Exemple d ’architecture d ’un stockage

La modélisation physique du stockage:bases de travail, problématiques et phénoménologieP. Landais - Andra

Exemple d ’architecture d ’un stockage Plan du stockage (retiré pour réduire la taille du fichier)

Schéma de stockage de déchets C en tunnel Plan d’une alvéole (retiré pour réduire la taille du fichier)

Les phénomènes à prendre en compte dans l ’évolution du stockage

Décrire l ’évolution phénoménologique du stockage dans le temps et l ’espace (APSS) afin de : Définir la représentation physique des phénomènes identifiés Contribuer à la mise en œuvre des calculs préparatoires aux calculs de sûreté Justifier les hypothèses et/ou simplifications pour les calculs de sûreté Evaluer les conditions de la réversibilité Réaliser les calculs de sûreté Les objectifs de la modélisation

Une phénoménologie : multi-physique : T, H, M, C, R simultanée ou successive multi-couplages unilatéraux ou bilatéraux multi-cinétique : processus « lents » et processus « rapides » multi-composants : colis, barrière ouvragée, bouchon d ’alvéole, scellements, remblais, infrastructures, formations géologiques multi-interfaces entre composants aux caractéristiques contrastées multi-échelle d ’espace : colis de stockage alvéole  module  zone  site  région  Bassin parisien multi-échelle de temps : 0 à 106ans Besoins de méthodes et d ’outils de calculs adaptés : gestion multi-échelle spatiale (géométrie complexe) gestion multi-échelle temporelle et grandes échelles de temps gestion des discontinuités entre milieux contrastés gestion des incertitudes et de la variabilité des paramètres Les problématiques spécifiques de la modélisation du stockage

Impacts thermiques possibles à long terme Endommagement thermique Modifications des conditions chimiques Thermo-convection APSS: exemple des phénomènes thermiques (déchets C) (1) CL: charges hydrauliques au mur et au toit du COX (2) Pression capillaire induite par la ventilation (3) Désaturation du COX (4) Convergence différée + dilatation thermique des argiles (5) Mise en charge et réaction du soutènement (6) Convergence différée des parois (7) Mise en charge et réaction du revêtement (8) Fermeture/ouverture des interfaces roche/soutènement (9) CL: contraintes naturelles initiales (10) Zone fracturée (11) Zone endommagée (12) Zone perturbée à t=0

APSS: exemple des phénomènes pris en compte Fluage argilites • Périodes : • Exploitation • Post -Fermeture 0 102 5.102 104 5 104 105 } • Thermiques Charge thermique vers équilibre géothermal naturel } • Désaturation • argilites • Désaturation • /resatuation BO Resaturation modules Stockage à l’équilibre hydrostatique • Hydrauliques Cond. oxydantes Cond. réductrices } Dégradation des bétons de soutènement • Chimiques Interactions Argile BO avec Fer et eaux des Argilites vers équilibre avec Argilites Corrosion conteneur } • Mécaniques Rupture des soutènements de galeries vers équilibre géomécanique • Décharge initiale • Chargement / déchargementthermique Evolution argilites en parois chargement alvéole et remblais de galeries Diffusion/Convection vers galeries, Diffusion dans C-O Relâchement RN, Diffusion dans BO • RN

Les problématiques spécifiques de modélisation et les dispositions conceptuelles • Des dispositions conceptuelles permettant une modélisation « simplifiée » : • Architecture modulaire du stockage • Zones de stockage distinctes et éloignées (plusieurs centaines de mètres) par colis types • Modules distincts et éloignés (plusieurs dizaines de mètres) pour chaque zone de stockage • Regroupement des accès (puits, descenderies) en aval hydraulique, en dehors et loin (plusieurs centaines de mètres) des zones de stockage • Température < 100°C • Limitation des interfaces entre matériaux (ex. éloignement des scellements argileux des masses de bétons) • Absence / Limitation des interactions phénoménologiques entre zones et entre modules • Des modélisations indépendantes par zone de stockage • Des modélisations de base construites à l ’échelle de l ’alvéole et/ou du module puis un remontage à l ’échelle de la zone de stockage par changement d ’échelle

La stratégie de modélisation pour les calculs de sûreté Une approche progressive : 2003 • Description des processus phénoménologiques • APSS • Evaluation temps-espace de grands processus • Evaluation du poids de processus et des incertitudes sur le relâchement et le transfert des radionucléides et toxiques chimiques • Evaluation des représentations géométriques et dimensionnelles • Evaluation des méthodes et outils numériques 2003 • Calculs préparatoires Modèle(s) retenus avec leurs paramètres 2004 • Calculs de sûreté • Evaluation des impacts radiologiques et toxiques

Les grands processus retenus pour les évaluations préparatoires (1/2) Le Milieu Géologique en champ lointain • Chimie en solution, rétention et transport des RN et toxiques chimiques dans le COx sain et les encaissants • Hydrogéologie du COx sain • Hydrogéologie des encaissants • Transfert des RN et toxiques chimiques dans la biosphère • Hydrogéologie locale/régionale versus les évolutions climatiques et géodynamiques

Les grands processus retenus pour les évaluations préparatoires (2/2) Le Stockage et le Milieu Géologique en champ proche • Transitoire thermique C, CU et B • Désaturation - 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 à base d ’argile (scellements argileux, bouchons d ’alvéoles, remblais) • Evolution chimique des alvéoles B, scellements cimentaires, infrastructures cimentaires  impact sur les propriétés hydrauliques et mécaniques • Evolution chimique des alvéoles C et CU, et des scellements argileux  impact sur les propriétés hydrauliques et mécaniques • Comportement mécanique de ouvrages : alvéoles de stockage, scellements, galeries, puits, descenderie • Corrosion des conteneurages de déchets C et CU • Relâchement et transfert des RN et toxiques chimiques

Une physique centrale : Ecoulement, transport de solutés et Chimie couplés • L ’écoulement d ’eau, le transport de solutés et la « géochimie » couplés dans les milieux poreux continus équivalents (saturés et non saturés) • Processus d ’altération des Argilites: perturbation alcaline, perturbation oxydante, interactions avec les aciers aux carbones, perturbation thermique • Processus de dégradation des composants artificiels du stockage : • Béton(Colis de stockage de déchets B [conteneur, matrice], barrière ouvragée, ouvrages d ’infrastructure [soutènements, dalles de roulage…], massifs de confinement des ouvrages à base d ’argile gonflante [bouchon d ’alvéole de déchet C et CU, scellement], scellement  perturbation par les eaux des argilites et/ou les produits de dégradation des colis B, perturbation thermique • Argile gonflante (barrière ouvragée et bouchons d ’alvéole C et CU, scellement)  idem Argilites • Métaux (conteneurage et déchets) : corrosion • Verre, bitume, oxyde d ’U, oxyde mixte U et Pu: dissolution aqueuse • Argilites excavées (remblais)  idem Argilites • Processus de relâchement et de transfert des RN et des toxiques chimiques

Des contraintes Mécaniques et Thermiques • Les transferts de chaleur et de masse d ’eau liquide et vapeur couplés (dans les milieux poreux continus équivalents) • Processus d ’élévation transitoire de température lié aux colis de déchets exothermiques • Processus de désaturation et de resaturation du stockage, et de retour à un équilibre hydraulique • Le comportement (Thermo)-hydromécanique • Processus contrainte-déformation des alvéoles de stockage (argilites, soutènement, barrière ouvragée, colis de stockage, tube guide, bouchon d ’alvéole) • Processus contrainte-déformation des scellements (argilites, argile gonflante, massif de confinement en béton, remblai en argilites excavées) • Processus contrainte-déformation des galeries (argilites, argilites excavées, infrastructures en béton) • Processus d ’endommagement des argilites (EDZ) • Processus d ’endommagement des colis de stockage, barrière ouvragée, bouchons, scellements, remblais et infrastructures

Ecoulement, transport de solutés et chimie couplés : les mécanismes à évaluer (Géo)chimie Ecoulement Transport de solutés • Eau liquide • Convection (Darcy généralisée) • Thermoconvection • Changement de phase • Thermo-osmose • Osmose chimique • Eau vapeur • Diffusion (Fick généralisé) • Convection Darcy généralisée • Thermodiffusion (Soret) • Changement de phase • Air sec / gaz • Diffusion (Fick généralisé) • Convection (Darcy généralisée) • Dissolution (Henri) • Thermodiffusion • Thermodynamique à l ’équilibre • Dissolution/précipitation • Co-précipitation • Echange d ’ions • Complexation de surface • Redox • Cinétique chimique • Dissolution/précipitation • Corrosion des aciers • Mécanismes propres à certains colis : • Verre : Si • Boues bitumée : sels • CU : radiolyse • Diffusion anion et cations (Fick) • Convection anions et cations (cf. écoulement) • Dispersion • Thermo-diffusion (Soret) Déplacement et quantité d ’eau et de solutés Changement de l ’espace poral  porosité et coefficients de transfert

Les priorités des calculs préparatoires • Transitoire thermique C, CU et B • Désaturation - resaturation du stockage + Gaz • Perturbation alcaline • Evolution chimique des ouvrages • Comportement mécanique de ouvrages • Relâchement et transfert des RN et toxiques chimiques dans les ouvrages • Hydrogéologie, transport et rétention dans le COx sain

Transitoire thermique C, CU et B • Objectif : • Evaluation temps-espace de la charge thermique dans et autour du stockage • températures • gradients • cinétiques • temps caractéristiques • Echelles d ’espace : alvéoles (m à dam)  module (dam)  zone de stockage (km)  local (km) • Echelle de temps : 0 à 100.000 ans • Principaux processus couplés : désaturation/resaturation, production et transfert de gaz

Désaturation-resaturation, transport en non saturé, production et transfert des gaz • Objectif : • Evaluation temps-espace : • Cinétiques, temps caractéristiques et extensions de la désaturation • Cinétiques et temps caractéristiques de la resaturation • Organisation des écoulements pendant et après la resaturation • Conditions de transport des solutés pendant la désaturation et la resaturation • Flux d’eau et de gaz, vitesses • Colis type concernés pour les gaz : C, CU et B • Echelles d ’espace : alvéoles (m à dm)  module (dm)  zone de stockage (km) • Echelle de temps : 0 à 100.000 ans • Principaux processus couplés : transitoire thermique, comportement mécanique des ouvrages

Perturbation alcaline • Objectif : • Evaluation temps-espace des transformations minéralogiques et des équilibres fluides-solides : • nature • extensions • cinétiques • temps caractéristiques • Ouvrages concernés : alvéoles B, bouchons d ’alvéoles C et CU, scellements en argile gonflante, remblais en argilites • Echelles d ’espace : ouvrage (m à dam)  module (dam) • Echelle de temps : 0 à 1.000.000 ans • Principaux processus couplés : transitoire thermique, désaturation-resaturation + gaz, évolution chimique des ouvrages cimentaires

Evolution chimique des ouvrages • Objectif: • Evaluation temps-espace des transformations « minéralogiques » et des équilibres fluides-solides • nature • extensions • cinétiques • temps caractéristiques • Ouvrages concernés : alvéoles C, CU (argilites, soutènement, BO, tube guide, sur-conteneur), alvéoles B (argilites, béton), scellements (argilites, argile gonflante, béton) • Echelles d ’espace : ouvrage (m à dam)  module (dam) • Echelle de temps : 0 à 1.000.000 ans • Principaux processus couplés : transitoire thermique, désaturation-resaturation (+ gaz), dégradation des colis

Comportement mécanique des ouvrages • Objectif: • Evaluation temps-espace du comportement contrainte-déformation des ouvrages (composants internes + Argilites) en THM pure et en M couplée avec C • déformations • contraintes • déplacements • Ouvrages concernés : alvéoles de stockage C, CU et B, scellements, remblais (argilites) • Echelles d ’espace : ouvrage (m à dam) • Echelle de temps : 0 à 1.000.000 ans • Principaux processus couplés : transitoire thermique, désaturation-resaturation (+ gaz), évolution chimique des ouvrages, perturbation alcaline • EDZ • Stabilité BO • Stabilité bouchon et scellement en interaction avec massif d ’appui et remblai • Stabilité des colis • Dégradation chimique des composants en béton • Produits de corrosion expansifs (alvéoles C et CU) • Corrosion des armatures dans les composants en béton

Relâchement des RN et des toxiques chimiques dans les ouvrages • Objectif : • Evaluation temps-espace du relâchement et du transport des RN, des toxiques chimiques, et produits de dégradation : • flux • spéciation en solution et rétention • Ouvrages concernés : alvéoles de stockage C, CU et B, scellements, remblais (argilites) • Echelles d ’espace : ouvrage (m à dam) • Echelle de temps : 0 à 1.000.000 ans • Principaux processus couplés : transitoire thermique, désaturation-resaturation (+ gaz), évolution chimique des ouvrages, perturbation alcaline

Hydrogéologie, transport et rétention dans le COx sain • Objectifs : • Explication et évaluation du rôle/effets des surpressions (état initial, phase d’exploitation, resaturation, équilibre hydraulique final) ; • Evaluation des poids respectifs des processus d’écoulement et de transfert des solutés non dominants ; • Evaluation de l’homogénéité et de l’anisotropie des propriétés hydrodynamiques et diffusives ; • Evaluation du rôle de la fracturation éventuelle • Evaluation de la variabilité du Cox à l’échelle du secteur et lien entre cette variabilité et les paramètres d’écoulement et de transport • Evaluation des temps de transfert caractéristiques • Evaluation de l’effet de la température • Echelles d ’espace : COx (dam à km) • Echelle de temps : 0 à 1.000.000 ans • Principaux processus couplés : transitoire thermique, désaturation-resaturation (+ gaz)

Le traitement des incertitudes sur la modélisation physique (1/2) • Des rétroactions C  H, C  M et M  H  C encore à l ’étude • modélisation couplée basée sur des grandeurs macroscopiques : porosité, coefficients de transfert (perméabilité, diffusion...), paramètres mécaniques, Kd • modélisation non couplée numériquement et réalisée par étapes (ex : C  M) • Pas d ’outil qualifié HC actuellement disponible en condition non saturée • modélisation «simplifiée» de l ’évolution chimique des ouvrages de stockage pendant la phase transitoire de saturation, sur la base d ’une analyse en saturé • Une nature principalement macroscopique des modèles de comportement chimique des colis • modélisation « simplifiée » de l ’évolution chimique globale des alvéoles de stockage • Des incertitudes sur des données géochimiques (cinétiques, co-précipitation, échange d ’ions...) • études de sensibilité sur l ’évolution chimique des alvéoles de stockage et du comportement des RN et toxiques chimiques, en condition de fort déséquilibre géochimique (ex. relâchement C et CU à court terme)

Le traitement des incertitudes sur la modélisation physique (2/2) • Des incertitudes sur les termes source gaz issus de la radiolyse (eau et matière « organique ») pour les colis type B correspondants • modélisation « simplifiée» du transitoire de saturation avec production de gaz (taux de relâchement) • Des incertitudes sur les phénomènes non diagonaux et les valeurs de leurs paramètres • prise en compte des incertitudes, sur la base des phénomènes diagonaux au travers d ’études de sensibilité

Exemple de modélisation : comportement HCM des Alvéoles B (type C&E) T (ans) Equilibre chimique eau- Relâchement, transport RN en non saturé 0 argilite H: convergent Composition de l'eau C: consommation O2 déterminée par le milieu 100- résiduel et évolution vers 1000 équilibre avec minéraux Relâchement, transport RN en non saturé altérés H-C non saturé H: convergent Eau arrivant au contact du 1000- C: interaction avec béton Relâchement, transport RN en non saturé béton 10000 H-C non saturé Condition non saturée H: convergent Eau modifiée au contact du 1000- béton C: interaction avec béton et acier Perturbation alcaline Relâchement, transport RN en saturé 10000 H-C non saturé H: diffusion/convection • Modélisation « simplifiée » (T)HC béton, colis, et argilites, • en condition non saturé • dégradation des bétons • corrosion des aciers • perturbation alcaline • relâchement et transfert RN et toxiques 10000- C: interaction avec le béton 50000 H-C saturé Condition saturée >50000 Modélisation couplée HC béton, colis, argilites en condition saturé Couplage non numérique, par conditions aux limites Couplage non numérique, par conditions aux limites Modélisation M des ouvrages Modélisation M des ouvrages >10000

Exemple de modélisation : climatologie/géodynamique et Hydrogéologie (1/2) MOTEURS Géodynamique interne (tectonique des plaques) Géodynamique externe (Evolution climatique) EFFETS - soulèvements tectoniques Linéaires Modifications - érosion progressives Séquencées - évolution des sols Modifications - Réorganisations des irréversibles réseaux hydrographiques Modifications subites - Séismes (néo-tectonique) - volcanisme - pergélisol - niveau des mers Modifications réversibles - isostasie glaciaire IMPACTS Stabilité de la couche Transferts dans les aquifères Evolutions biosphère

Approche à l ’échelle d’un cycle Modélisation du pergélisol Approche à l ’échelle d’un MA (Bioclim) Exemple de modélisation : climatologie/géodynamique et Hydrogéologie (2/2) Modélisation des évolutions de la biosphère MODELISATION CLIMATIQUE Modélisation des transferts dans aquifères et COx Modélisation hydrogéologique Couplage non numérique, par conditions aux limites Couplage non numérique, par conditions aux limites Couplage numérique Modélisation des évolutions géomorphologiques Couplage non numérique, par conditions aux limites Modélisation Géodynamique interne

Exemple d ’architecture d ’un stockage