1 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Modélisation et Changements d’échelles Thierry Lassabatère - EDF R&D

2 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles u Modélisation des phénomènes physiques  Lois macro à partir de modèles micro  Modèles couplant deux échelles  Macro : transport Meso : équilibre chimique u Échelles de temps et d’espace des objets complexes  Couplage champ proche - champ lointain  Prédiction à long terme u Méthodes d’analyse et méthodes numériques  Homogénéisation  Analyse asymptotique  Décomposition de domaine Périmètre filtration dispersion, diffusion, transport échanges chimiques, électro_hydrodynamiques

3 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Les échelles du stockage : phénomènes physiques u Au niveau micro  Chimie, redox  Électro chimie, eau liée u Au niveau meso  Feuillets  Effets capillaires  Équilibre chimique, spéciation u Au niveau macro  Hétérogénéités, fractures (sites granitiques et/ou EDZ)  Échelles de temps

4 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Les échelles du stockage : exemple du site

5 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Les échelles du stockage : exemple de l’alvéole

6 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Besoins généraux u Un constat  Géométries complexes et différences d ’échelles ne permettant pas de traiter tel quel le problème global  Plusieurs échelles de modélisation physique sans disposer de tous les outils théoriques et pratiques pour passer d’une échelle à une autre u Deux directions sur lesquelles porter les efforts  méthodes numériques pour les problèmes industriels  Multi domaine incluant multi physique et multi numérique  Adaptation du modèle à l’objectif (sûreté, dimensionnement)  Effort de modélisation  Construire des modèles  Justifier leur utilisation  Analyser et comprendre les résultats

7 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Besoins de modélisation u Cadre thermodynamique de la modélisation macro  Définition des variables d’état macroscopiques pertinentes  Existence de potentiels thermodynamiques macro pour le Milieu Poreux  Écriture des potentiels thermodynamiques des constituants et des équilibres entre phases u Modélisation des transferts  Diphasiques en milieu inerte (Navier-Stokes sur multiconstituant)  sous interactions Mécanique physique chimique u Interactions électrostatiques u Réactions d’interface: échange d’ions, adsorption, complexation de surface u Précipitation-dissolution u Réactions Redox  en milieu à double porosité

8 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Besoins de modélisation/couplages u Quelle contrainte effective ?  En milieu poreux non saturé  Pour quel critère : endommagement, rupture ? u Lien endommagement et perméabilité u Modélisation du gonflement des argiles  Quantifier les effets des différents phénomènes  Comprendre et modéliser u double couche? u Physique et changement d’échelle pour le gonflement intra cristallin? u Interaction mécanique-chimie:  contrainte et fissuration (RAG des bétons),  Écrouissage thermo-chimique (illitisation des argiles)

9 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Besoins numériques u Les calculs de sûreté 2001 Colis : homogénéisation des colis Alvéole : terme source volumique en respectant la surface d ’échange avec le milieu environnant Alvéole : flux entrant dans le milieu géologique et dans les galeries Stockage : sommation des flux pour chaque module Milieu géologique : source volumique en respectant les surfaces d’échange entre les modules et le milieu

10 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Besoins numériques u Chaîne OSIRIS EDF MODELE DE SITE Écoulements dans les couches géologique, Les galeries et les puits Écoulements dans les galeries MODELE MODULE écoulement dans les galeries du module MODELE ALVEOLE écoulement et transport alvéoles dans la galerie

11 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Besoins numériques u Chemins préférentiels dans modèle EDF Vue en coupe verticale du modèle de site LNHE Coupe longitudinale des galeries (roulage et manutention) Vue du dessus du stockage S2 MO X C B UO X 3,8 km 5,1 km PUITS Kimmeridgien Oxfordien- supérieur HP C3a-C3b COX Module Scellements

12 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles  efforts de volume: lemme de Hill  discontinuité de surface (ménisque capillaire) u Homogénéisation des efforts u Identifications macroscopiques plpl pgpg  s.n   = (1-  )  s -  l p l 1 -  g p g 1 - tension superficielle Loi de Laplace Matrice solide Contrainte effective  avec Laplace + morphologie Actions en cours/Acquis récents Modélisation Milieu poreux non saturé

13 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles u Description thermodynamique de la solution interstitielle  Potentiel du soluté   1: solution non idéale (interactions électrostatiques feuillets-cations)  Thermodynamique macroscopique: lien  – pression de gonflement  Identification du coefficient d’activité  : Boltzmann  micro-macro Actions en cours/Acquis récent : gonflement osmotique des argiles  Feuillet et Double couche Feuillet

14 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Acquis récents en modélisation Lien perméabilité-endommagement u Écoulement laminaire visqueux dans les fissures u Distribution statistique des fissures  Rayons, épaisseurs  Orientations fonction du chargement mécanique (compression/extension) Perméabilité équivalente K Poiseuille Q=e 3 /12µ.  P Q VER P1P1 P0P0 PP Q = -K.  P 

15 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Actions en cours/acquis récents Méthodes numériques u Groupe de travail sur les méthodes de traitement d’échelles (Andra)  analyse des méthodes utilisées pour les calculs 2001  propositions d’améliorations  test u Méthodologie de calculs  Thèse calculs performants pour la simulation numérique de l ’impact d’un stockage sur l ’environnement (Université Claude Bernard Lyon 1) u Homogénéisation en milieu hétérogène  Obtention de fluctuations microscopiques  Éléments finis multiéchelles

16 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Actions en cours/acquis récents Méthodes numériques u Homogénéisation du terme source  fonctions de green  méthodes asymptotiques  comparaison avec décomposition de domaine Solution de référence Méthode asymptotique Fonctions de Green

17 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Actions en cours/Acquis récent Chimie/Transport u Approche globale : modèle Kd  transport généralisé  Ne convient pas à toutes les espèces : Césium, Strontium… u Couplage transport / chimie  fortes concentrations  Mécanismes d’interaction, spéciation (formulation chimique des espèces)  Couplage dans Alliances :  Séparation entre chimie, transport,couplage  Couplage au niveau Alliances, indépendant des codes Transport Coupling algorithms Chemistry Data Model CastemMT3DChessPhreeqc

18 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Actions en cours/Acquis récent Chimie/Transport u Validation : dissolution d’Uranite par l’eau de pluie O 2 après 150 ans(Alliances) Uraninite sur l’axe vertical après 100 ans Alliances (bleu) et Hytec (rouge)  R é action chimique principale 2 UO 2 (s) + 4H + + O 2 (g) 2UO H 2 O  Syst é me chimique : 35 esp è ces aqueuses, 3 minerales, 2 gazeuses  Comparaison avec Hytec (code CIG)  Temps de dissolution : 205 a (Hytec) / 219 a (Alliances)

19 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Attentes vis à vis du GdR u « Conseils »  Participation à des groupes de travail u Développement des techniques numériques  Homogénéisation  Maillage adaptatif u Questionnement sur la physique « fondamentale »  Hiérarchiser les phénomènes potentiellement importants  Identifier les manques  Interroger les physiciens sur la connaissance des phénomènes à l’échelle microscopique…

20 Journées Scientifiques novembre 2003 MoMaS EDF Electricité de France Changement d’échelles Comment collaborer u Benchmark  Exemple de configuration u Thèses u Atelier 20m 2m 20m