Abstract :
[en] To date, the concept of a deep geological disposal is recognised as one of the most viable options for safely and durably storing high and intermediate level radioactive waste away from the biosphere. This mode of repository relies on a multi-barrier confinement system, which comprises a series of engineered and natural layers, aimed at delaying the radionuclide migration on a timescale consistent with the radioactive decay period. Due to their excellent insulation properties, clay materials are being considered in numerous repository designs not just as parts of the artificial barriers but also as a potential host formation, such as the Boom Clay in Belgium and the Callovo-Oxfordian claystone in France. Among the various multi-physics processes that could affect the long-term safety function of the geological barrier, the release of gases induced by the corrosion of the metal components within the system is a crucial issue. Given the impermeable nature of the host rock, an undesirable accumulation of gas in the system could trigger a succession of gas transport processes as a function of the gradual pressure build-up, jeopardising the long-term safety function of the repository.
In this context, the present work is dedicated to the modelling of the complex coupled hydro-mechanical processes governing gas flows in low-permeable clay materials, using the finite element code LAGAMINE. The aim is to gain a more comprehensive understanding of which transport regime prevails under which conditions in various zones of the geological barrier.
1) The first model is developed to reproduce the gas transport processes in the excavation damaged zone, which are assumed to be controlled by the hydraulic properties modifications caused by fracturing. This requires to simultaneously capture the multi-physics interactions related to gas transfers and the development of fractures. Particular attention is paid to the specific hydro-mechanical couplings between the transfer properties and the damage. The model is applied to simulate field-scale gas injection experiments in the Boom Clay on the one hand, and a large-scale storage gallery set up in the Callovo-Oxfordian claystone on the other hand.
2) The second model is developed to reproduce the gas transport processes in the undisturbed rock layers, which are assumed to be controlled by the rock structure at a micro-level. This requires to define a representative element volume that provides a detailed representation of the material microstructure with an explicit description of each constituent on their respective length scales. A comprehensive hydro-mechanical constitutive model can then be formulated at the micro-scale, which can be integrated into a multi-scale framework. This way, it is possible to capture the microstructure-induced phenomena that affect macroscopic gas flows. The model is applied to simulate lab-scale gas injection tests in the Boom Clay, as well as up-scaled configurations.
Through the development of these innovative numerical models, the aim of the research is to enhance the conceptualisation of the gas transport mechanisms in clay materials, to gain insight into the observed transport modes and their primary controls, and to provide a modest contribution to the mechanistic understanding of the hydro-mechanical phenomena associated with gas-induced failure.
[fr] A l’heure actuelle, l’enfouissement en couches géologiques profondes apparait comme l’une des solutions les plus pérennes pour assurer le confinement à long terme des déchets radioactifs de moyenne et haute activités, à distance de la biosphère. Ce mode de stockage repose sur le concept de confinement multi-barrières, qui offre une série de couches de protection artificielles et naturelles visant à ralentir la migration des radionucléides sur des échelles de temps proches de la période de décroissance radioactive.
En raison de leurs excellentes propriétés d’isolement, les matériaux argileux sont envisagés aussi bien pour les composants des barrières artificielles, qu’en tant que formation hôte pour le stockage, comme c’est le cas pour l’argile de Boom en Belgique et pour l’argile du Callovo-Oxfordien en France. Parmi les processus multi-physiques susceptibles d’affecter le bon fonctionnement de la barrière géologique, la production de gaz induite par la corrosion des parties métalliques du système constitue un enjeu de premier plan. Compte tenu de la nature peu perméable de la roche hôte, l’accumulation de gaz dans le système est susceptible d’entrainer l’activation progressive de différents modes de transport suivant la montée en pression. Dans ce contexte, le travail présenté dans cette thèse est consacré à la modélisation des processus hydromécaniques couplés régissant les écoulements gazeux dans les matériaux argileux peu perméables, à l’aide du code aux éléments finis LAGAMINE. L’objectif poursuivi est de comprendre sous quelles conditions ont lieu les différents régimes de transport de gaz, dans différentes zones du stockage.
1) Le premier modèle développé vise à reproduire les processus de transport de gaz dans la zone endommagée par l’excavation, qui sont supposés être contrôlés par la modification des propriétés hydrauliques induites par la fracturation. Il nécessite de capturer à la fois les interactions multiphysiques liées aux transferts de gaz, ainsi que l’initiation des fractures. Une attention particulière est portée aux couplages hydromécaniques liant les propriétés de transfert à l’endommagement. Le modèle est finalement mis en application pour reproduire des expériences d’injection de gaz à grande échelle dans l’argile de Boom, et le stockage à plus grande échelle dans une alvéole creusée dans l’argilite du Callovo-Oxfordien.
2) Le deuxième modèle développé vise à reproduire les processus de transport de gaz dans les couches de roche saine, supposés être contrôlés par la structure rocheuse au niveau microscopique. Il convient de définir un volume élémentaire représentatif offrant une représentation détaillée de la microstructure du matériau avec une description de chacun des micro-constituants. Un modèle constitutif hydromécanique complet peut ensuite être formulé à cette échelle élémentaire et intégré dans une approche multi-échelle pour reproduire l’impact des phénomènes à petite échelle sur les écoulements gazeux macroscopiques. Le modèle est finalement mis en application pour reproduire des tests d’injection de gaz à l’échelle du laboratoire dans l’argile de Boom et simuler des configurations plus générales à plus grande échelle.
Grâce aux développements numériques proposés, cette recherche vise à améliorer la conceptualisation des mécanismes de transport de gaz dans les matériaux argileux, à mieux comprendre les modes de transport observés et leurs leviers d’activation, et à apporter une modeste contribution à la compréhension mécanistique des phénomènes hydromécaniques liés aux dégradations induites par les transferts de gaz.
Jury member :
Dieudonné, Anne-Catherine; Delft University of Technology > Geo-Engineering
Levasseur, Séverine; ONDRAF/NIRAS
Talandier, Jean; ANDRA - Agence Nationale pour la Gestion des Déchets Radioactifs [FR]
Pereira, Jean-Michel; ENPC - École des Ponts ParisTech [FR] > Laboratoire Navier
Bésuelle, Pierre; UGA - Universite Grenoble Alpes [FR] > Laboratoire 3SR
