pour obtenir le grade de Docteur de L’Institut polytechnique de Grenoble « Expérimentation et Modélisation du Transfert d’hydrogène à travers des argiles de centre de stockage de déchets radioactifs » Pierre Boulin le 2 octobre 2008 Directeur de thèse: Rafael Angulo-Jaramillo Encadrant CEA: Philippe Berne Encadrant ANDRA: Jean Talandier

Contexte: un centre de stockage profond de déchets radioactifs Réf: ANDRA (2005)

Contexte: Problématique des gaz de corrosion Exemple des colis de déchets de type C

Contexte: Problématique des gaz de corrosion Exemple des colis de déchets de type C Production de gaz Dissolution dans l’eau souterraine Création d’un phase gazeuse Possible formation de fissures

de simuler le transfert des gaz de corrosion à travers les argilites Objectif de la thèse Déterminer les paramètres qui contrôlent le transfert du gaz dans les argilites du Callovo-Oxfordien Afin : de simuler le transfert des gaz de corrosion à travers les argilites de s’assurer de l’intégrité de la barrière argileuse à différentes étapes du stockage Meilleur connaissance des modes de transfert: quels sont ils, quel est la quantité de gaz concernée ?

Phénomènes de Transfert Les gaz de corrosion migrent à travers les argilites du Callovo-Oxfordien: par diffusion sous forme dissoute par désaturation des argilites et progression du front de désaturation par perméation à travers le milieu partiellement désaturé Meilleur connaissance des modes de transfert: quels sont ils, quel est la quantité de gaz concernée ?

Objectif de cette présentation État de l’art sur le transfert biphasique en milieu poreux naturel Caractériser le transport de gaz dans des argilites proches de la saturation Objectifs de la thèse sur lesquels va s’articuler la présentation MAX Évaluer la pression maximale atteinte au niveau des alvéoles de stockages de déchets radioactifs

Plan de cette présentation 1. Transfert de gaz en milieux poreux Principes des modes de transfert Paramètres qui caractérisent le transfert de gaz 2. Essais de perméation et de diffusion d’hydrogène et d’hélium dans les argilites du Callovo-Oxfordien Essais existants Principe Premiers résultats sur des échantillons secs 3. Modèle de Transfert d’hydrogène et d’hélium par perméation/diffusion Présentation du DGM Identification des paramètres du modèle Pertinence du modèle et des paramètres (essais Hydrogène – essais avec différentes conditions limites en pression) Objectifs de la thèse sur lesquels va s’articuler la présentation

Plan de la thèse 4. Résultats sur des argilites proches de la saturation Évolutions des paramètres du modèle avec la saturation Identification des réseaux accessibles au gaz 5. Conclusion Pression maximale d’hydrogène atteinte au niveau d’une alvéole de stockage Perspectives Objectifs de la thèse sur lesquels va s’articuler la présentation

Transfert de gaz en milieux poreux 1 Transfert de gaz en milieux poreux Le gaz ne pénétre pas comme ça la roche, elle la désature mais pas de façon homogène mais là ou les pression capillaires sont les moins importantes

P c Δ Δ Transfert au sein d’un gaz Perméation Diffusion Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Transfert au sein d’un gaz Δ P Perméation Δ c Diffusion Les réseaux accessibles au gaz ne signifie pas nécessairement le traverser

Transfert au sein d’un milieux poreux Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Transfert au sein d’un milieux poreux Perméation Diffusion Relation de Darcy: Relation de Fick: Effet Klinkenberg Fonction en 1/P Les réseaux accessibles au gaz ne signifie pas nécessairement le traverser

Au sein du milieu poreux Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Au sein du milieu poreux Solide liquide gaz Les réseaux accessibles au gaz ne signifie pas nécessairement le traverser Si Pl = cste, plus Pg augmente et plus l’interface eau/air se déplace dans des pores de petites tailles Pénétrer le milieu poreux ne signifie pas nécessairement le traverser Δ

2 Essais de perméation et de diffusion de gaz dans les argilites du Callovo-Oxfordien Le gaz ne pénétre pas comme ça la roche, elle la désature mais pas de façon homogène mais là ou les pression capillaires sont les moins importantes

Perméation/Diffusion Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Essai de perméation classique Forte perméabilité (> 10-19 m2) Contrôle des conditions aux limites Δ P1 ≥ P2 P2 D D Débitmètre qui mesure directement

Perméation/Diffusion Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Essai de perméation classique P1= cst ou non P= Détermination de k (faibles) et de  Difficulté à l’interprétation Δ Réf: Davy et al. (2007)

Perméation/Diffusion Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Essai de diffusion classique + Gaz 1 MESURE DU DEBIT ANALYSE DU GAZ + Gaz 2 + Réf: Soukup et al. (2007)

Perméation/Diffusion Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Principe de l’essai P1 ≥ P2 Azote P2 + Azote: Gaz Vecteur La teneur en Hélium (ppm) est mesurée par un spectromètre Δ Dans le cas ou P1=P2

Perméation/Diffusion Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Dispositif expérimental Préciser la temperature: isotherme à 23° Réf: Boulin et al. (2008)

Perméation/Diffusion Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Essai de perméation d’hélium sur des échantillons secs P> 6 bar P = 2 bar P< 6 bar Effet Klinkenberg à forte pression (confirmé par un test de perméation classique) Dérive aux faibles pressions: flux d’hélium plus important que celui attendu Δ kapp

Perméation/Diffusion Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Essai de diffusion d’hélium/azote sur des échantillons secs Δ La littérature donne un coefficient de diffusion inversement proportionnel à P Existence d’une diffusion elle indépendante de P: la diffusion Knudsen. Réf: Sercombe et al. (2007), Abu-El-Sha’r et Abriola (1997)

Perméation/Diffusion Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Pour obtenir des paramètres intrinsèques du transfert du gaz dans les argilites il faut utiliser un modèle qui puisse: Δ Intégrer la diffusion et la perméation Intégrer la notion de diffusion Knudsen Intégrer la notion d’effet Klinkenberg Δ Δ

3 Modèle de transfert de gaz dans ce type d’essai de perméation/diffusion Le gaz ne pénétre pas comme ça la roche, elle la désature mais pas de façon homogène mais là ou les pression capillaires sont les moins importantes

Principe du Dusty Gas Model (DGM): Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Principe du Dusty Gas Model (DGM): Réf: Krishna et Wesselingh (1997)

Équations et paramètres du DGM: Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Équations et paramètres du DGM: avec

Profil de fraction molaire au sein de l’échantillon: Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Profil de fraction molaire au sein de l’échantillon: 1 e Advection croissante 1 e 1

A fort gradient de pression: Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle A fort gradient de pression: 1 x1 = 1 dx1/dx = 0 e Dans cette zone le DGM se simplifie: Or la relation de Darcy modifiée par l’effet Klinkenberg: Par comparaison:

Obtentions des paramètres du DGM: Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Obtentions des paramètres du DGM: L’effet Klinkenberg est le résultat de la diffusion Knudsen pour des gradients de pressions forts. Le coefficient effectif D1,Me de diffusion Knudsen peut être évalué à partir du paramètre de Klinkenberg bk. Δ Ordonnée à l’origine: k∞ Pente = D1,Me* kapp Le coefficient de diffusion moléculaire effectif D1,2e est obtenu à partir d’un modèle COMSOL multiphysics Δ Un seul essai en perméation/diffusion permet d’obtenir ces paramètres. la pression amont débute à une valeur proche de la pression avale puis augmente par paliers. A chaque flux mesuré correspond une perméabilité apparente, celle-ci est ensuite tracée fonction de l’inverse de la pression moyenne. Réf: COMSOL (2005)

Résultats des simulations du DGM sur les argilites sèches Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Résultats des simulations du DGM sur les argilites sèches kapp

Intérêt du DGM: Obtenir des paramètres intrinsèques Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Intérêt du DGM: Obtenir des paramètres intrinsèques Δ Modèle robuste lorsque l’on change la pression aval P ↑ P = 2,6 bar P ↑ P = 3,8 bar P ↑ P = 6,4 bar kapp

Intérêt du DGM: Obtenir des paramètres intrinsèques Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Intérêt du DGM: Obtenir des paramètres intrinsèques Δ Possibilité de changer de gaz Reste le même Théorie avec

Intérêt du DGM: Obtenir des paramètres intrinsèques Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Intérêt du DGM: Obtenir des paramètres intrinsèques 1/Pm*M1/2/ Δ Possibilité de changer de gaz

Intérêt de la simulation sous COMSOL: Obtention du régime transitoire Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Intérêt de la simulation sous COMSOL: Obtention du régime transitoire P flux t t Réf: COMSOL (2005)

4 Paramètres de transfert du gaz sur les argilites proche de la saturation Le gaz ne pénétre pas comme ça la roche, elle la désature mais pas de façon homogène mais là ou les pression capillaires sont les moins importantes

différentes saturations Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Perméabilités effectives fonction de la saturation Perméabilités trop importantes effective

différentes saturations Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Perméabilité intrinsèque fonction de la saturation Δ Des perméabilités importantes (10-20 m2) sont observées sur des essais en ⊥ aux strates qui peuvent être expliquées par des chemins préférentiels: créés par l’oxydation d’occlusions de pyrite préexistants Δ Δ Des perméabilités importantes (10-20 m2) sont observées sur des argilites proches de la saturation sur des essais en perpendiculaire aux strates (où normalement le transport de gaz est le moins facilité) qui peuvent être expliquées par des chemins préférentiels: Δ Le dispositif expérimental permet de mesurer des perméabilités au gaz inférieures à 10-22 m2

différentes saturations Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Coefficient de diffusion moléculaire fonction de la saturation Difficulté d’exploiter ces données car: très peu de données comparables dans la littérature la précision sur ces valeurs est difficile à établir Δ Δ Réf: Abu-El-Sha’r et Abriola (1997)

différentes saturations Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Coefficient de diffusion Knudsen fonction de la saturation Correspond aux fortes perméabilités

différentes saturations Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Coefficient de diffusion Knudsen fonction de la saturation Fortes incertitudes Difficulté d’exploiter ces données telles quelles car: une part de D1Me augmente avec la saturation en eau (D1Me est grand quand l’effet Knudsen est négligeable) une part diminue avec la saturation en eau Δ Il est possible de simplifier l’effet de la saturation sur D1Me à partir de bk

différentes saturations Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Facteur de Klinkenberg fonction de la saturation Dans un modèle simple de réseau de capillaires cylindriques, bk ne dépend pas de l’état de saturation mais du diamètre moyen des pores

différentes saturations Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle L’évolution des paramètres du DGM fonction de la saturation a montré que Δ Le transfert de gaz pourrait se faire dans des réseaux accessibles à des pressions de gaz supérieures à 60 bar. Δ bk inférieur à 106 Pa, l’effet Klinkenberg jouera ainsi pour moins de 20% dans le transport d’hydrogène dans les argilites du Callovo-Oxfordien. Cependant il reste à vérifier quelle est la part de cette porosité accessible sur la porosité totale.

différentes saturations Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Estimation de la part de porosité accessible au gaz

différentes saturations Essai de Perméation/Diffusion Résultats à différentes saturations Transfert de Gaz Modèle Estimation des paramètres du DGM selon la saturation en eau Δ La part de porosité au gaz évolue entre 0,4% à 2% de la porosité totale (18%). k∞ obtenues par calage en privilégiant les plus faibles perméabilités. qui limitent au maximum le transfert de gaz à travers les argilites proches de la saturation

5 Pression maximale atteinte au niveau d’une alvéole de stockage de déchets radioactifs Le gaz ne pénétre pas comme ça la roche, elle la désature mais pas de façon homogène mais là ou les pression capillaires sont les moins importantes

Scénario d’application: une alvéole de déchets de type C Δ Objet de l’étude: (simplifier en un 1D-radial) Colis de type C Argilites saturées en eau Pl = 50 bar Δ Le transfert d’hydrogène n’est possible qu’à travers les argilites: diffusion sous forme dissoute, déplacement de l’eau et du gaz par perméation Δ Durée de la simulation: 4500 ans là où la corrosion des déchets C est la plus intense

Augmentation de pression Dans le cas le plus défavorable (k < 6 10-22 m2), le processus de perméation est suffisant pour évacuer les gaz de corrosion et limiter l’augmentation de pression à 83 bar.

Conclusion Générale Δ Δ Δ Le dispositif expérimental présenté et le modèle associé permettent: de mesurer en continu des débits très faibles (et donc de mesurer des perméabilités < 10-20 m2 ainsi que des porosités accessibles aux gaz) de coupler de façon efficace perméation et diffusion de prendre en compte effet Knudsen et effet Klinkenberg d’obtenir des paramètres de transfert d’hydrogène à partir de ceux obtenus avec de l’hélium Δ Δ Δ Δ Δ La perméabilité effective au gaz vont de 5 10-23 à 5 10-21 m2 et donc ne serait pas susceptible d’endommager la barrière géologique Δ La pression maximale atteinte au niveau d’un centre de stockage de déchets radioactifs serait inférieure à 85 bar.

Perspectives Δ Prévenir la fissuration des argiles, oxydation de la pyrite par un meilleur conditionnement Δ Un plus grand nombre d’essais en hydrogène permettrait de valider ou non avec plus de précision le DGM sur les argilites du Callovo-Oxfordien. Δ Déterminer une pression de percée des argilites (par exemple test d’Hildenbrand, essais longs) pour affiner le modèle final de transfert d’hydrogène dans les argilites du Callovo-Oxfordien une pression pour laquelle on atteint les premiers chemins de percée à travers les argilites Δ Étudier la réactivité des argilites à l’hydrogène Réf: Hildenbrand (2003)

MERCI DE VOTRE ATTENTION Pore piégé