Résumé des interventions au colloque Aussois 2013

P. Pareige – GPM / Rouen – Irradiation effects in structural components of nuclear reactor: an experimental nanoscale point of view

In nuclear power plants, materials may undergo degradation due to severe irradiation conditions that may limit their operational life. Utilities that operate these reactors need to quantify the ageing and the potential degradations of some essential structures of the power plant to ensure safe and reliable plant operation. So far, the material databases needed to take account of these degradations in the design and safe operation of installations mainly rely on long-term irradiation programs in test reactors as well as on mechanical or corrosion testing in specialized hot cells.

First example, ferritic pressure vessel materials (generally low-alloy bainitic steels) are subject to neutron irradiation during their operational lives and, if damage doses reach only ~ 0.2 dpa (displacement per atom) at the end of life (40 years), the irradiation induced shift in the brittle to ductile transition temperature for current RPV steels would typically be no more than 100°C. For this level of damage, the damage mechanisms are understood reasonably well, but, in the case of an end of life of more than 40 years, different questions arise such as: Does accumulation of more than 0.2 dpa induce other damage mechanisms?

Second example, the internal components of light water reactors are fabricated from austenitic stainless steel and surround the fuel elements and ensure their positioning and cooling by supporting them and guiding the coolant flow. The internals are exposed to intense neutron irradiation (over 1dpa per year, depending on the reactor design), mechanical and thermal stresses and the corrosive action of the high temperature water coolant. This exposure may lead to several degradation mechanisms, limiting the useful life time of the internal components. The three main degradation mechanisms under consideration are: irradiation assisted stress corrosion cracking (IASCC), irradiation creep and irradiation induced swelling. For the light water reactors, currently in operation, no systematic data are available on the long term behaviour of the materials used for the internal components. The available knowledge on degradation of the internal components of LWRs originates mainly from the analysis of materials from extracted components or from tests on materials, irradiated in test reactors (mostly under somewhat different conditions than occur in LWRs). Here again characterization and modelling is a main topic.

In this presentation, after a brief review of irradiation effects in metals from picoseconde (displacement cascade) to 40 years of operation, a description of the experimental tools necessary for their studies (from atomic scale to macroscopic scale) will be presented. A description of the “up to now“ understanding of these irradiation effects on microstructures will be given as well as the remaining questions!

Continuous progress in the physical understanding of the phenomena involved in irradiation damage (main topic of this presentation) and continuous progress in computer sciences (see C. Becquart’s presentation) have now made possible the development of multi-scale numerical tools able to simulate the effects of irradiation on materials microstructure.

 

C. S. Becquart – LMPGM / Lille – Multi-­scale modelling of the microstructure evolution applied to RPV materials

The development of numerical tools capable of simulating the effects of neutron irradiation on mechanical properties of materials is becoming more and more wide-spread because of on the one hand side the increasing costs of the experiments and on the other hand the increasing power of computer. Usually these numerical tools are linked within a multi-scale platform. This is the approach followed, for instance, by the European, and wider, international scientific community created around the FP6 PERFECT and FP7 PERFORM60 projects for in service fission reactors, the cross cutting FP7 GETMAT project, in the fusion materials project managed by EFDA or by several international initiatives which are on-going for generation IV structural materials.

This lecture presents an overview of some of the techniques used in the multi-scale modelling approach of radiation damage in structural materials. This scheme resorts to different simulations techniques as many length and time scales are involved. As a complete and thorough description of all the possible techniques applied to all the possible materials is out of reach it will focus on the modelling of the microstructure of metals and metallic alloys at the smallest scales (atomic and mesoscopic) and most of the examples provided will pertain to the case of pressure vessel ferritic steels for fission reactors.

 

M. George – Laboratoire Charles Coulomb / Montpellier – Stress Corrosion mechanisms in glasses: observations at the nanoscale

By investigating more than six decades of length scales (from nm to mm), we have studied how linear elastic well-known solutions hold water at the close neighbourhood of the tip of a crack propagating in oxide glass under stress-corrosion regime. The existence of dissipative mechanisms at small scale was especially targeted.

Subcritical crack propagation was performed by a loading cell on Double Cleavage Drilled Compression samples under controlled atmosphere. Post-mortem and in-situ observations were performed by optical techniques and atomic force microscopy (AFM). A 2D/3D analysis of this sample was realized according to linear elastic fracture mechanics in order to discuss the experimental results and to ensure the mechanical test control at all scales.

The mechanical effect of capillary condensation observed by AFM at the crack tip was modelled according to a cohesive zone model. This allowed notably to evaluate the negative Laplace pressure in the liquid and to explain the crack closure mechanism in glass.

A digital image correlation technique was used on series of consecutive AFM in-situ images. We showed that the elastic solution for the surface displacement field is valid up to a distance of 10 nm from the crack tip. The height correlation functions along the AFM images of fracture surfaces were also analyzed. We showed that the cut-off length, found close to few tens of nanometres and previously interpreted as the process zone size, is most probably due to the finite size of the AFM scanning probe and in agreement with the DIC, no process zone larger than 20 nm is observable.

Out-of-plane displacement field (b) around the crack tip determined by digital image correlation of successive AFM topographical images of a propagating crack (a).

 

A. Prida – responsable R&D / Tonnellerie Seguin Moreau – Aspects sensoriels de l’usage de chêne en œnologie : de l’élevage en barrique jusqu’à vieillissement en bouteilles.

La maturation du vin en fût est une étape essentielle dans l’élaboration des grands vins et spiritueux. Au cours de l’élevage en fût, les extractibles du bois de chêne se diffusent dans et modifient les arômes et le goût du vin et d’alcool, en apportant des notes vanillées, épicées, fumées, etc. D’autre part, l’oxydation ménagée des substances présentes dans les vins et alcools causée par la pénétration d’oxygène à travers la barrique modifie favorablement les caractéristiques organoleptiques du vin telles que la couleur, le goût et l’odorat.

En effet, l’utilisation du bois (aussi bien les fûts que les grands contenants tels que foudres et cuves) apporte de nombreux bénéfices à l’élaboration des vins. Au cours de ces dernières années, les vignerons ressentent et expriment de plus en plus le besoin d’utiliser le fût de chêne ; compagnon traditionnel des vins de qualité, mais souvent oublié au profit de méthodes plus industrielles. L’utilisation du bois demande également une maîtrise du procédé qui doit mettre en valeur le vin et ne pas le «standardiser» et le «banaliser» avec un boisé trop dominant.

Durant cet exposé, les différents mécanismes et interactions entre vin et bois de chênes seront présentés afin d’expliquer comment se forment les aromes du vin au cours de son élevage.

X. Feaugas – LaSIE / La Rochelle – Processus de diffusion et de piégeage de l’hydrogène à l’échelle du joint de grain : des éléments de réflexion sur la fragilisation par l’hydrogène de nature inter-granulaire.

La fragilisation par l’hydrogène (FPH), est l’une des causes souvent invoquées lors de ruptures prématurées de pièces dans l’industrie. Ce phénomène, associé à des processus multi-physiques, induit des conditions d’amorçage et de propagation de fissures fortement dépendantes de l’environnement. Si les mécanismes de fragilisation sont maintenant bien identifiés, les cinétiques associées à l’adsorption, à l’absorption, au transport et la ségrégation de l’hydrogène sont encore mal comprises. Le questionnement des modèles de FPH nécessite donc des moyens de caractérisation précis de ces différentes étapes. Dans ce contexte, nous avons développé une démarche critique associant la perméation électrochimique (EP) à la spectroscopie de désorption thermique (TDS) afin d’accéder aux énergies de piégeage de l’hydrogène et les concentrations d’hydrogène piégés dans différents métaux. Dans les présents travaux nous présenterons une démarche systématique afin de questionner la contribution des joints de grains sur la diffusion et le piégeage de l’hydrogène pour le nickel polycristallin sur une large gamme de tailles de grain (de 20 nm à 200 mm). Notons que le phénomène de court-circuit de diffusion dans le nickel a été souvent contesté, suggérant que les défauts intrinsèquement stockés dans les joints de grains représentent des sites de piégeage pour l’hydrogène. Afin de lever ce type de conflit apparent, nous avons récemment effectué une analyse statistique des types de joint de grain et de leur degré de percolation sur une large plage de taille de grain. Cette analyse conduite en MEB-EBSD a permit de séparer les types de joint de grain. Les joints de grain (JG) de forte désorientation ne présentant pas de relation de coïncidence (Random) se comportement comme une phase désordonnée dont le coefficient de diffusion est plus grand que celui d’une phase cristalline. Ainsi le coefficient de diffusion effectif mesuré augmente avec la fraction de ce type de JG. En revanche les joints de grain de faible désorientation et les joints de grain de forte coïncidence (noté CSL ou S) présentant des défauts cristallin (lacunes et dislocations) sont des sites privilégiés de piégeage de l’hydrogène. Les modes de rupture ductile et fragile de nature inter-granulaire sont alors discutés en regard des mécanismes de formation de lacune et de diminution des énergies d’interface en présence d’hydrogène selon la nature des joints de grain considérés.

 

I. Aubert et N. Saintier – I2M / Bordeaux – Prise en compte des hétérogénéités microstructurales en situation de couplage.

Les premiers stades de l’endommagement des structures en environnement sévère (Corrosion Sous Contraintes (CSC), Fatigue Corrosion (FC), Fragilisation Par l’Hydrogène (FPH)) sont étroitement liés aux hétérogénéités de contraintes et de déformation à l’échelle de la microstructure. L’étude de ces hétérogénéités, tant sur le plan expérimental que numérique, doit permettre d’apporter des éléments de réponse sur l’origine des mécanismes d’endommagement en situation de couplage.
Nous présenterons les approches développées dans le cas de deux situations de couplage mécanique/environnement. Le premier cas concerne les interactions hydrogène/plasticité dans le cas des CFC. Nous présenterons dans un premier temps, des résultats expérimentaux attestant l’influence des champs mécaniques sur la diffusion de l’hydrogène lors d’essais de fatigue corrosion en hydrogène gazeux. Les effets couplés de l’hydrogène et des champs mécaniques seront ensuite pris en compte pour établir un modèle numérique de diffusion de l’hydrogène à l’échelle de la microstructure polycristalline d’un acier inoxydable sous chargement mécanique en présence d’hydrogène gazeux. Le deuxième cas concerne la corrosion sous contrainte intergranulaire des microstructures de noyau des joints soudés FSW pour des alliages d’aluminium. Une démarche couplant l’utilisation conjointe de techniques expérimentales locales et d’une modélisation par éléments finis de la microstructure polycristalline permettra de proposer un modèle de propagation de fissures de CSC-IG.

Répartition de la concentration en hydrogène après un essai de traction sur un polycristal synthétique de concentration initiale CLo uniforme en hydrogène..

 

E. Jacquet – FEMTO / Besançon – Comportement, viellissement et peau.

Sillons de peau, indicateur incontournable de son âge.

M-F. Thevenon – CIRAD / Montpellier – Durabilité des bois

Le bois, comme tout autre matériau ligno-cellulosique, est une ressource naturelle et renouvelable, laquelle peut être dégradée par des mécanismes biotiques indissociables d’un environnement abiotique. Le bois est en effet, un habitat et une ressource trophique pour de multiples organismes colonisateurs tels que les bactéries, les champignons de pourriture, les insectes à larves xylophages ou les termites. Les mécanismes de dégradation des organismes lignivores sont divers et ont pour conséquence de recycler la matière organique dans les éco-systèmes. Mais dès lors que le bois est utilisé par l’homme en tant que matériau, toute activité de bio-degradation issue de ces organismes est qualifiée de pathologie.

La résistance du bois, durabilité naturelle ou conférée par un traitement, est généralement évaluée par le biais d’essais de laboratoire ou d’essais de champ. Les critères utilisés sont spécifiques aux essais biologiques (perte de masse, cotation visuelle,…) et sont trop peu reliés à des pertes de caractéristiques mécaniques, alors qu’il conviendrait de cultiver des passerelles entre biologie et mécanique. En effet, la durabilité du bois est un facteur crucial dès que l’on veut évaluer la durée de service d’un ouvrage dans un environnement donné. Des questionnements quant aux améliorations de l’évaluation de la durabilité du bois seront évoqués.

De plus, le choix du bois, qu’il soit traité ou non, pour la réalisation d’un ouvrage peut être considérablement impactant sur les autres matériaux mis en œuvre (corrosion, compatibilité) et sur la fin de vie de l’ouvrage (recyclage des matériaux).

 

P. Charrier – Trelleborg / Nantes – Vieillissement thermo-oxydatif des pièces antivibratoires automobiles : du vieillissement accéléré au dimensionnement en fatigue

L’internationalisation récente des constructeurs automobiles ainsi que la volonté de réduire les émissions de CO2 ont conduit à de nombreux changements dans les cahiers des charges des pièces antivibratoires.

Une même pièce doit être validée pour des profils routiers très variés allant de l’Europe de l’Ouest aux situations de routes très dégradées que l’on peut trouver à travers le monde. De plus, des pays comme le Japon présentent une hygrométrie et une température moyenne plus élevées que celles que nous connaissons habituellement en France. Ceci, conjugué à des roulages très fréquents dans les embouteillages, induit un profil thermique sous capot moteur plus chaud que ce que nous connaissions dans nos régions. Pour finir, la température du moteur augmente régulièrement pour obtenir un meilleur rendement et abaisser les émissions de CO2. En conclusion, nous pouvons donc constater que les matériaux élastomères constituant les supports moteurs, par exemple, subissent aujourd’hui des chargements mécaniques et thermiques beaucoup plus sévères qu’il y a 10 ans.

Dans cette présentation, nous nous intéresserons plus particulièrement à l’impact du profil thermique sur le vieillissement des matériaux élastomères et les conséquences sur leur tenue en endurance.

 

 

E. Baranger – LMT / Cachan – Durée de vie de pièces composites à matrice céramique auto-cicatrisante sous air

L’utilisation de composites à matrice céramique afin d’alléger les moteurs équipant les avions civils implique de savoir prédire la durée de vie des pièces associées, à long terme, en environnement oxydant. Pour cela, un modèle multi-physique a été développé. Celui-ci permet de décrire la fissuration du matériau sous chargement mécanique complexe mais aussi l’évolution du processus de cicatrisation/dégradation. En effet, afin de limiter l’oxydation des fibres SiC à haute température, certaines couches matricielles s’oxydent et forment un verre qui vient limiter la diffusion de l’oxygène dans les fissures. Le modèle proposé permet la prédiction de l’évolution de la résistance des fibres dans le temps en fonction du chargement thermique, chimique (oxygène et vapeur d’eau) et mécanique. Ce modèle a été implanté et des premiers cas de structures simples ont été traités grâce à un calcul non-linéaire de la partie mécanique et un post-traitement de la partie physico-chimie. Il s’agit d’éprouvettes haltères et de plaques trouées (Figure ci-dessous).

Figure : Evolution de la durée de vie en fonction de la contrainte appliquée pour différents diamètres de trou

 

P. Davies – IFREMER / Brest – Accélération du vieillissement en milieu marin et couplage immersion/chargement cyclique

Influence du vieillissement sur les contraintes dans un assemblage collé

Photo: Sabella-Gladu-Balao

 

E. Herms – CEA / Saclay – La corrosion sous contrainte en milieux industriels et naturels

Parmi les diverses manifestations de la corrosion, la corrosion sous contrainte (CSC) est certainement l’une des formes les plus redoutées, dans la mesure où elle se traduit par une fissuration dont la phase de propagation peut être relativement rapide et intervenir après une phase d’incubation souvent beaucoup plus longue et exempte de tout signe précurseur. Comme son nom l’indique, la corrosion sous contrainte (CSC) résulte de l’action conjuguée d’une contrainte mécanique (résiduelle ou appliquée), et d’un milieu agressif vis à vis du matériau, chacun de ces facteurs pris séparément n’étant pas susceptible à lui seul d’endommager le matériau. De surcroît, elle se produit parfois dans des milieux peu agressifs. Trois acteurs principaux sont donc en jeu : le matériau et le milieu (comme toujours, en corrosion) et la contrainte.

La phénoménologie des processus de CSC est complexe. C’est en premier lieu un phénomène de corrosion qui dépend fortement du potentiel de corrosion du matériau qui contrôle la nature du mécanisme impliqué (fragilisation par l’hydrogène, instabilité ou rupture du film passif, …). Une fois dépassée la période dite d’ «incubation», des fissures s’amorcent et se propagent. La propagation des fissures comprend habituellement deux stades : un premier stade de croissance à vitesse modérée suivi d’un stade de croissance rapide. Enfin, au-delà d’une certaine taille, les fissures peuvent se ramifier et d’autre se regrouper. La fissuration se traduit par une rupture fragile des matériaux, sans grande déformation apparente. Les fissures peuvent être transgranulaires ou intergranulaires, et parfois mixtes, en fonction principalement du couple matériau – environnement comme illustré sur la figure ci-après.

La corrosion sous contrainte reste un problème industriel majeur. Le développement de modèles capables de prévoir l’amorçage et la propagation des fissures en vue de prédire le comportement en service, d’une optimisation des contrôles et des remplacements éventuels, reste un défi, même si les modèles semi-empiriques utilisés actuellement permettent une discrimination des paramètres pertinents en jeu. Pour décrire ce phénomène et ses manifestations, les illustrations concernent à la fois les milieux industriels (cas de réacteurs nucléaires) et les milieux naturels (eau de mer). Les seuils mécaniques (contrainte, facteur d’intensité des contraintes) seront discutés en lien avec la nature chimique du milieu environnant et du matériau, l’état mécanique et le potentiel de corrosion du matériau.

Exemple de fissuration intergranulaire (Alliage 600, milieu primaire REP, 325 °C) et de fissuration transgranulaire (acier inoxydable austéno-ferritique, milieu pollué en chlorures).

V. Maurel – Centre des matériaux – Mines-Paris Tech / Evry – Quelques mécanismes d’endommagement déterminant la durée de vie des revêtements pour aubes de turbine aéronautique : un problème de taille !

Les revêtements barrières thermiques sont utilisés pour protéger les aubes de turbines sollicitées en condition de fatigue thermo-mécanique à des températures excédant les 1100°C. Ce système est constitué d’une couche céramique, d’une sous-couche métallique et d’un substrat monocristallin. La couche métallique est le siège d’évolutions microstructurales fonction de l’histoire du chargement thermo-mécanique. Ce sont ces évolutions qui vont progressivement dégrader la tenue de l’interface métal/céramique. La durée de vie du système est atteinte lorsque les désaccords dilatométriques entre les couches le constituant deviennent suffisamment importants pour conduire à l’écaillage de la couche céramique.

Nous avons montrés au cours de cette étude que nous pouvions séparer a priori les mécanismes d’endommagement interfacial et d’écaillage car ils opèrent à des échelles différentes. Nous avons donc systématisé l’étude de la localisation de l’endommagement à l’interface en ayant recours aux mesures de champs de déformation à plusieurs échelles.  La tomographie aux rayons X a également permis de clarifier la nature de l’endommagement à l’interface, en mettant en évidence le rôle des croissances de porosités sur la diminution de l’adhérence de l’interface. Les mesures et simulations du revêtement métallique polycristallin ont également permis de comprendre une partie des dispersions et des localisations de l’endommagement observé. Enfin, une modélisation macroscopique, échelle indispensable à l’utilisation en bureau d’étude, a permis d’intégrer les mécanismes physiques de l’endommagement dans un modèle de durée de vie intégrant les dispersions expérimentales.

E. Blond – PRISME / Orléans – Etude et modélisation du comportement thermo‐chimio-­mécanique des oxydes conducteurs mixtes

La séparation de l’oxygène de l’air est couramment réalisée par distillation cryogénique. Depuis un peu plus de 30 ans, les oxydes conducteurs mixtes semblent constituer une alternative intéressante pour la production d’oxygène ultra pur. L’oxygène est séparé de l’air, à haute température, par conduction ionique à travers une membrane céramique dense. Tous les procédés nécessitant de l’oxygène (oxycombustion, métallurgie, domaine médical, …) sont des applications possibles de cette technologie.

Les conducteurs mixtes sont des matériaux céramiques dans lesquels deux espèces chimiques se déplacent : une espèce ionique et une espèce électronique. Le rapport des conductivités électroniques et ioniques est tel que la neutralité électrique est conservée. Cette propriété est obtenue par dopage d’une céramique (le plus souvent de structure perovskite) qui génère la présence de défauts, notamment des lacunes d’oxygène. Le composé est alors qualifié de sous-stœchiométrique en oxygène. Les écarts à la stœchiométrie sont fonction de l’oxyde de départ, de la température et de l’activité chimique des composés.

En service, la fluctuation de la stoéchiométrie, résultant du chargement thermique et du flux des ions oxygène à travers la membrane, occasionne des déformations du réseau cristallin qui se traduisent macroscopiquement par une déformation de la membrane et une modification (faible) des propriétés mécaniques. Afin de confirmer le rôle de ces déformations dites «chimiques» dans la rupture des membranes et d’étudier l’influence de paramètres telles que la géométrie (scellement céramique/métal) ou les conditions opératoires, un modèle macroscopique du comportement thermo-chimio-mécanique de ces céramiques a été développé et implémenté dans le logiciel Abaqus. La modélisation est relativement complète, tant du point de vue du comportement de la membrane que des sollicitations : la déformation chimique est prise en compte par l’intermédiaire d’un comportement thermomécanique dédié ; le transport ionique de l’oxygène est également reproduit via une loi de transport dédiée, en lien avec l’évolution du champ de température.

La simulation d’essais de dilatométrie sous différentes atmosphères contrôlées permet d’illustrer les capacités actuelles du modèle ainsi que ses limites. Enfin, ce modèle a permis de simuler les différentes phases de fonctionnement d’un réacteur pilote, développé par Air Liquide. Les prévisions obtenues sont pertinentes et mettent en lumière l’origine de certaines des difficultés actuelles de transfert de la technologie à l’échelle industrielle.

N. Burlion – LML / Lille – Couplages séchage-fissuration dans les matériaux cimentaires : analyse expérimentale multi-échelles

Les matériaux cimentaires contiennent classiquement beaucoup d’eau qui, par déséquilibre hydrique ou thermo-hydrique, va quitter le matériau pour provoquer retrait et fissuration intense. L’idée de la présentation est de faire un point sur la phénoménologie (en relation avec les ouvrages de stockage de déchets radioactifs), sur les verrous scientifiques actuels et montrer quelques résultats d’analyses expérimentales multi-échelles (sorption-désorption, microtomographie) sur la fissuration induite par le séchage et sur les couplages THM induits.

Microtomographie d’un composite ciment – billes de verres : mise en évidence de la fissuration inter granulats sous l’effet du séchage

E. Obataya – University of Tsukuba Japon – Recent progress in wood science around natural and artificial aging

Contrary to general belief, Japan is a forest country. About 70% of the land is covered with forest, and therefore, wood has been the most important construction material in Japan. Actually, 45% of common houses are constructed by using wood even in this age. Horyu-ji temple is the oldest wooden construction built in 607 (Fig.1a). Its wooden frame has withstood frequent earthquakes during 1400 years. This fact suggests that wood is incredibly durable when used in appropriate way. Ageing is regarded as a kind of degradation in many cases. In the case of wood, however, some mechanical performances such as longitudinal strength are significantly improved during 300 years of ageing. The ageing also improves the acoustic quality of wood, while such an effect cannot be achieved by artificial chemical modifications (Fig.1b). This fact coincides with musicians’ empirical knowledge that older instruments give better sound. Thus, wood ageing is not always a negative senescence but a positive modification. In this presentation, recent investigations on the characteristics of aged wood and the mechanisms of wood ageing will be reviewed.

Artificial ageing is also an important issue in wood engineering. It allows reliable lifetime prediction of wooden structure, and it may enable us to make high performance musical instruments without waiting for hundreds of years. Actually, several methods of thermal treatment have recently been proposed to reproduce some features of aged wood. However, complete reproduction of aged wood has not been realized yet, because the wood is a composite material consisting of many different constituents, and different chemical reactions are involved in the wood ageing. In this presentation, recent attempts for the true acceleration of ageing will be introduced, and then remaining questions will be discussed.

Fig.1a A decorated wooden frame of Horyu-ji temple built in 607.
Fig.1b Changes in acoustic properties of pine wood due to 121-296 years of ageing. EL’, Dynamic Young’s modulus of wood along the grain; GL’, dynamic shear modulus; ACE’, acoustic converting efficiency defined as the sound velocity divided by mechanical loss tangent, Ac, acetylation; Ht, heat treatment in dry nitrogen gas; Hm, hematoxylin impregnation; F, formaldehyde treatment. The numbers beside plots indicate the ageing duration.

B. Bonin – CEA – Comportement à long-terme des verres utilisés pour le conditionnement des déchets nucléaires

Photo prise au MEB d’un échantillon de verre borosilicaté R7 T7 altéré par l’eau. On voit le verre sain, la pellicule d’altération et une couche de phyllosilicates précipités à la surface

P. Bérest – LMS / Palaiseau – Problèmes liés à l’abandon des cavernes souterraines de stockage d’hydrocarbures ou de production de saumure réalisées en formation salifère

Ce thème concerne en France une centaine de cavités de stockage et un millier de cavités de production de saumure. A la fin de leur période d’exploitation, ces cavités seront remplies de saumure et leurs puits d’accès seront bouchés. Il faut prévoir, pour une durée de plusieurs décennies, ou même plusieurs siècles, l’évolution des «bulles» de saumure de plusieurs centaines de milliers de m3 ainsi abandonnées dans le sous-sol.

Il faut éviter que ces cavernes ne s’effondrent, ou que la saumure qu’elles contiennent ne s’échappe vers des niveaux d’eau souterraine potable. L’évolution des cavités résulte initialement du retour à l’équilibre thermique de la saumure qu’elles contiennent, puis du fluage du sel et de la perméation de la saumure vers le massif rocheux.

Pour le fluage du sel, l’intérêt du problème réside dans les difficultés d’extrapolation de données, usuellement obtenues au laboratoire pendant des essais de quelques semaines de durée, à des temps beaucoup plus longs, et donc aussi, dans beaucoup de cas, à des niveaux de contrainte et de vitesses de déformations beaucoup plus faibles.

Pour sa part, la perméabilité du sel est très faible et donc délicate à mesurer.

Pour contourner ces difficultés et vérifier si on peut extrapoler les lois de comportement à des durées ou fenêtres de sollicitations distinctes de celles qui ont permis de les élaborer, plusieurs pistes peuvent être suivies :

  • apporter un très grand soin aux essais
  • identifier les mécanismes responsables à petite échelle des déformations observées
  • rechercher des « analogues naturels »
  • effectuer des mesures « en place » dans les cavernes

En même temps des calculs numériques d’évolution des cavernes doivent permettre, tout au long de l’étude, de repérer les paramètres les plus importants, sur lesquels l’effort de détermination doit être porté en premier.

Lorsqu’un modèle et des paramètres robustes paraissent disponibles, il est souhaitable enfin d’effectuer des essais «en place» suffisamment longs et de vérifier que leurs résultats sont compatibles avec les estimations faites.

Il n’en reste pas moins que l’ampleur des efforts de modélisation et d’expérimentation doit tenir compte des circonstances locales et notamment de la sensibilité particulière de l’environnement.