Modélisation multi-échelle des transferts en milieux fracturés : application au site de Äspö (Suède)

par André Fourno

Thèse de doctorat en Terres solides et enveloppe superficielle

Sous la direction de Frédérick Delay.

Soutenue en 2005

à Poitiers , dans le cadre de École doctorale ingénierie chimique, biologique et géologique - ICBG (Poitiers) , en partenariat avec Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées (autre partenaire) .

mots clés

• Modèles mathématiques
• Roches -- Fracturation
• Fluides, Mécanique des
• Déchets radioactifs -- Élimination dans le sol

Résumé

Dans le cadre de la problématique de l'enfouissement des déchets nucléaires, la barrière géologique constitue la dernière zone de transfert des radio-éléments. Cette barrière pouvant être fracturée des recherches sont menées pour faire progresser la modélisation des transferts en milieu fracturé. La complexité du milieu rend cette tâche complexe. De plus, après fermeture du site, les écoulements lents dans le milieu favorisent des phénomènes diffusifs dans la roche qui contribuent à augmenter le temps de transit des radio-éléments. Dans ce contexte, une approche Smeared Fractures a été développée pour un schéma en Eléments Finis Mixtes Hybrides et implémentée dans le code Cast3M. Cette approche permet d'éviter un maillage coûteux des fractures principales en les représentant par un champ hétérogène de propriétés sur un maillage régulier. Ces propriétés sont affectées de manière à respecter les critères de conservation des flux (hydraulique et massique) à l'échelle de la fracture. L'approche Smeared Fractures, comparable pour l'écoulement à une approche discrète conserve le caractère 3D de la géométrie des blocs matriciels lors de la résolution du transport. En respectant des critères de discrétisation établis, et suivant la précision désirée, cette approche permet de réduire les temps de calcul. Les résultats de validation et de qualification appliquée à des géométries 2D et 3D, synthétiques et réalistes, sont présentés pour différents jeux de paramètres physiques. Des applications au site d'Äspö (Suède) clôturent ce travail.

Titre traduit

Multi-scale modelling of transfers in fractured media : application to the Äspö site (Sweden)

Résumé

In the field of nuclear waste storage, the geological barrier is the last transfer zone for radio-elements. Since fractures are to be found in geological media, special emphasis is put on improving modeling approaches to transfer processes in fractured media. It remains a challenging task due to the medium complexities. In addition, for post closure natural flow conditions, flow is slow and diffusion processes play a major role contributing to the retention of the plume. In this context, a Smeared Fractures approach was developed for a Mixed and Hybrid Finite Element scheme and implemented in our code, Cast3M. The fractured block is represented on regular mesh, the presence of the fracture being taken into account through an heterogeneous field of parameters. Considering conservation of flow and mass fluxes for each fracture, these parameters are derived. The Smeared Fractures approach, comparable to discrete modeling for flow, takes full 3D matrix block geometry into account for transport. The discretization have to comply with criteria that were established. Nevertheless, within these boundaries coarser discretization is possible allowing for notable computing costs. The validation and qualification phase was conducted for 2D and 3D cases. These include results on synthetics and realistic systems, for different flow regimes and parameter values. The approach is finally applied on several cases from the Äspö site, Sweden.