Simulations Thermo-Hydro- Mcaniques pour le stockage profond des - - PowerPoint PPT Presentation

5 Février 2009 Journée des utilisateurs de Code_Aster en géoscience - IFP

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Simulations Thermo-Hydro- Mécaniques pour le stockage profond des déchets nucléaires – apport des couplages pour la prédiction des zones endommagées

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Plan de l’exposé Le stockage sous terrain : présentation et architecture Les modèles

Modèle THM en milieux poreux dans Code_Aster Les termes de transferts gazeux

Les études de stockage réalisées dans le cadre de la problématique des gaz

Etude Hydromécanique d’une alvéole HA (EDF/LAEGO)

• Etude réalisée dans le cadre du benchmark HM-GAZ
• Prise en compte d’un modèle d’endommagement (R. Giot)

Etude THM d’une alvéole HA

• Influence de la thermique sur le terme source
• Conséquences en pressions

Synthèse et perspectives

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Le stockage sous terrain : architecture d’un site (1/3)

Alvéole HA

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Le stockage sous terrain : architecture d’un site (2/3)

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Le stockage sous terrain : architecture d’un site (3/3) Alvéole de déchets vitrifiés (HA) Alvéole de déchet MA

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La THM du champs proche

Une géométrie complexe Des matériaux hétérogènes à forts contrastes Argilite saine ou endommagée Bétons, remblais Bouchons (argile gonflante) Vides et jeux fonctionnels Acier : surconteneurs, chemisages, soutènements Forts contrastes de saturation (bouchons ou remblais désaturés, sol saturé) Un problème multiphysique : thermique, hydraulique, mécanique, (chimique) Chargement d’origine mécanique : excavation Chargement d’origine thermique : les colis radioactifs Chargement d’origine hydrique : ventilation, gaz de corrosion Spécificités hydriques Fortes pressions capillaires (100 Mpa) Pression de gaz pouvant atteindre plusieurs MPa

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S(Pc)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0,00E+00 1,00E+08 2,00E+08 3,00E+08 4,00E+08 Pc (Pa) S Colis Béton rempl. ZF ZE Cox

Modèle THM en milieux poreux(1/2)

Hypothèses : Milieu poreux 2 phases (liquide gaz) et 2 constituants (ex. H2O et H2) Pas de transport de soluté Un modèle entièrement couplé: THM De très fortes non linéarités dues au termes de transfert diphasiques Les termes « Fickiens » pour les lois de mélange Les termes de pressions capillaires et de perméabilité relatives

• Exemple : le modèle de Mualem Van-Genuchten
• +
• +
• −

=

−

• (

)(

)

• −

− =

( )

( )

• −

− =

P erm éab ilités relatives 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 S k(S)

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Les modèles mécaniques utiles au stockage Pour l’argilite

Drücker Prager (modèle élastoplastique) Hoek et Brown modifié (critère de plasticité H&B + écrouissage prépic – radoucissement post pic) Laigle (post pic adoucissant discontinu) L&K (viscoplastique)

Pour les matériaux ouvragées

Modèle de Camclay Modèle de Barcelone Modèle d’argile gonflante (LAEGO)

Pour le béton (matériaux fragile isotrope)

Modèle d’endommagement de Badel Modèle d’endommagement de Mazars

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Etudes réalisées avec Code_Aster dans le cadre du stockage

• Objectifs
• Calculs mécaniques de champs proches pour estimer l’extension de la

zone endommagée (EDZ)

• Garantir la tenue des bouchons et des scellements
• Estimer les pressions d’hydrogène
• Comprendre les mécanismes de désaturation résaturation
• Mécanismes à prendre en compte :
• Le creusement (des galeries et des alvéoles)
• La mise en place des bouchons et des scellements
• La production des gaz de corrosion (sur plusieurs milliers d’années)
• La thermique générée par les colis de déchets
• Exemples
• Etude HM-GAZ initialement soumise par l’Andra (EDF + R. Giot LAEGO)
• Modélisation THM d’une alvéole

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Une étude HM-GAZ (1/8)

Les objectifs

En 2007 ANDRA a défini une étude hydro-mécanique sur une configuration d’alvéole HA isolée avec production de gaz de corrosion Un des objectifs était d’estimer le degré de couplage hydro-méca, qui s’est avéré assez faible

Deux phénomènes non représentés dans HM-gaz :

Variation perméabilité avec endommagement Variation S(Pc) avec endommagement

Perméabilité : S(Pc)

écart constant entre Pg et Pw au droit des colis Cette propriété sera-t-elle conservée si S(Pc) dépend du dommage

( ) ( )

• <

+ < < + =

− −

• ε

ε ε ε

• (

)

• <

< =

− − − −

−

• ε

ε

ε

• ( )

( )

• −
• +

= ε

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Représentation axisymétrique (gravité non prise en compte) Modèles mécaniques : Béton élastique, Bouchon arg. gonflant, Argilite élastoplastique (DP) Phases : 1 phase creusement (0-2 ans)

• Creusement : 3 jours
• Attente : 2 ans

2-3 ans : Resaturation en eau du vide et mise en place des bouchons Ventilation de la galerie de 2 à 100 ans (HR=50%) A 100 ans : mise en place du remblais (S=0,8) De 3 à 500 000 ans: corrosion - Injection d’hydrogène

Une étude HM-GAZ(2/8) géométrie, chargements

3ans 4500ans 200000ans 500000ans

9,969.10-11

• 1,495.10-11

9,969.10-13

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Une étude HM-GAZ(3/8) Les calculs de base : Kint et Pr constants La pression de gaz maximale est de 7 Mpa. Tout le massif « voit » les phases de corrosion

P gaz

0,E+00 1,E+06 2,E+06 3,E+06 4,E+06 5,E+06 6,E+06 7,E+06 8,E+06 20000 40000 60000 80000 100000 Ans P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17

• 3ans 4500ans 200000ans500000ans

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Une étude HM-GAZ(4/8) Les calculs de base : Kint et Pr constants Évolution hydraulique des bouchons dépend de la ventilation et des gaz

Resaturation, désaturation partielle, resaturation totale

Saturation Points 4 et 5 0,8 0,85 0,9 0,95 1 2 7 Ans P4 P5 Saturation Points 4 et 5 0,98 0,985 0,99 0,995 1 7 107 Ans P4 P5 Saturation Points 4 et 5 0,98 0,985 0,99 0,995 1

100 2600 5100

Ans P4 P5

• Saturation

Points 4 et 5 0,8 0,85 0,9 0,95 1 2 7 Ans P4 P5 Saturation Points 4 et 5 0,98 0,985 0,99 0,995 1 7 107 Ans P4 P5 Saturation Points 4 et 5 0,98 0,985 0,99 0,995 1

100 2600 5100

Ans P4 P5

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Une étude HM-GAZ(5/8) Les calculs de base : Kint et Pr constants

Plastification aux interfaces, avec effet significatif de la désaturation de la roche par le bouchon d’argile Traction entre béton et roche Compression en bord de colis (pas de claquage)

Deformation plastique coupe 2 0,0E+00 5,0E-03 1,0E-02 1,5E-02 2,0E-02 2,5E-02 4 6 8 10 12 Z 3 jours 2 ans 3 ans 150 ans

• Deformation plastique coupe 2

0,0E+00 5,0E-03 1,0E-02 1,5E-02 2,0E-02 2,5E-02 4 6 8 10 12 Z 3 jours 2 ans 3 ans 150 ans

• Si eff RR Coupe 2
• 8,E+06
• 6,E+06
• 4,E+06
• 2,E+06

0,E+00 2,E+06 4,E+06 6,E+06 8,E+06 4 6 8 10 12

3 ans 50 ans 4500 ans 20 000 ans

• Si eff RR Coupe 2
• 8,E+06
• 6,E+06
• 4,E+06
• 2,E+06

0,E+00 2,E+06 4,E+06 6,E+06 8,E+06 4 6 8 10 12

3 ans 50 ans 4500 ans 20 000 ans

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Une étude HM-GAZ(6/8) Les calculs de base : Kint et Pr constants

• Plastification du Cox suite à excavation
• EDZ se développe au cours de l’excavation

puis quand les vides sont simulés (mise en place des colis)

• Ne varie pas suite à l’injection du gaz
• EDZ d’environ 40 cm

Début corrosion

déformation plastique cumulée (4500 ans)

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Une étude HM-GAZ(7/8) Effets variation K sur répartition gaz dans massif

0<Pg<6Mpa 0<Pg<7Mpa

4500 Ans

0<Pg<1,3Mpa 0<Pg<5Mpa

150 Ans

0<Pg<0,35Mpa 0<Pg<5Mpa

50 Ans K variable K Constant

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Une étude HM-GAZ(8/8) Effets K ou Pr variables

2,4 MPa 1,3 MPa 2,4 MPa Traction béton/roche 0,28% 0,2% 0,28% Défomation plastique alvéole 1,3 cm à 100 ans 1,3 cm à 100 ans 1,3 cm à 100 ans Convergence max galerie 1m 1m 1m Etendue zone plastique autour galerie 7 Mpa 6 Mpa 7 Mpa Pression H2 COX à 4500 ans Pr variable K variable K et Pr constants 15 m 10 m 15 m Profondeur désaturation roche 75g/m3 90g/m3 75g/m3 Concentration hydrogène dissous dans remblai à 4500 ans 7 000 ans 12 000 ans 150 ans Temps de resaturation du remblai 10 000 ans 15 000 ans 6 000 ans Resaturation définitive bouchon argile 7 ans 1ère resaturation bouchon argile 4 Mpa 0,5 Mpa 5 Mpa Pression gaz à 40 ans

Ce qui ne change pas : Ce qui change :

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Modèles mécaniques : les mêmes que celles du benchmark HM-Gaz Phases : 1 phase creusement (0-2 ans) 2-3 ans : Resaturation en eau du vide et placement des bouchons 3 ans : début de la corrosion + flux thermique A 50 ans : mise en place du remblais Prise en compte d’un flux thermique (colis C2 entreposés60 ans) : Prise en compte d’un flux d’hydrogène dépendant de la thermique

Etude THM d’une alvéole HA : prise en compte de la thermique

Flux thermique - C2 20 40 60 80 100 1 10 100 1000 10000 age colis (ans) W/m2 60

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Estimation du terme source : hypothèses

3 surfaces de corrosion à considérer : Surface chemisage externe : contact direct avec l’argilite (on suppose argile convergée) Surface chemisage interne Surface surconteneur

• Avant 650 ans (temps de comblement du

jeu surconteneur/chemisage)

• Après 650 ans (jeu comblé par les produits

de corrosion)

• =

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Etude THM d’une alvéole HA : prise en compte de la thermique

Un pic thermique aux environs de 10 ans Un cinétique de corrosion modifiée :

Température en bord de colis

30 35 40 45 50 55 60 65 70 1 10 100 1000 10000 Temps (ans) ° C

Flux d'hydrogène

0,00E+00 5,00E-11 1,00E-10 1,50E-10 2,00E-10 2,50E-10 3,00E-10 1,00E-04 1,00E-02 1,00E+00 1,00E+02 1,00E+04 temps (ans) kg/(m2.s) Flux variable Flux Couplex

HM Gaz

z

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Évolution des pressions de gaz en bord de colis

Cinétique de pression modifiée : conséquences durant la phase de réversibilité

Pression de gaz en bord de colis

0,00E+00 1,00E+06 2,00E+06 3,00E+06 4,00E+06 5,00E+06 6,00E+06 7,00E+06 8,00E+06 1 10 100 1000 10000 100000 Temps (ans) Pa

• Pression de gaz en bord de colis

0,00E+00 1,00E+06 2,00E+06 3,00E+06 4,00E+06 5,00E+06 6,00E+06 7,00E+06 8,00E+06 1 10 100 1000 10000 100000 Temps (ans) Pa

• Pgaz milieu du bouchon (Mpa)

Pgaz en bord de colis (Mpa) Phénomène 6 5 6 4500 ans 6 6 6,5 4500 ans 6,8 0,1 0,5 15 ans 6 6 7 OUI 0,2 0,5 0,5 OUI 3 5 4 100 ans 100 ans 15 ans K(Φ Φ Φ Φ) Therm.

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Synthèse de ces études et principaux résultats

Dans l’argile :

De fortes pressions de gaz Dans la phase de réversibilité des pressions très dépendantes du modèle (avec ou sans thermique, avec ou sans prise en compte de l’endommagement) A priori pas de claquage au bord du colis Endommagement de l’argilite au moment de la pose du bouchon d’argile (phase de resaturation de quelques années) Le creusement de l’alvéole engendre une EDZ (entre 20 et 40 cm) que l’injection de gaz ne semble pas faire évoluer

Dans le bouchon d’argile :

Ne gonfle qu’après une phase de resaturation Très légèrement désaturé et laisse passer un peu de gaz

Dans le bouchon de béton : Apparition de contrainte de traction : possible décollement à étudier Limite du modèle :

Modèle mécanique utilisé peu représentatif (plasticité parfaite – pas de fluage) Modélisation d’une alvéole isolée 2D

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Perspectives dans Code_Aster

Prise en compte du contact et d’un possible décollement Modélisation 3D nécessaires sur des calculs entièrement couplés : nécessité de schémas robustes et performants

Volumes finis Sushis (thèse O. Angelini) Calculs parallèles (gain d’un facteur 4 observé sur des études 3D d’hydrauliques pures)

Sur les aspects mécaniques :

Modèles de fluages Modèles adoucissants régularisés