Exemple d ’architecture d ’un stockage

Modlisation Stratgie et plan de dveloppement

COM TR ADST 03-033: la modlisation physique du stockage - Printemps de la Recherche EDF - 21 mai 2003

La modlisation physique du stockage:bases de travail, problmatiques et phnomnologie

P. Landais - Andra


Exemple darchitecture dun stockage
Plan du stockage(retir pour rduire la taille du fichier)


Schma de stockage de dchets C en tunnel
Plan dune alvole(retir pour rduire la taille du fichier)


Les phnomnes prendre en compte dans lvolution du stockage


Les objectifs de la modlisation
Dcrire lvolution phnomnologique du stockage dans le temps et l espace (APSS) afin de :

Dfinir la reprsentation physique des phnomnes identifis

Contribuer la mise en uvre des calculs prparatoires aux calculs de sret

Justifier les hypothses et/ou simplifications pour les calculs de sret

Evaluer les conditions de la rversibilit

Raliser les calculs de sret


Les problmatiques spcifiques de la modlisation du stockage
Une phnomnologie :

multi-physique : T, H, M, C, R simultane ou successivemulti-couplages unilatraux ou bilatrauxmulti-cintique : processus lents et processus rapidesmulti-composants : colis, barrire ouvrage, bouchon dalvole, scellements, remblais, infrastructures, formations gologiquesmulti-interfaces entre composants aux caractristiques contrastesmulti-chelle despace : colis de stockage alvole module zone site rgion Bassin parisien multi-chelle de temps : 0 106 ans

Besoins de mthodes et doutils de calculs adapts :

gestion multi-chelle spatiale (gomtrie complexe)gestion multi-chelle temporelle et grandes chelles de tempsgestion des discontinuits entre milieux contrastsgestion des incertitudes et de la variabilit des paramtres


APSS: exemple des phnomnes thermiques (dchets C)

(1) CL: charges hydrauliques au mur et au toit du COX(2) Pression capillaire induite par la ventilation(3) Dsaturation du COX(4) Convergence diffre + dilatation thermique des argiles(5) Mise en charge et raction du soutnement(6) Convergence diffre des parois(7) Mise en charge et raction du revtement(8) Fermeture/ouverture des interfaces roche/soutnement(9) CL: contraintes naturelles initiales(10) Zone fracture(11) Zone endommage(12) Zone perturbe t=0


Priodes :

ExploitationPost -Fermeture
Rupture des soutnements de galeries
vers quilibregomcanique
Relchement RN,Diffusion dans BO
Diffusion/Convectionvers galeries,Diffusion dans C-O
Evolution argilites en paroischargement alvole et remblais de galeries
Dcharge initialeChargement / dchargement thermique
Cond.oxydantes
Cond. rductrices
}
0 102 5.102 104 5 104 105
Thermiques
Charge thermique
vers quilibre gothermal naturel
}
Dsaturationargilites Dsaturation/resatuation BO
Resaturationmodules
Stockage lquilibrehydrostatique
}
Hydrauliques
vers quilibreavec Argilites
Corrosion conteneur
}
Dgradation des btons de soutnement
Interactions Argile BO avec Fer et eaux des Argilites
Chimiques
Mcaniques
RN
APSS: exemple des phnomnes pris en compte


Les problmatiques spcifiques de modlisation et les dispositions conceptuelles
Des dispositions conceptuelles permettant une modlisation simplifie :

Architecture modulaire du stockageZones de stockage distinctes et loignes (plusieurs centaines de mtres) par colis typesModules distincts et loigns (plusieurs dizaines de mtres) pour chaque zone de stockageRegroupement des accs (puits, descenderies) en aval hydraulique, en dehors et loin (plusieurs centaines de mtres) des zones de stockageTemprature < 100CLimitation des interfaces entre matriaux (ex. loignement des scellements argileux des masses de btons)

Absence / Limitation des interactions phnomnologiques entre zones et entre modules

Des modlisations indpendantes par zone de stockageDes modlisations de base construites lchelle de lalvole et/ou du module puis un remontage lchelle de la zone de stockage par changement dchelle


La stratgie de modlisation pour les calculs de sret
APSS
Calculs prparatoires
Calculs de sret
Evaluation temps-espace de grands processus

Evaluation du poids de processus et des incertitudes sur le relchement et le transfert des radionuclides et toxiques chimiques

Evaluation des reprsentations gomtriques et dimensionnelles

Evaluation des mthodes et outils numriques
Evaluation des impacts radiologiques et toxiques
Une approche progressive :
Description des processus phnomnologiques
2003
2003
2004
Modle(s) retenus avec leurs paramtres


Les grands processus retenus pour les valuations prparatoires (1/2)
Le Milieu Gologique en champ lointain
Chimie en solution, rtention et transport des RN et toxiques chimiques dans le COx sain et les encaissants

Hydrogologie du COx sain

Hydrogologie des encaissants

Transfert des RN et toxiques chimiques dans la biosphre

Hydrogologie locale/rgionale versus les volutions climatiques et godynamiques


Le Stockage et le Milieu Gologique en champ proche
Les grands processus retenus pour les valuations prparatoires (2/2)
Transitoire thermique C, CU et B

Dsaturation - resaturation du stockage + Production et Transfert des gaz

Perturbation (i.e transitoire) oxydante du COx et des ouvrages de stockage

Perturbation alcaline du COx et des ouvrages base dargile (scellements argileux, bouchons dalvoles, remblais)

Evolution chimique des alvoles B, scellements cimentaires, infrastructures cimentaires impact sur les proprits hydrauliques et mcaniques

Evolution chimique des alvoles C et CU, et des scellements argileux impact sur les proprits hydrauliques et mcaniques

Comportement mcanique de ouvrages : alvoles de stockage, scellements, galeries, puits, descenderie

Corrosion des conteneurages de dchets C et CU

Relchement et transfert des RN et toxiques chimiques


Une physique centrale : Ecoulement, transport de soluts et Chimie coupls
Lcoulement deau, le transport de soluts et la gochimie coupls dans les milieux poreux continus quivalents (saturs et non saturs)

Processus daltration des Argilites : perturbation alcaline, perturbation oxydante, interactions avec les aciers aux carbones, perturbation thermique

Processus de dgradation des composants artificiels du stockage :Bton (Colis de stockage de dchets B [conteneur, matrice], barrire ouvrage, ouvrages dinfrastructure [soutnements, dalles de roulage], massifs de confinement des ouvrages base dargile gonflante [bouchon dalvole de dchet C et CU, scellement], scellement perturbation par les eaux des argilites et/ou les produits de dgradation des colis B, perturbation thermiqueArgile gonflante (barrire ouvrage et bouchons dalvole C et CU, scellement) idem ArgilitesMtaux (conteneurage et dchets) : corrosionVerre, bitume, oxyde dU, oxyde mixte U et Pu : dissolution aqueuseArgilites excaves (remblais) idem Argilites

Processus de relchement et de transfert des RN et des toxiques chimiques


Les transferts de chaleur et de masse deau liquide et vapeur coupls (dans les milieux poreux continus quivalents)

Processus dlvation transitoire de temprature li aux colis de dchets exothermiques

Processus de dsaturation et de resaturation du stockage, et de retour un quilibre hydraulique

Le comportement (Thermo)-hydromcanique

Processus contrainte-dformation des alvoles de stockage (argilites, soutnement, barrire ouvrage, colis de stockage, tube guide, bouchon dalvole) Processus contrainte-dformation des scellements (argilites, argile gonflante, massif de confinement en bton, remblai en argilites excaves)

Processus contrainte-dformation des galeries (argilites, argilites excaves, infrastructures en bton)

Processus dendommagement des argilites (EDZ)Processus dendommagement des colis de stockage, barrire ouvrage, bouchons, scellements, remblais et infrastructures
Des contraintes Mcaniques et Thermiques


Ecoulement, transport de soluts et chimie coupls : les mcanismes valuer
Transport de soluts
(Go)chimie
Ecoulement
Eau liquide

Convection (Darcy gnralise)ThermoconvectionChangement de phaseThermo-osmoseOsmose chimique

Eau vapeur

Diffusion (Fick gnralis)Convection Darcy gnraliseThermodiffusion (Soret)Changement de phase

Air sec / gaz

Diffusion (Fick gnralis)Convection (Darcy gnralise)Dissolution (Henri)Thermodiffusion
Diffusion anion et cations (Fick)Convection anions et cations (cf. coulement)DispersionThermo-diffusion (Soret)
Thermodynamique lquilibre

Dissolution/prcipitationCo-prcipitationEchange dionsComplexation de surfaceRedox

Cintique chimique

Dissolution/prcipitation

Corrosion des aciers

Mcanismes propres certains colis :Verre : SiBoues bitume : selsCU : radiolyse
Dplacement et quantit deau et de soluts
Changement de lespace poral porosit et coefficients de transfert


Les priorits des calculs prparatoires

Dsaturation - resaturation du stockage + Gaz

Perturbation alcaline

Evolution chimique des ouvrages

Comportement mcanique de ouvrages

Relchement et transfert des RN et toxiques chimiques dans les ouvrages

Hydrogologie, transport et rtention dans le COx sain


Objectif :

Evaluation temps-espace de la charge thermique dans et autour du stockage

tempraturesgradientscintiquestemps caractristiques

Echelles despace : alvoles (m dam) module (dam) zone de stockage (km) local (km)

Echelle de temps : 0 100.000 ans

Principaux processus coupls : dsaturation/resaturation, production et transfert de gaz


Objectif :

Evaluation temps-espace :

Cintiques, temps caractristiques et extensions de la dsaturationCintiques et temps caractristiques de la resaturation Organisation des coulements pendant et aprs la resaturationConditions de transport des soluts pendant la dsaturation et la resaturationFlux deau et de gaz, vitesses

Colis type concerns pour les gaz : C, CU et B

Echelles despace : alvoles (m dm) module (dm) zone de stockage (km)

Echelle de temps : 0 100.000 ans

Principaux processus coupls : transitoire thermique, comportement mcanique des ouvrages
Dsaturation-resaturation, transport en non satur, production et transfert des gaz


Perturbation alcaline
Objectif :

Evaluation temps-espacedes transformations minralogiques et des quilibres fluides-solides :

natureextensions cintiques temps caractristiques

Ouvrages concerns : alvoles B, bouchons dalvoles C et CU, scellements en argile gonflante, remblais en argilites

Echelles despace : ouvrage (m dam) module (dam)

Echelle de temps : 0 1.000.000 ans

Principaux processus coupls : transitoire thermique, dsaturation-resaturation + gaz, volution chimique des ouvrages cimentaires


Evolution chimique des ouvrages
Objectif :

Evaluation temps-espacedes transformations minralogiques et des quilibres fluides-solides

natureextensions cintiquestemps caractristiques

Ouvrages concerns : alvoles C, CU (argilites, soutnement, BO, tube guide, sur-conteneur), alvoles B (argilites, bton), scellements (argilites, argile gonflante, bton)

Echelles despace : ouvrage (m dam) module (dam)


Principaux processus coupls : transitoire thermique, dsaturation-resaturation (+ gaz), dgradation des colis


Comportement mcanique des ouvrages
Objectif :

Evaluation temps-espacedu comportement contrainte-dformation des ouvrages (composants internes + Argilites) en THM pure et en M couple avec C

dformationscontraintesdplacements

Ouvrages concerns : alvoles de stockage C, CU et B, scellements, remblais (argilites)

Echelles despace : ouvrage (m dam)


Principaux processus coupls : transitoire thermique, dsaturation-resaturation (+ gaz), volution chimique des ouvrages, perturbation alcaline
EDZStabilit BO Stabilit bouchon et scellement en interaction avec massif dappui et remblaiStabilit des colis
Dgradation chimique des composants en bton Produits de corrosion expansifs (alvoles C et CU)Corrosion des armatures dans les composants en bton


Relchement des RN et des toxiques chimiques dans les ouvrages
Objectif :

Evaluation temps-espacedu relchement et du transport des RN, des toxiques chimiques, et produits de dgradation :

fluxspciation en solution et rtention

Ouvrages concerns : alvoles de stockage C, CU et B, scellements, remblais (argilites)

Echelles despace : ouvrage (m dam)


Principaux processus coupls : transitoire thermique, dsaturation-resaturation (+ gaz), volution chimique des ouvrages, perturbation alcaline


Hydrogologie, transport et rtention dans le COx sain
Objectifs : Explication et valuation du rle/effets des surpressions (tat initial, phase dexploitation, resaturation, quilibre hydraulique final);Evaluation des poids respectifs des processus dcoulement et de transfert des soluts non dominants;Evaluation de lhomognit et de lanisotropie des proprits hydrodynamiques et diffusives;Evaluation du rle de la fracturation ventuelleEvaluation de la variabilit du Cox lchelle du secteur et lien entre cette variabilit et les paramtres dcoulement et de transportEvaluation des temps de transfert caractristiquesEvaluation de leffet de la temprature

Echelles despace : COx (dam km)


Principaux processus coupls : transitoire thermique, dsaturation-resaturation (+ gaz)


Le traitement des incertitudes sur la modlisation physique (1/2)
Des rtroactions C H, C M et M H C encore ltude

modlisation couple base sur des grandeurs macroscopiques : porosit, coefficients de transfert (permabilit, diffusion...), paramtres mcaniques, Kd modlisation non couple numriquement et ralise par tapes (ex : C M)

Pas doutil qualifi HC actuellement disponible en condition non sature

modlisation simplifie de lvolution chimique des ouvrages de stockage pendant la phase transitoire de saturation, sur la base dune analyse en satur

Une nature principalement macroscopique des modles de comportement chimique des colis modlisation simplifie de lvolution chimique globale des alvoles de stockage

Des incertitudes sur des donnes gochimiques (cintiques, co-prcipitation, change dions...)

tudes de sensibilit sur lvolution chimique des alvoles de stockage et du comportement des RN et toxiques chimiques, en condition de fort dsquilibre gochimique (ex. relchement C et CU court terme)


Des incertitudes sur les termes source gaz issus de la radiolyse (eau et matire organique) pour les colis type B correspondants

modlisation simplifie du transitoire de saturation avec production de gaz (taux de relchement)

Des incertitudes sur les phnomnes non diagonaux et les valeurs de leurs paramtres

prise en compte des incertitudes, sur la base des phnomnes diagonaux au travers dtudes de sensibilit
Le traitement des incertitudes sur la modlisation physique (2/2)


T (ans)
0
Equilibre chimique eau-
argilite
H: convergent
100-
1000
Composition de l'eau
dtermine par le milieu
C: consommation O2
rsiduel et volution vers
quilibre avec minraux
altrs
H-Cnon satur
H: convergent
1000-
10000
Eau arrivant au contact du
bton
C: interaction avec bton
H-Cnon satur
H: convergent
1000-
10000
Eau modifie au contact du
bton
C: interaction avec bton et acier
H-Cnon satur
10000-
50000
>10000
>50000
H: diffusion/convection
C: interaction avec le bton
H-Csatur
Relchement, transport RN en non satur
Perturbation alcalineRelchement, transport RN en satur
Condition non sature
Modlisation simplifie (T)HC bton, colis, et argilites, en condition non satur

dgradation des btonscorrosion des aciersperturbation alcalinerelchement et transfert RN et toxiques
Condition sature
Modlisation couple HC bton, colis, argilites en condition satur
Couplage non numrique, par conditions aux limites
Modlisation M des ouvrages
Modlisation M des ouvrages
Exemple de modlisation : comportement HCM des Alvoles B (type C&E)


Exemple de modlisation : climatologie/godynamique et Hydrogologie (1/2)
EFFETS
Linaires
-

soulvements tectoniques
Modifications
progressives
Squences
-

rosion
-

volution des sols
Modifications
irrversibles
Modifications subites
-

Rorganisations des
rseaux hydrographiques
-

Sismes (no-tectonique)
-

volcanisme
Modifications rversibles
-

perglisol
-

niveau des mers
-

isostasie glaciaire
MOTEURS
Godynamique interne
(tectonique des plaques)
Godynamique externe
(Evolution climatique)
IMPACTS
Stabilit de la couche
Transferts dans les
aquifres
Evolutions biosphre


Modlisation hydrogologique
Modlisation des transferts dans aquifres et COx
MODELISATIONCLIMATIQUE
Modlisation Godynamique interne
Modlisationdes volutionsde la biosphre
Exemple de modlisation : climatologie/godynamique et Hydrogologie (2/2)
Modlisationdes volutionsgomorphologiques
Couplage numrique

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