Thèse en cours

Caractérisation des effets hydromécaniques et électrocinétiques sur la migration de gaz dans une roche argileuse saturée aux échelles mésoscopiques
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Auteur / Autrice : Nathan Amrofel
Direction : Fabrice GolfierAmael Obliger
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Géosciences
Date : Inscription en doctorat le 27/10/2020
Etablissement(s) : Université de Lorraine
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources
Equipe de recherche : Hydrogéomécanique multi-échelles (Axe GéoModèles)

Résumé

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Dans une installation de stockage géologique de déchets radioactifs, la corrosion des matériaux ferreux dans des conditions anoxiques, associée à la désintégration radioactive des déchets et à la radiolyse de l'eau, entraînera la formation d'hydrogène. Une bonne compréhension du comportement de migration de ce gaz est d'une importance fondamentale pour la fiabilité des scénarios de prédiction d'évolution à long terme d'un tel stockage. Si le taux de production de gaz dépasse le taux de diffusion du gaz dans les pores de la roche hôte, une phase gazeuse distincte se formera. Les forces de capillarité s'opposant au mouvement du gaz entraîneront une augmentation de la pression jusqu'à une valeur critique au-delà de laquelle il pourra pénétrer dans le matériau environnant et se déplacer par des processus advectifs. Différents mécanismes propres aux roches argileuses et à leur caractère nanoporeux pourraient toutefois influencer ces écoulements visco-capillaires. Tout d'abord, compte tenu des fortes pressions générées, la percolation du gaz génère une dilation des chemins percolants, pouvant conduire à un déplacement localisée de l'eau loin de ces chemins, sous l'effet de la compression de la matrice argileuse. Ces phénomènes d'ouverture des chemins percolants (micro fissuration) entraînent à leur tour un endommagement et une dégradation des propriétés mécaniques de la roche. Si la pression continue d'augmenter, des fractures en tension se développent de manière similaire à celles observées en fracturation hydraulique. En parallèle, dans les milieux argileux comme l'argilite du Callovo-Oxfordien (COx) l'eau porale contient des ions dissous et forme donc un électrolyte. Du fait des charges électriques présentes dans les feuillets d'argiles la densité de concentration des ions près des interfaces solide/liquide devient inhomogène et l'électrolyte n'est plus électriquement neutre (double couche électrique). Les écoulements sont dans ce cas plus complexes puisque des couplages apparaissent entre la dynamique du solvant et celle des ions. En effet, lorsque le fluide est soumis à un champ électrique, bien que le solvant soit neutre, on observe l'apparition d'un flux hydraulique. Ce mécanisme appelé électro-osmose est particulièrement important dans le cadre du stockage de déchets radioactifs à cause de l'introduction des radionucléides ioniques dans la couche géologique qui viendraient s'ajouter aux ions naturellement dissous dans l'eau porale. L'objectif de cette thèse est de proposer des modèles mésoscopiques capables de prendre en compte les couplages HydroMécaniques (HM) et ElectroCinétiques (EC) lors de la simulation de l'écoulement et du transport dans des volumes élémentaires représentatifs (VER) de grandes tailles typiquement hors de portée des méthodes moléculaires. Ceci permettra des analyses quantitatives des effets simultanés de la morphologie réelle des argiles et des couplages HM et EC sur les propriétés de transport.