Diapositive 1

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Le diphasique multi composant gaz dans les
stockages de déchets radioactifs du Dossier
2005 Argile aux objectifs de la loi du 26 juin
2006 de la physique à la simulation
numérique --- F. Plas, J. Wendling, E. Treille,
G. Pepin, J. Talandier Andra (www.andra.fr)
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Plan

• Le projet HAVL et la problématique des gaz
• Les acquis et les limites du Dossier 2005 Argile
  vis-à-vis de la problématique des gaz et les
  recommandations afférentes à lissue du Dossier
• La déclinaison phénoménologique et numérique des
  grands objectifs de la loi du 26 juin 2006
  vis-à-vis des gaz
• Exemples illustratifs
• Synthèse

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Le projet HAVL et la problématique des gaz (1/3)
architecture (Dossier 2005)
Zone de stockage MA-VL (Moyenne Activité Vie
Longue)
Schéma dun stockage HAVL ( Haute Activité Vie
Longue)
Env. 2 000 m
Zone de stockage HA (C0)
Sous-zone de stockage HA
Zone de stockage HA (Haute Activité)

• Présence de métaux milieu réducteur (milieu
  saturé en eau long terme) gt production de H2
• Déchets bitumineux production de H2 par
  radiolyse (dès la mise en place)
• Relâchement de RN gazeux

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Le projet HAVL et la problématique des gaz (2/3)
phase temporelle
Production dhydrogène
Phase dexploitation
Phase Post-fermeture
Retour à léquilibre hydraulique
Forts couplages THMgaz

• Sureté opérationnelle et réversibilité (phase
  dexploitation)
• Relâchement de RN gazeux ? impact sur la santé
  sécurité des travailleurs et sur lenvironnement
  de linstallation
• Atmosphère explosive (H2)
• Evaluation du devenir des composants ayant une
  fonction opérationnelle et pour lequel est mis
  jeu la production et/ou la migration de gaz ?
  exemples carbonatation atmosphérique des
  soutènements
• Sureté post fermeture stockage
• Impact radiologique des RN gazeux dans les
  conditions du stockage
• Impact des gaz en général sur les fonctions des
  composants du système de stockage et donc in fine
  sur la sûreté du stockage ? exemples effet des
  gaz sur le champ hydraulique et le transport des
  solutés, effet des gaz sur les propriétés
  hydraulique, de transport-rétention et de
  solubilité (EDZ, argilites)
• La simulation numérique est un outil contribuant
  à
• Lévaluation de lévolution phénoménologique
• La conception et au dimensionnement des
  composants
• Lévaluation des performances et des impacts
  radiologiques (Doses et indicateurs
  intermédiaires)

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Le projet HAVL et la problématique des gaz (3/3)
planning général
Calculs de sûreté
2005
1991
2009
2012
2014
2006
Loi du 31-12-1991
Dossier 2005
Options de sûreté
15 ans pour établir un dossier de faisabilité
Loi du 28-06-2006

• Le Dossier 2005 Argile (loi du 31 décembre 1991)
• Etude de faisabilité dun stockage réversible
  dans la couche du
• Callovo-Oxfordien en MeuseHaute/Marne
• Poids important des travaux mis sur la sûreté
  Post fermeture
• même si la période dexploitation a aussi été
  considérée
• La loi du 25 juin 2006
• Stockage solution de référence (par rapport aux
  2 autres axes de recherches de la Loi de 1991)
• Réversibilité objectif explicite
• Entreposage modalité de gestion couplée au
  stockage
• Dépôts de demandes dautorisation de création
  (DAC) de stockages en 2014
• Poids important des travaux à mener sur la
  période dexploitation

Choix du site
DAC Demande dAutorisation de Construction
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Le Dossier 2005 Argile les acquis (1/3)
Exemple 1 estimation de lhydrogène produit par
corrosion dans les alvéoles de déchets HA
Évolution au cours du temps du flux dhydrogène
produit par une alvéole de déchets HA
Pourcentage de lhydrogène total produit en
fonction du composant

• H2 est la principale source de gaz
• Corrosion des composants métalliques (tous
  déchets)
• Radiolyse des déchets MA-VL  organiques 

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Le Dossier 2005 Argile les acquis (2/3)
Exemple 2 évaluation du champ de pression (P,
en Pa) et saturation en gaz (SG, en ) dans une
alvéole de déchet MA-VL quelques milliers
dannées après fermeture
Saignées (saturées)
Galerie daccès (zone de scellement) Tête
dalvéole
Corps dalvéole Galerie de liaison
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Le Dossier 2005 Argile les acquis (3/3)

• Une représentation globale du transitoire
  hydraulique - gaz
• Échelles de temps et despace caractéristiques Fo
  rtes pressions de gaz en transitoire dans les
  alvéoles
• Surpression hydraulique transitoire Rôle
  potentiel du couplage HM évolution de lEDZ
• Rôle du couplage TH surpression transitoire
  dans le COx saturé Effet limité de létat non
  saturé sur le transport de soluté

alvéole
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Le Dossier 2005 Argile les recommandations des
évaluateurs

• Les simulations effectuées dans le cadre du
  Dossier 2005 étaient limité par
• les connaissances disponibles hypothèses
  parfois conservatives (manque de données),
• Les capacités des outils de calculs disponibles
  couplages limités, , schémas numériques
  perfectibles
• Les capacités des moyens de calculs
  processeurs  lents , peu de cluster
  disponibles,
• Doù un certains nombre de recommandations des
  évaluateurs du Dossier
• Établir un programme expérimental permettant
  daugmenter la crédibilité/représentativité des
  modèles de comportement ( valeurs de
  paramètres), donc in fine des simulations
• Faire des simulations axées sur la phase
  dexploitation et de réversibilité du stockage
• Réaliser plus de simulations couplées, notamment
  THgaz et HMgaz
• Utiliser des schémas numériques et des moyens de
  calcul performants grande échelle de temps et
  despace
• Réaliser des études de sensibilités plus
  systématiques, sur les modèles, les paramètres,
  les géométries

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Les objectifs 2007-2012 en simulation du
transitoire hydraulique gaz
Production dhydrogène
Phase dexploitation
Phase Post-fermeture
Retour à léquilibre hydraulique
Forts couplages THMgaz

• Transfert et mélange des gaz pendant la
  ventilation
• MA-VL concentration, pression
• HA échange de gaz entre alvéole et galerie
• Etat hydrique du stockage, évolution de la
  saturation des matériaux
• Utilisation de modèles et de paramètres plus
  phénoménologiques déterminées à partir de données
  expérimentales
• Multi-composant gaz carbonatation des bétons,
  oxydation des argilites

• Une démarche générale moins conservative
• Utilisation de modèles de comportements et de
  valeurs de paramètres plus phénoménologiques
  déterminés à partir de données expérimentales
• Représentation explicite de toutes les échelles
  spatiales et temporelles du stockage et des
  passages dune échelle à une autre
• Le traitement explicite des couplages THM-gaz
  aux différentes échelles despace et de temps
• Au cours des premiers milliers dannées
  (désaturation, surpression liée au gaz et à la
  thermique, évolution mécanique de lEDZ)
• Au-delà de quelques 104 ans (Surpression
  hydraulique dans le stockage à long terme du fait
  de la convergence des ouvrages liée au  fluage 
  des argilites)

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Liens avec les autres programmes de lAndra pour
la période 2007-2012

• Programme scientifique
• Groupement de Laboratoires  Gaz  Programme
  expérimental complet de caractérisation du
  transfert (convectif et diffusif) des gaz dans
  les matériaux du stockage (argilites saines, EDZ,
  bentonite, béton, remblai) et aux interfaces, y
  compris les effets mécaniques
• Groupement de Laboratoires  Géo Mécanique 
  Programme expérimental complet de consolidation
  des modèles de comportement mécanique des
  argilites saturées et non saturées (notamment
  inétique de déformations différées et
  cicatrisation hydraulique) et de mise au point de
  modèle TH représentatif du comportement THM (y
  compris pour lEDZ)
• Groupement  verre/fer/argile  Consolidation
  des valeurs de cinétiques de corrosion en saturé
  et en non saturé, en milieu argileux (bentonite
  et argilites) et cimentaire
• Groupement Transfert Évaluation de la
  réactivité chimique de lH2 et du Transfert de
  soluté en non saturé
• Activités Colis Caractérisation et
  consolidation des termes sources de gaz

• Expérimentations dans le laboratoire souterrain
  dédiées à la problématique du transfert des gaz
  dans les argilites et/ou les bentonites
• SDZ test de ventilation en galerie (pré
  dimensionnement effectué dans le cadre du
  programme de simulation) ? contribution à la
  représentation de lEDZ (première données
  disponibles mi-2009)
• PGZ test en forage de resaturation dun bouchon
  soumis à un flux de gaz, Test en forage
  pression dentrée de gaz dans les argilites ?
  contribution à la simulation du rôle des
  scellements (noyau, interfaces) dans le
  transitoire hydraulique réduction des
  incertitudes sur les paramètres des argilites
  (premières données disponibles début 2009)
• Démonstrateurs technologiques (alvéole HA,
  galeries, scellement, remblai) Instrumentés
  pour fournir des données permettant de conforter
  les modèles de comportement hydraulique (gaz
  inclus) et mécanique, plus proche des situations
  de stockage que les expérimentations dédiées,
  changement déchelle par rapport aux
  expérimentations dédiées (démarrage 2009-2010)

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Stratégie de simulation 2007-2012 démarche
générale

• Des thématiques spécifiques vis-à-vis de la
  simulation suivant les périodes de vie du
  stockage
• Période dexploitation (durée séculaire)
  aéraulique multi composants gaz, transport bi
  phasique multi composants gaz
• De la période dexploitation au post fermeture
  couplages THM-gaz et différentes échelles de
  temps et despace à traiter
• Des outils numériques qui resteront limités,
  malgré leffort de développement, pour traiter le
  couplage THM-gaz complet la simulation couplée
  THM-gaz à léchelle du stockage nest
  envisageable aujourdhui quà titre de recherche
  et la simulation H-gaz à grande échelle est
  envisageable avec des calculs  haute
  performance  mais exigera des simplifications
• Des risques sur le planning dacquisition de
  connaissances
• Une stratégie basée sur
• Lutilisation au mieux des outils existants et
  des développements ciblés
• une démarche progressive et itérative avec
  analyse dincertitudes et de sensibilité
• Des simulations supports traitement séparé des
  couplages (H-gaz, TH-gaz, HM-gaz, THM-gaz)
  définition des couplages dominants, comparaison
  des modèles conceptuels, évaluation du poids des
  incertitudes des paramètres, choix de méthodes de
  changement déchelle, aide à la détermination des
  conditions aux limites
• Des simulations appliquées intégration des
  résultats des simulations supports pour
  évaluation (temps, espaces) du transitoire
  hydrauliques gaz

Niveau dabstraction croissant
Simulations  supports 
Simulations  appliquées 
Exemple modélisation simulation du
comportement mécanique de lEDZ autour dune
galerie
(Projet européen NF-PRO, El Escurial workshop,
2006, P. Marschall, Nagra)
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Les enjeux numériques de la période 2007-2012
(1/4)

• Disposer doutils de calcul permettant de
  traiter une phénoménologie complexe
• Exploitation de plusieurs codes traitant a minima
  les  modèles découlements di phasique eau
  liquide 2 composants gaz, couplés à la
  thermique
• Tough2, Tough, Tough_MP, iTough, TM_VOC (LBL)
• (Utilisation des EOS dédiés EOS3, EOS4, EOS5,
  EOS7R)
• Code_Aster (EDF)
• (MPCube (CEA) en cours de développement)
• Intégration en cours dans la plate forme
  Alliances (module Thermo-Hydraulique) des
  composants Tough2 et à venir de MPCube
• Comparaison possible et aisée (dès 2009) des
  résultats de codes de calcul Tough2, Code_Aster,
  MPCube
• (Intercomparaison des modèles et méthodes
  numériques)
• Développements spécifiques de fonctionnalités
  (hors Alliances) dans les codes
• Ex Tough2 (TOUGH)

Majeure partie des calculs réalisée sous Tough2,
Tough_MP
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Les enjeux numériques de la période 2007-2012
(2/4)

• Disposer de méthodes et doutils permettant de
  représenter finement le stockage et son
  environnement et de garantir la validité
  numérique du calcul (1/2)
• REX des simulations numériques de transitoire
  hydraulique (Andra/sous-traitants/Couplex Gaz)
  sur les principales difficultés numériques
  rencontrées
• Principal code utilisé (Andra/ss-traitants)
  Tough2 / Tough_MP
• REX Couplex-Gaz ? cf exposé J.Talandier
• Gestion des forts contrastes de paramètres ?
  sensibilités numériques (schémas, maillage, )
• Gestion des vides ? approche en milieu poreux
  équivalent à forte perméabilité
• Lois de succion et de perméabilité relative ?
  pression dentrée de gaz, hystérésis
• Disparition/apparition de phase gestion de la
  dégénérescence des équations
• ? automatique (transparent pour
  lutilisateur) sur Tough2
• Transfert de solutés - lois de diffusion dun
  soluté en fonction du degré de saturation (effet
  seuil ?)
• - modalités de passage à létat déquilibre
  hydraulique (permanent saturé) à long terme
• en cours danalyse

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Les enjeux numériques pour la période 2007-2012
(3/4)

• Disposer de méthodes et doutils permettant de
  représenter finement le stockage et son
  environnement et de garantir la validité
  numérique du calcul (2/2)
• Gestion des grandes échelles despace
  (représentation fine à léchelle du stockage -
  alvéoles, galeries, scellements, puits)
• Parallélisme (décomposition de domaines,
  résolution solveur) ? automatique dans Tough_MP
• a permis pour le moment de réaliser un calcul de
  lordre de 100.000 éléments avec un temps
   raisonnable  (qq jours)
• investigations actuelles Tough_MP sur les
  possibilités de calculs de plusieurs centaines de
  milliers/plusieurs millions déléments
• Découpage en compartiments
• nombre de compartiments et finesse de
  représentation dépendant des capacités de calcul
  HP
• gestion de lenchaînement homogénéisation, CL,
  ?
•  Couplage  aéraulique /milieu poreux
  (transfert de masse)
•  vrai  couplage entre un code CFD et un code
  transfert masse milieu poreux ? gestion actuelle
  par des CL
• simulations aérauliques fines type CFD prenant en
  compte en CL paroi un débit de vapeur deau
  (suintement paroi) issu dun calcul milieu poreux

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Les enjeux numériques pour la période 2007-2012
(4/4)

• Disposer de couplage entre codes découlement di
  phasique multi composants gaz
• Transport réactif ? traitement des processus
  chimiques mettant en jeu les gaz (carbonatation
  atmosphérique des bétons, corrosion des
  composants métalliques, devenir chimique de lH2
  de corrosion )
• ToughReact en cours dévaluation
• Extension Trace en non saturé multi composants
  gaz sous Alliances à venir
• Transport (Kd, Csat) ? analyse de performance
  vis-à-vis du transitoire hydraulique - gaz
• (nécessité détablir au préalable les modèles de
  diffusion et rétention géochimique en fonction du
  degré de saturation en eau)
• utilisation du module EOS7R de Tough2
• Couplage code transport soluté Porflow/Castem/Tra
  ces avec champ de saturation généré par
  Tough2/Code_Aster/Mpcube en bi-phasique gaz,
  sur Diffusion De, coefficient de partage Kd et
  limite de solubilité Csat

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Exemples illustratifs pour une alvéole et des
colis MA-VL(1/6) échelle de lalvéole

• Jalon 2009 du projet HAVL (choix doption de
  conception/sûreté/réversibilité)
• Évaluation du risque ATEX émission dH2 par
  radiolyse Limite dinflammabilité ? la
  concentration volumique dhydrogène doit être
  inférieure à 4 (diagramme de Shapiro)
• Plusieurs situations dexploitation
  Fonctionnement normal de lalvéole remplie de
  colis (base de comparaison), Alvéole en cours de
  remplissage, Arrêt accidentel de la ventilation ?
  reprise de ventilation et retour à un
  fonctionnement normal
• Différentes approches dévaluation du risque et
  des dispositions de conception ? contribution du
  programme de simulation HAVL de lAndra
  simulations type aéraulique

• Ventilation de lalvéole Régime découlement
  (turbulent, laminaire)
• Flux dhydrogène depuis les colis primaires et
  transport de masse Mélange gazeux air-hydrogène
  de densité variable, Effets combinés de diffusion
  et de convection au sein du mélange
• Flux de chaleur émis par certains colis primaires
  et transport de chaleur Echauffement des colis
  primaires, Conduction de la chaleur par le béton
  du conteneur du colis de stockage, Emission de
  chaleur depuis les colis de stockage (convection,
  rayonnement)
• Echange de masse et de chaleur avec le milieu
  géologique Echauffement des parois de
  lalvéole, Apports deau par le milieu géologique
  (effet de remontée des seuils dinflammabilité/exp
  losivité?

Diagramme de Shapiro (risque ATEX)
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Exemples illustratifs pour une alvéole et des
colis MA-VL(2/6) échelle de lalvéole
Modules des vitesses dans les jeux transversaux
(1 jeu sur 4 affiché)
Répartition des débits dans les ouvertures dans
le sens longitudinal
Jeu sous le toit
Rangées 1 à 80
Jeux longitudinaux
Rigoles
Réservations
Lécoulement commence à se stabiliser après 30
rangées
La répartition uniforme des vitesses de sortie à
laval déstabilise les 10 dernières rangées
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Exemples illustratifs pour une alvéole et des
colis MA-VL(3/6) échelle de lalvéole

• Sensibilité au débit dair et au flux dH2
  relâché par les colis de stockage

Modèle de référence
CH2/Ci 1,3 10-4
Coefficient de sécurité 8000
Flux dhydrogène multiplié par 10 16
mol/an/colis
Débit de ventilation divisé par 10 0.3m3/s
CH2/Ci 5 10-3
Coefficient de sécurité 2000
CH2/Ci 1,3 10-3
Coefficient de sécurité 800
20
Exemples illustratifs pour une alvéole et des
colis MA-VL(4/6) échelle dun colis de déchets
bitumineux

• Modèle conceptuel géométrique
• 1/8 de la surface 2D plan (symétries)
• Colis non représenté (condition au limite en flux
  de H2)
• 2 matériaux vide, béton (homogène)
• Modèle conceptuel temporel
• Conditions aux limites constante dans le temps
  (ventilation forcée)
• Conditions initiales homogènes dans le béton
  (entreposage en surface)
• Modèle conceptuel phénoménologique
• Convection (Darcy bi-phasique)
• Dissolution
• Diffusion
• Pas de couplage, ni thermique ni mécanique

Fluides miscibles
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Exemples illustratifs pour une alvéole et des
colis MA-VL(5/6) échelle dun colis de déchets
bitumineux
Champ diso-fraction massique dhydrogène (-) à
50 ans

• Transfert dhydrogène par diffusion dominante
• Seuil ATEX dinflammabilité non atteint (2,8 10-3
  en fraction massique, 4 en volume)
• Au delà dun jour, flux dhydrogène sortant du
  colis de stockage égal au flux de génération par
  radiolyse

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Exemples illustratifs pour une alvéole et des
colis MA-VL(6/6) échelle dun colis de déchets
métallique
Code TOUGH2 avec introduction du couplage entre
corrosion et saturation en eau (cas de déchets
métalliques)
Degré de saturation en gaz
Pression de gaz (Pa)
(m)
(m)
Champ proche
Alvéole avec détail colis et jeux
(m)
(m)
Débit dH2 normé ( du maximum)
Restant dH2 à produire
Champ lointain
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Synthèse des objectifs et des besoins en
simulation numérique pour la période 2007-2012

• Objectifs phénoménologiques
• Simulation des transferts de gaz pendant la phase
  de ventilation
• Simulation des écoulements diphasique
  multi-composant gaz dans les milieux poreux, au
  cours de la phase dexploitation et de la phase
  post-fermeture
• Simulation des couplages THMgaz au cours de la
  phase post fermeture
• Simulation des transferts de solutés en milieux
  non saturé.
• ? Besoins plus sur le temps et lorganisation
  spatiale du transitoire hydraulique - gaz que
  sur des valeurs très précises des variables
  détats (pression ,saturation, température, )
• Besoins numériques
• Amélioration des algorithmes de gestion des
  apparitions-disparitions de phase en milieu
  poreux (en cours)