whose impact must be quantified in order to ensure the durability of storage. In clay pores, of nanometric size, the water and solutes transfer is strongly influenced by electrostatic interactions with surfaces. Thus, we used Molecular Dynamics to study the impact of charged surfaces on the species properties at the atomic scale. We first probed the effect of the species polarizability in the calcul of interactions (force field) on a saturated montmorillonite reference system. Polarizability has been shown to significantly change the organization and dynamics of water and solutes within the pore. In particular, it increases the number of ionic pairs formed in solution, which leads to a layer structuration of the polarizable ions at the clay interface.The effect of an air unsaturation on the properties of species confined within a clay pore has been shown to be important for very large unsaturations. In very unsaturated pores, the cations are placed between the surface and the anions in order to screen the negative charge of the clay, creating locally an overcompensation of the charge. The diffusion of all the species is controlled by cations which varies according to the type of force field used, polarizable or non polarizable