Results and new challenges in reactive transport simulations B. Cochepin Direction Scientifique – Evaluation et Analyse de Performances Journées Scientifiques du GNR MoMaS 23-25 Novembre 2009 DS/EAP/09-0081

Reactive transport simulations at Andra Presentation outline Main Andra’s goal: License Application (DAC) for HLW/ILLW repository in 2014 Reactive transport simulations at Andra Current limitations and progress axes DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

Chemical transport simulations at Andra: schedule Objectives DAC 2014 2007-2009 1st iteration of a chemical simulations for phenomenological behavior (PARS): conceptualization of problems and feasibility study (tools, model…) identifications of development of tools Use of reactive transport tolls for PA: to reduce conservatism, to define and quantify simplifications 2010-2012 Reference run of chemical simulations for PARS (convergence with data acquisition programs) PA simulations dedicated to chemical processes Retention Degradation RN Source term 2013-2014 Complementary studies in support to safety analysis and safety calculations for DAC DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

Role of chemical transport simulations for Andra Chemical transport simulations at Andra: a local description of complex processes Role of chemical transport simulations for Andra To acquire a detailed description of interfacial chemical processes of the repository and its surrounding geological media over 1 million years: Phenomenological simulations To participate to waste conditioning and design concept To contribute to performance assessment: Preliminary simulations DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

Chemical transport simulations at Andra: Main processes Concrete degradation / alkaline plume Safety operating Durability HLW Iron corrosion Glass degradation Specific ILLW Bituminized waste ILLW/HLW RN integration DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

Chemical transport simulations at Andra: Calculation specific features Interfacial problems Short distances A question of number of unknowns with highly non-linear equations Over a long period Not a matter of mesh with millions of elements Performance of algorithms Les simulations chimie-transport : problèmes localisés qui nécessitent une description fine des processus complexes à une échelle locale des composants sur de longues périodes D’un point de vue numérique, Ce n’est pas un problème de nombre de mailles mais un problème avec un nombre d’inconnus importants impliquant des problèmes fortement non linéaires Nécessite l’application d’algo de résolution performants. DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

Chemical transport simulations at Andra: numerical tools Feedback from ANDRA, CEA and BRGM Phreeqc (USGS) Advantages: robustness, flexibility in kinetic law definition, chemical processes (ion exchange, solid solution, high ionic strength…) Drawbacks: problems with many kinetically defined minerals, 1D transport (may be adjusted), porosity feedback Crunch (LBNL) Advantages: specifically made for minerals defined with kinetic laws, various solving methods (OS3D, GIMRT) Drawbacks: absence of equilibrium chemistry and high ionic strength treatment Hytec (Ecole des Mines) Advantages: multi-D, robustness of thermodynamic calculations Drawbacks: kinetic treatment Toughreact (LBNL) Advantages: unsaturated chemical transport simulations Drawbacks: coupling, numerical convergence Phreeqc utilisé à l’Andra et BRGM Crunch : CEA Hytec : CEA Toughreact : Andra, CEA, BRGM DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

New challenges: alkaline plume (Phreeqc) Concrete-clay interactions ~7000 cells, 30 minerals, 100 000 years  40 CPU days Progress axes Feedback on porosity, parallelization, solving methods (C. de Dieuleveult thesis) t = 0 t = 105 years Si on passe en revue les grandes thématiques impliquant les simul phéno : Perturbation alcaline : Illustration des problèmes d’interface à considérer (figure gauche) : béton –Cox, béton –bentonite, problème 1D axial, radial, 2D Figure droite : évolution clé ancrage : la smectite présente dans la clé subit des modifs suivant l’interface (dissolution interface béton-argilites (bleu foncé, bleu clair) mais la smectite de la bento est préservée après 100 000 ans) Cependant, les performances sont aux limites des capacités des outils (ici phreeqc). DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

New challenges: carbonation 1/3 Diphasic simulations – Toughreact Drying physics Assessed phenomena: Gas phase diffusion of vapor Gas phase flow of vapor (under pressure gradient) Capillary flow of water Thermodynamic equilibrium liquid water/vapor Gas diffusion in liquid phase Influence of the temperature Autre thématique: carbonatation Problèmatique nouvelle en chimie transport : l’insaturé et ici en particulier la physique du séchage Etude réalisée par le CEA Cadarache avec Toughreact EOS4 Les phénomènes à considérer : - … Et autant d’équations à ajouter au système d’équations couplées déjà complexe en chimie-transport DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

New challenges: carbonation 2/3 Chemistry of carbonation Near 40 mineral phases kinetically controlled, temperature Need new expressions of kinetic laws /approximations due to the unsaturated conditions Mineral reactivity depending on saturation state, CO2 instantaneous solubilization, influence of the water released from carbonation processes on hydraulics, precipitation of other minerals... Trotignon et al. 2009 (CEA) Concernant la chimie pour la carbonatation, la dégradation de la portlandite est bien suivie par la précipitation de calcite, cependant les cinétiques de précipitation des CSH n’est pas encore suffisament réaliste puisque ces phases sont toutes localisées au niveau du front de dégradation et non étalée sur l’ensemble du milieu carbonatée comme observée expérimentalement D’où le besoin de développement identifié : … DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

New challenges: carbonation 3/3 Simulation performances ~100 cells (concrete/argillites, water/air/CO2), 1 processor: 100 years simulated in 6 months CPU (time step limited by gas diffusion) Coupling algorithm SNIA /SIA Progress axes Solving method/numerical coupling more efficient Chemistry feedback on transport (porosity, hydraulics,…) Evolution of material texture (passivating precipitation, saturation control of kinetic laws…) … DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

New challenges: organic matter/ bituminized waste Conceptual problems concerning the source term Flux control (need to be representative), degradation kinetics A complex chemistry high concentrations, redox, microbial activity Progress axes Efficiency of algorithms concerning the kinetically controlled chemistry Les principaux problèmes rencontrés : conceptualisation du terme source De type flux ou controlé par la dégradation cinétique d’un minéral fictif Le tout doit être capable de représenter finement la dégradation chimique de colis au contenu varié Les outils doivent également être capable de tenir compte des hautes forces ioniques, front redox raides, activité microbienne. DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

New challenges: corrosion (glass, steel) Phenomenological models still need to be adjusted with experimental evidences How to represent a non crystallized material (gel)? Solid solution? Steel Non porous medium Progressive consumption/expanding secondary products H2 production (gas bubbles?) Progress axes Unsaturated simulations Kinetics of processes DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

New challenges: chemical-transport-mechanics coupling 3 applications: Degradation of argillaceous materials  swelling properties of chemically degraded clays Degradation of cementitious materials/steel corrosion  mechanic behaviour of waste disposal components Carbonation shrinkage, cracking  mechanic behaviour of waste disposal components (B. Bary, CEA) Preliminary studies Chemical transport simulations supplies mechanic simulations: Mineral dissolution/precipitation  volume variation, deformation (LMS) Progress axes Mechanic feedback on transport properties (cracking) Adapting mesh Efficiency of dedicated solving methods Nouveau couplage investigué Première étude lancée avec le LMS (Polytechnique) : les simulations chimie-transport servent de données d’entrée au calcul méca : pas de réel couplage encore Idées : commencer à réfléchir au type de couplage et autres méthodes de résolution spécifiques à ce type de c ouplage. DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

Chemical transport simulations at Andra: performance assessment “PRELIMINARY” Simulations Assessment of error impacts made by phenomenon simplification in performance calculations PAMINA European project: comparison of Cs transfer represented either by Kd/SL or thermodynamic models Calculation helping to radioactive waste package dimensioning Example : Influence of organic matter on radionuclide migration Objectif : Faire le lien avec les simulations de performance Les simulations phéno doivent permettre d’apporter des éléments permettant de justifier de simplifications dans les simul de performances: Illustration du type simplifications que les simul phéno pourraient apporter (même si je sais que les simplifications dans ton travail ne sont pas issues (dans l’illustration) de calculs phéno) Autres applications : Pamina pour juger du caractère pénalisant ou non des modèles par comparaison avec des modèles phéno. Concernant le dimensionnement : avoir une vision intégrée des processus jusqu’à la prise en compte des RN et des agents organiques au fort pouvoir de complexation. Pouvant éventuellement les faire migrer sur de plus longues distances. DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009

Conclusion and prospects Advances since 2005 Enhanced capacity to take into account integrated and complex geochemical systems Alimented by experimental programs which provides up to date conceptual models A huge step is about to be made with unsaturated chemical transport simulations Confidence in safety calculations is increased by “preparatory” simulations Still to come More efficient solving method/coupling algorithms New coupling (adding of unsaturated conditions/mechanics) High performance (parallelization, optimization,…) DS/EAP/09-0081 Journées Scientifiques du GDR MoMaS 23-25 Novembre 2009