Étude de l’application des composites à matrice géopolymère dans la fabrication des conteneurs de déchets toxiques

Dans la recherche d’un matériau alternatif à l’acier pour le chemisage des conteneurs de déchets radioactifs, un enjeu majeur réside dans la capacité du matériau à résister à des conditions extrêmes, notamment des températures élevées pouvant atteindre 90 °C, ainsi qu’à des humidités relatives très variables, allant d’un milieu sec à un environnement humide. Cette étude s’inscrit dans cette problématique, en lien avec les exigences du stockage géologique profond des déchets hautement radioactifs, tel que prévu dans le projet Cigéo, en explorant l’utilisation d’un matériau géopolymère à base de métakaolin. La première phase de la thèse consiste à optimiser la formulation en variant trois paramètres clés : le sable (rapport S/M de 0 à 2), le filler calcaire (de 0 à 20 %) et les fibres de carbone recyclées (de 0 à 0,6 %), chacun à quatre niveaux de remplacement. Un plan d’expériences Taguchi L16 a été utilisé couplé avec une analyse relationnelle grise et une analyse en composantes principales (Taguchi-GRA-PCA). Cela permet la sélection d’une formulation optimale parmi seize compositions, sur la base d’essais de retrait, de porosité et de résistance mécanique après un conditionnement de trois mois à 90 °C en ambiance sèche. Dans une deuxième phase, la formulation optimisée a été soumise pendant neuf mois à trois environnements hygrothermiques représentatifs des conditions de stockage : 20 °C à 100 % d’humidité relative (avant le dépôt des déchets), 90 °C à 0 % d’humidité relative (juste après le dépôt), et 90 °C à 100 % d’humidité relative (après infiltration potentielle de l’eau géologique). Des campagnes d’essais ont été menées à 28 jours, 3 mois, 6 mois et 9 mois, incluant des mesures de porosité accessible à l’eau, porosimétrie au mercure (MIP), retrait, perte de masse, résistance mécanique, module d’Young par ultrasons, analyses thermogravimétriques (TGA), microscopie électronique à balayage (MEB), migration des ions chlorure en régime non-stationnaire, absorption de l’eau par capillarité et perméabilité au gaz. Par ailleurs, la formulation optimisée a été aussi utilisée pour la fabrication d’échantillons par impression 3D afin de comparer à 28 jours leurs performances mécaniques à celles des échantillons moulés. Cette technique émergente présente des avantages économiques et permet une réduction significative du temps de mise en œuvre.