Réévaluation du modèle physique de transfert de l'hydrogène pour l'étude du transitoire hydraulique-gaz dans un stockage profond de déchets radioactifs

A revisited hydrogen transfer model for the study of transient hydraulics-gas in a radioactive waste disposal facility

• Auteur / Autrice : Abdellah Amri
• Direction : Rachid Ababou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et des Planètes Solides
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Lagneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rachid Ababou, Zakaria Saâdi, Magdalena Dymitrowska, Marc Prat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Azita Ahmadi-Sénichault, Brahim Amaziane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse

Migrations

Gaz

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Analyse des données

Développement des codes

Optimisation multi-objectif

Matériaux poreux

Fluid mechanics

Data Analysis

Softwar development

Multi-objective optimization

Porous materials

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le cadre des activités de recherche et d’expertise que l’IRSN est en train de mener sur la compréhension et la modélisation des mécanismes de migration des gaz dans des barrières ouvragées quasi-saturées en eau dans le cadre du futur projet du Centre Industriel de stockage Géologique des déchets radioactifs (Cigéo). Ce travail contribue à la détermination et à l’évaluation des mécanismes de migration des gaz au voisinage d’un site de stockage des déchets radioactifs, à travers la modélisation numérique des écoulements diphasiques eau-gaz en milieu poreux, l’analyse de sensibilité des paramètres d’entrée, et la comparaison avec des expérimentations sur site. En particulier, ce travail prend en compte plusieurs phénomènes physiques négligés dans les études précédentes (pression d’entrée de gaz, hystérésis des courbes de rétention et de perméabilités relatives) : aspects théoriques, implémentation dans les codes de calcul, analyses de sensibilité... On a construit une base de données sur les mesures de propriétés hydrauliques (courbes de rétention, perméabilités à l’eau et au gaz) des différents matériaux des barrières ouvragées et de la roche hôte (CEM I, CEM V, Bentonite, Argile du Callovo-Oxfordien « COx »). Pour chaque phénomène physique, une analyse des données expérimentales a été menée pour développer ou tester des modèles à base physique. Les modèles choisis sont implémentés dans la plateforme du code TOUGH2 développée par le Laboratoire Lawrence Berkeley (LBNL, Etats-Unis) , et à l’aide de scripts (Python, Matlab) développés dans le cadre de cette thèse. Après des tests de vérification et de validation, comprenant des benchmarks avec d’autres codes, des expériences d’injection d’azote (PGZ1- GAZ in situ), ou de Soltrol 220 émulant l’injection de CO2 supercritique (en laboratoire), ont été modélisées afin de tester l’impact de ces phénomènes. La modélisation de migration de gaz à l’échelle d’un alvéole et les études de sensibilité des paramètres ont souligné l’importance de prendre en compte ces phénomènes physiques dans l’évaluation de la migration des gaz dans un site de stockage des déchets radioactifs.

This thesis is part of the research and expert activities that IRSN is carrying out on the understanding and modeling of gas migration mechanisms in the project of the Industrial Geological Storage Center for radioactive waste (Cigeo). This work contributes to the determination and evaluation of gas migration (H2) mechanisms within a radioactive waste disposal site, through the numerical modeling of two-phase (water-gas) flow in porous media that are initially quasi-saturated, complemented by sensitivity analyses with respect to input parameters, code benchmark tests, and modeling of both in-situ and laboratory experiments. In particular, this work takes into account several physical phenomena neglected in previous studies (gas entry pressure, hysteresis of water retention curve and of relative water & gas permeability curves) : theoretical aspects, implementation in computer codes, and sensitivity analyses. A database was constructed concerning measured hydraulic properties (retention curves, water and gas permeabilities) of the various materials constituting engineered barriers and host rock (CEM I, CEM V, Bentonite, Callovo-Oxfordian "COx" claystone). For each physical phenomenon, an analysis of the experimental data was carried out towards developing and testing physically based models. The selected models are then implemented in the TOUGH2 code platform developed by the Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL, CA, USA), and with several Python and Matlab scripts developed especially for this thesis. After verification and validation tests, including benchmarks with other codes, experiments were modeled in order to test the impact of entry pressure and of hysteresis phenomena (through their parameters). In particular, the nitrogen gas injection experiment (PGZ1-GAS) performed in situ in the COx host rock was modeled with & without entry pressure, and the LBNL laboratory experiment (injection of non-wetting Soltrol 220 emulating CO2 injection) was modeled with & without hysteresis. In addition, preliminary results are presented concerning the modeling of these phenomena at the scale of a waste cell ("alvéole" in the French terminology). The modeling of gas migration at the waste cell scale, as well as the previous tests and sensitivity studies with respect to input parameters, reveal the importance of these phenomena (entry pressure, hysteresis) and the need to take them into account for the evaluation of gas migration in a radioactive waste disposal site.