Modélisation numérique du comportement thermomécanique de réseaux de galeries souterraines pour le stockage des déchets radioactifs : Approche par homogénéisation
Résumé
Deep geological disposal is one of the privileged options for the storage of High Level radioactive waste. A good knowledge of the behavior and properties of the potential geological formations as well as theirs evolution in time under the effect of the stress change induced by a possible installation of storage is required.
The geological formation host will be subjected to mechanical and thermal solicitations due respectively to the excavation of the disposal tunnels and the release of heat of the canisters of radioactive waste. These thermomechanical solicitations will generate a stress relief in the host layer and disposal tunnels deformations as well as the extension of the damaged zones (EDZ) could cause local and global instabilities.
This work aims to develop calculation methods to optimize numerical modeling of the thermoelastic behavior of the disposal at a large scale and to evaluate thermomechanical disturbance induced by storage on the geological formation host. Accordingly, after a presentation of the state of knowledge on the thermomechanical aspects of the rocks related to deep storage, of numerical modelings 2D and 3D of the thermoelastic behavior of individual disposal tunnel and a network of tunnels were carried out by a discrete approach. However, this classical approach is penalizing to study the global behavior of disposal storage. To mitigate that, an approach of numerical modeling, based on homogenization of periodic structures, was proposed. Formulations as numerical procedures were worked out to calculate the effective thermoelastic behavior of an equivalent heterogeneous structure. The model, obtained by this method, was validated with existing methods of homogenization such as the self-consistent model, as well as the Hashin-Shtrikman bounds. The comparison between the effective thermoelastic behavior and current thermoelastic behavior of reference showed a good coherence of the results. For an application to deep geological storage, the effective thermoelastic properties of a network of circular tunnels could be given in 2D for various dimensions of the distance between galleries.
The geological formation host will be subjected to mechanical and thermal solicitations due respectively to the excavation of the disposal tunnels and the release of heat of the canisters of radioactive waste. These thermomechanical solicitations will generate a stress relief in the host layer and disposal tunnels deformations as well as the extension of the damaged zones (EDZ) could cause local and global instabilities.
This work aims to develop calculation methods to optimize numerical modeling of the thermoelastic behavior of the disposal at a large scale and to evaluate thermomechanical disturbance induced by storage on the geological formation host. Accordingly, after a presentation of the state of knowledge on the thermomechanical aspects of the rocks related to deep storage, of numerical modelings 2D and 3D of the thermoelastic behavior of individual disposal tunnel and a network of tunnels were carried out by a discrete approach. However, this classical approach is penalizing to study the global behavior of disposal storage. To mitigate that, an approach of numerical modeling, based on homogenization of periodic structures, was proposed. Formulations as numerical procedures were worked out to calculate the effective thermoelastic behavior of an equivalent heterogeneous structure. The model, obtained by this method, was validated with existing methods of homogenization such as the self-consistent model, as well as the Hashin-Shtrikman bounds. The comparison between the effective thermoelastic behavior and current thermoelastic behavior of reference showed a good coherence of the results. For an application to deep geological storage, the effective thermoelastic properties of a network of circular tunnels could be given in 2D for various dimensions of the distance between galleries.
Le stockage en formation géologique profonde est l'une des solutions possibles pour la gestion à très long terme des déchets radioactifs de Haute Activité et à Vie Longue (HAVL). Son étude nécessite d'acquérir une bonne connaissance du comportement et des propriétés des formations géologiques potentielles ainsi que de leur évolution au cours du temps sous l'effet des sollicitations induites par une éventuelle installation de stockage.
La formation géologique hôte sera soumise à des chargements mécanique et thermique dus respectivement au creusement des ouvrages de stockage et au dégagement de chaleur des colis de déchets stockés. Ces chargements thermomécaniques vont engendrer une modification de la distribution des contraintes dans la couche hôte et les déformations des ouvrages ainsi que l'extension des zones endommagées (EDZ) pourraient provoquer des instabilités locales et globales.
Les objectifs de ce travail consistent en l'élaboration de techniques de calculs pour optimiser la modélisation numérique du comportement thermoélastique des ouvrages à grande échelle et en l'évaluation de la perturbation thermomécanique induite par le stockage sur la formation géologique hôte. Dans cette optique, après une présentation de l'état des connaissances sur les aspects thermomécaniques des roches liés au stockage souterrain, des modélisations numériques 2D et 3D du comportement thermoélastique d'ouvrage individuel et d'un réseau de galeries ont été réalisées par une approche discrète. Toutefois, cette approche classique est pénalisante pour l'étude du comportement global d'installations de stockage. Pour pallier à cela, une approche de modélisation numérique, basée sur la technique d'homogénéisation des milieux périodiques, a été proposée. Des formulations ainsi que des procédures numériques ont été élaborées pour déterminer le comportement thermoélastique effectif d'une structure hétérogène équivalente. Le modèle, obtenu par cette méthode, a été validé avec des méthodes d'homogénéisation existantes telles que le modèle auto-cohérent, ainsi que les bornes de Hashin-Shtrikman. La comparaison du comportement thermoélastique effectif avec le comportement thermoélastique réel de référence a montré une bonne cohérence des résultats. Pour une application au stockage profond, les coefficients thermoélastiques effectifs d'un réseau de galeries circulaires ont pu être déterminés en 2D pour différentes dimensions de l'entraxe des galeries.
La formation géologique hôte sera soumise à des chargements mécanique et thermique dus respectivement au creusement des ouvrages de stockage et au dégagement de chaleur des colis de déchets stockés. Ces chargements thermomécaniques vont engendrer une modification de la distribution des contraintes dans la couche hôte et les déformations des ouvrages ainsi que l'extension des zones endommagées (EDZ) pourraient provoquer des instabilités locales et globales.
Les objectifs de ce travail consistent en l'élaboration de techniques de calculs pour optimiser la modélisation numérique du comportement thermoélastique des ouvrages à grande échelle et en l'évaluation de la perturbation thermomécanique induite par le stockage sur la formation géologique hôte. Dans cette optique, après une présentation de l'état des connaissances sur les aspects thermomécaniques des roches liés au stockage souterrain, des modélisations numériques 2D et 3D du comportement thermoélastique d'ouvrage individuel et d'un réseau de galeries ont été réalisées par une approche discrète. Toutefois, cette approche classique est pénalisante pour l'étude du comportement global d'installations de stockage. Pour pallier à cela, une approche de modélisation numérique, basée sur la technique d'homogénéisation des milieux périodiques, a été proposée. Des formulations ainsi que des procédures numériques ont été élaborées pour déterminer le comportement thermoélastique effectif d'une structure hétérogène équivalente. Le modèle, obtenu par cette méthode, a été validé avec des méthodes d'homogénéisation existantes telles que le modèle auto-cohérent, ainsi que les bornes de Hashin-Shtrikman. La comparaison du comportement thermoélastique effectif avec le comportement thermoélastique réel de référence a montré une bonne cohérence des résultats. Pour une application au stockage profond, les coefficients thermoélastiques effectifs d'un réseau de galeries circulaires ont pu être déterminés en 2D pour différentes dimensions de l'entraxe des galeries.
Loading...