Contribution to model improvement for transient water-gas flow in porous media in natural and anthropogenic environments

Les résultats présentés dans cette HDR, sont le fruit des études réalisées au sein de l’IRSN depuis avril 2010. Ces études s’articulent essentiellement autour de deux thématiques de recherche importantes : (1) : la radioprotection contre les rayonnements ionisants (essentiellement provenant du gaz radioactif radon) et (2) : la sûreté des installations de stockage géologique profond de déchets radioactifs à haute activité (HA) et à moyenne activité à vie longue (MAVL). La première s’inscrit dans le cadre du plan national de gestion des matières et déchets radioactifs (PNGMDR, 2011-2015) et du plan national d’action 2016-2019 pour la gestion du risque lié au radon (ASN), et concernent essentiellement les études abordées durant 7 ans sur les phénomènes de transport du radon depuis le sol, le sous-sol, les résidus miniers issus du traitement des minerais d’uranium (RMU) dans les sites de stockage, et les systèmes karstiques vers l’environnement naturel et l’habitat (interfaces sol-bâtiment). La seconde s’inscrit dans le cadre du PNGMDR 2016-2021, en particulier l’étude de faisabilité du projet de l’installation Cigéo (Centre Industriel de stockage GEOlogique) pour le stockage géologique profond de déchets radioactifs HA et MAVL. Dans cette thématique, sont présentés les travaux de recherche développés depuis l’année 2016 suite à l’expertise du Dossier de Sûreté (DOS) de Cigéo pour étudier les phénomènes transitoires et couplés de production et de transport de l’hydrogène à différentes échelles spatiales de l’installation (alvéole, module à plusieurs alvéoles, site à plusieurs modules) durant la phase de post-fermeture de cette dernière.

Les projets de recherche développés et pilotés depuis 12 ans et présentés ici portent essentiellement sur les phénomènes transitoires de transport des gaz dans différentes configurations. Les objectifs ont pour but d’identifier les mécanismes prépondérants et de réduire les incertitudes associées aux modèles et paramètres décrivant ces phénomènes tout en gardant leur sens physique. Cela passe essentiellement par un développement de codes, leur vérification et validation expérimentale.

Sur la base de ces projets, le manuscrit de cette HDR décrit les activités de recherche mis en œuvre sur les deux thématiques citées plus haut. Il s’organise en trois grandes parties principales : I : Etude de transport du radon dans des milieux naturels et anthropiques, II : Amélioration des modèles diphasiques de transport de l’hydrogène dans un stockage géologique profond de déchets radioactifs, et III : Perspectives de recherche.

La partie I traite des travaux expérimentaux et de modélisations de transport du radon dans différents contextes (site de stockage des RMU, interfaces sol-bâtiment, karsts), elle s’intéresse aux lacunes de modélisation permettant de réduire les incertitudes sur les flux et les concentrations en radon souvent non prises en compte dans les modèles actuellement développés au sein de la communauté internationale qui s’intéresse au problème de transport du radon depuis la géosphère vers l’atmosphère et les bâtiments. Ces études sont premières sur le radon, elles ont donné naissance au développement du code T2Rn (TOUGH2 for Radon) à base de la plateforme américaine TOUGH2 (Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL, Californie USA) et sont basées sur une simplification des systèmes physiques étudiés et, notamment, sur une simplification des interfaces milieu poreux-milieu libre dans le cas de transport du radon à l’interface sol-cave d’un bâtiment et à l’interface roche-cavité souterraine.

La partie II s’intéresse à l’identification des différentes sources d’incertitudes issues de la modélisation de la migration de l’hydrogène à différentes échelles spatiales sur une durée d’une centaine de milliers à 1 million d’années au sein de la candidate installation Cigéo à Bure (La Meuse/Haute Marne, France). Ces incertitudes sont de différentes natures et peuvent être dues: (i) à la non prise en compte de certains phénomènes physiques, pourtant observés expérimentalement, dans les processus de transfert en milieu poreux ou leur mauvaise représentation par des modèles inadéquats; (ii) aux paramètres incertains dans ces modèles, qui sont soient obtenus par ajustement sur des données expérimentales sujettes à des erreurs de mesure importantes, soient représentent mal leur variabilité spatiale dans des milieux très hétérogènes. La notion de changement d’échelle est très importante dans ce cas; et (iii) à la méthode numérique de résolution des EDPs non linéaires et couplées, et au type de maillage choisis. Les études présentées dans cette partie sont novatrices dans le domaine d’écoulement et de transport en milieu poreux diphasique. Ils ont permis de mieux discriminer l’effet d’une pression d’entrée capillaire non nulle et de l’hystérésis sur la migration du gaz en milieu poreux diphasique, de déboucher sur un développement conséquent de codes et à l’amélioration de leur représentativité, et de collecter une base de données importante sur les propriétés hydrodynamiques des matériaux de scellements. Ces initiatives permettent aujourd’hui une amélioration conséquente de la robustesse des modélisations du comportement hydrodynamique des phases liquide-gaz, et mettent en évidence les limites des anciens modèles de migration de gaz ne traitant pas ces deux phénomènes.