Développement des méthodes et des outils dans la cadre du programme de simulation de l’Andra

1. Développement des méthodes et des outils dans la cadre du programme de simulation de l’Andra Laurent LOTHAndra - Service Calculs Scientifiques

2. Sommaire • Le projet HAVL • Les programmes • Les jalons • Le programme de modélisation et simulation de l’Andra • Le domaine d’application • Les acquis • Les unités de programmes • Méthodes et outils • Stratégie de développement • Modélisation des processus • Méthodes numériques de résolution • Méthodes d’analyse • Conclusion

3. Le projet HAVL Les programmes • Le projet HAVL est structuré en 9 programmes thématiques • Programme d’expérimentation et d’essais de démonstrations au laboratoire • Programme de reconnaissance depuis la surface • Programme d’information et de consultation • Programme scientifique • Programme de simulations Développements méthodes et outils • Programme d’études d’ingénierie et essais technologiques • Programme d’observation et surveillance de l’environnement du stockage • Programme de gestion, surveillance et transport de colis • Programme d’entreposage • Avec des activités transverses • Sûreté, • Réversibilité • Coût • Santé et sécurité du travail • Étude d’impact

4. Le projet HAVL Les jalons • Choix d’une zone d’intérêt restreinte • Proposition des options de base pour la conception du stockage (sûreté, réversibilité, modèle d’inventaire de dimensionnement) • Proposition d’options d’entreposage • Préparation du débat public prévu par la loi • Proposition d’un(de) site(s) • Dossier présentant les bases scientifiques et techniques • Dossier DAC 2009 2012 2014

5. Le programme de simulation Des domaines d’application variés • Représentation de l’évolution phénoménologique du stockage et son environnement • Evaluation de la sûreté du stockage en exploitation et post fermeture • Aide aux choix de conception et au dimensionnement • Aide à la gestion de la réversibilité, à l’observation et la surveillance du stockage et environnement • Aide à la conception et l’interprétation des expériences La simulation : outil privilégié pour accéder à la représentation du stockage et notamment aux grandes échelles de temps et d’espace

6. Le programme de simulation Les acquis • Un effort de simulation considérable afin de répondre aux objectifs du dossier 2005 • Des sauts de progrès importants quant à la représentation du comportement du stockage et l’évaluation de sûreté • Mise en œuvre • de calculs d’impact « sophistiqués » • De calcul phénoménologiques complexes • D’une méthodologie de calcul rigoureuse • Développement de la plateforme Alliances • Développement de partenariats avec la communauté scientifique • GdR MoMaS, Forpro, …

7. Le programme de simulation Structuration du programme • 8 unités de programmes • Hydrogéologie et transport en champ lointain, à l’actuel et sur le million d’années • Charge thermique • Transitoire hydraulique du stockage (gaz inclus) • Evolution mécanique du stockage • Évolution chimique des ouvrages à dominante cimentaire et du COx en champ proche (alvéoles de déchets MA-VL, galeries, scellements, accès) • Évolution chimique des alvéoles de déchets HA • Relâchement et transfert des radionucléides sans le stockage • Stratégie outils et développement de la plateforme Alliances • A chaque unité correspond un groupe d’ingénieurs de différentes directions de l’Andra (scientifique, projet, laboratoire, sûreté) • Définition, suivi et réalisation du programme de simulation • Interface avec le programme scientifique et d’expérimentation (acquisition de données, de modèles, …) • Cohérence avec la sélection, le développement et la qualification des outils

8. Méthodes et outils Stratégie de développement (1/2) • Stratégie de développement basée sur : • L’exploitation d’outils existant robustes et performants • Le développement de fonctionnalités complémentaires • L’inter comparaison des codes (benchmark) • Intégration dans Alliances des outils de modélisation et simulation des processus au cœur des besoins de l’Andra pour les études de conception, sûreté opérationnelle et post fermeture, réversibilité • Modélisation des processus et notamment Hydraulique – gaz et transport réactif • Méthodes d’analyse • Méthodes numériques de résolution et notamment • Calcul haute performance • Couplage et traitement des changements d’échelles d’espace et de temps

9. Méthodes et outils Stratégie de développement (2/2) Alliances 2.1 • Une planification cohérente avec les échéances • 2007-2009 : développement, intégration et validation 2.2 Outils pour les calculs préparatoires Alliances 2.3 • 2010-12 : Consolidation • Phase de qualification poussée et exploitation pour les calculs de performances quantifiant le poids relatif des différents processus • Finalisation des développements des outils d’analyse 3.0 Outils pour les calculs d’impact Alliances 3.1 • 2010-12 : Exploitation • Une stratégie de développement sur le long terme • Les besoins en simulation iront croissants avec des modèles de plus en plus complexes MoMaS : acteur privilégié pour développer et valider les méthodes nécessaires à la représentation du stockage à toutes les échelles de temps et d’espace

10. Méthodes et outils Modélisation des processus (1/2) • Rendre compte finement des processus physiques et chimiques et de l’évolution du stockage et du milieu géologique • Prise en compte de l’insaturé, des phases, dans tous les processus • Modélisation et simulation du transitoire hydraulique • Evaluation des évolutions spatiales et temporelles de tous les composants du stockage • Développement de phénoménologies spécifiques • Déplacement osmotique, exclusion anionique, double porosité • Surface libre (couplage écoulements souterrain et de surface) • Développement des couplages • Rétroaction évolution chimique sur propriétés des matériaux (hydraulique/transport/mécanique) • Cinétique de corrosion, production de gaz en fonction de l’environnement hydraulique • Aéraulique et thermo hydraulique bi phasique Nécessité de disposer d’outils de simulation efficaces et robustes dont on connaît les limites de validité et le degré d’approximation

11. Méthodes et outils Modélisation des processus : exemples (2/2) • Transitoire hydraulique avec gaz • Multi composant gaz • Thermo osmose (liée à T) et osmose chimique (C) • Couplage mécanique, aéraulique • Transport réactif • Géochimie en milieu insaturé • Cinétique en phase aqueuse • Diffusion par espèce • Colmatage, corrosion • Mécanique • Modèle rhéologique pour les matériaux de type béton, argilite, bentonite • Prise en compte du degré la saturation du milieu Nécessité de disposer de modèles  Méthodes mathématiques pour l’élaboration de modèles macroscopiques

12. Méthodes et outils Méthodes de résolution (1/2) • Finesse des représentations • Algorithmes de maillage capables de travailler sur des géométries complexes avec un nombre très élevé de mailles • Topographie, écoulements de surface, … • Capacité à faire évoluer le maillage • Suivi de front, évolution de forme, raffinement/déraffinement • Systèmes d’équations de grande taille • Solveur • Calcul haute performance : parallélisme, décomposition de domaine • Complexité des processus • Traitement de forte non linéarités • Robustesse des approximations numériques • Estimation d’erreur • Couplages • Traitement des changements d’échelles spatiales et temporelles • Algorithmes de couplage

13. Méthodes et outils Méthodes de résolution (2/2) • Exemples • Transport réactif • Splitting d’opérateur • Traitement de précipitation dissolution • Couplage en milieu insaturé • Écoulement et transport en milieu insaturé • Changement de phase • Contraste de paramètres • Parallélisme, décomposition de domaine algébrique • Écoulement et transport en milieu saturé en champ lointain • Décomposition de domaines cf. exposé de B. Vialay • Maillage non conforme • Maillage adaptatif • Méthode particulaire pour les encaissants cf. exposé de G. Pépin

14. Méthodes et outils Méthodes d’analyse • Incertitudes sur les processus ou les paramètres • Les méthodes probabilistes donnent des informations globales • Pour les processus complexes les indicateurs classiques sont insuffisants pour analyser finement des processus fortement non linéaires et non monotones • Pour des temps calcul importants, les méthodes probabilistes montrent leurs limites et ne permettent pas d’accéder à des méthodes d’analyse de variances type Sobol ou Fast • Exploiter les complémentarités des différentes méthodes • Développer des méthodes d’approximation de type surface de réponse pour accéder à des analyses fines cf. exposé de G. Pépin • Problème inverse • Caractérisation du milieu géologique et des matériaux • Identification de zones et structuration du milieu • Analyse de l’adéquation et la pertinence des modèles • Couplage avec méthode de sensibilité • Application privilégiée : thermique, écoulement et transport

15. Conclusion • Attentes vis-à-vis du GdR • Développement de méthodes sur des problèmes concrets et traitant de la complexité des processus (couplage, non linéarités, … ) • Collaboration accrue entre les équipes, et les compétences • Démarche systématique d’évaluation au travers d’exercices ou de benchmark • Orientation des thèses • Un travail de recherche qui se positionne en amont des applications • Qui fait le lien entre la modélisation et les méthodes numériques • Passage à des outils opérationnels • Passe par une phase de validation, évaluation et comparaison des méthodes sur des applications représentatives des problématiques Andra • Collaboration spécifique entre les laboratoires/projets et l’Andra • Post doctorat