Technical Report NTB 01-03

Dans le contexte de l'évaluation de sûreté, les modèles complexes de transport de radionucléides jouent un rôle déterminant. Dans les exercices d'évaluation de sûreté menés récemment en Suisse, comme par exemple Kristallin-I, une limitation importante résidait dans la capacité réduite à prendre en compte les hétérogénéités au sein de la géosphère. Contrastant de façon marquante avec les limitations existant au niveau de la capacité de modélisation, un effort important a été consacré à l'étude des hétérogénéités de la géosphère. Ainsi, on a mené des investigations quant à l'impact de l'hétérogénéité de la géosphère sur les régimes d'écoulement. Des méthodes géologiques structurales ont été mises au point pour observer la géométrie des chemins privilégiés d'écoulement à petite échelle et les propriétés diffusives et sorptives des différentes roches ont été étudiées. Néanmoins, seule une part réduite des informations obtenues ont pu être intégrées dans la modélisation du transport dans la géosphère.

Le projet PICNIC a été construit sur la base d'une coopération PSI/Cédra et QuantiSci, avec pour objectif de doter l'évaluation de sûreté des stockages de déchets radioactifs en Suisse d'un nouveau modèle de transport dans la géosphère intégrant les résultats des investigations. Le nouveau code de transport PICNIC est à même de traiter tous les phénomènes pris en compte par le modèle précédent RANCHMD, utilisé dans l'étude Kristallin-I. Il traite de plus explicitement l'hétérogénéité de la géosphère pour différentes échelles spatiales.

Les phénomènes de transport suivants sont pris en compte par PICNIC: macro dispersion résultant du transport convectif de nucléides dans un réseau de chemins d'écoulement privilégiés (tubes); micro dispersion dans les tubes unitaires; diffusion matricielle ID ou 2D dans une large gamme de géométrie de blocs matriciels correspondant à des milieux homogènes ou hétérogènes; adsorption linéaire de nucléides le long des chemins privilégiés d'écoulement; décroissance radioactive et filiation. Des méthodes de transformées de Laplace tant analytiques que numériques sont intégrées dans un concept linéaire hierarchique afin de rendre compte de façon efficace des mécanismes de transport considérés et qui impliquent typiquement des échelles temporelles très différentes. La diffusion matricielle ID dans des couches géologiques de géométries planes ou cylindriques est traitée par transformée de Laplace analytique. Pour rendre compte de diffusion matricielle dans des blocs matriciels ID ou 2D hétérogènes, une méthode aux éléments finis est implémentée. La possibilité offerte par le code PICNIC de prendre en compte une diffusion matricielle 2D est à notre connaissance unique dans le domaine de la modélisation en réseau de fractures.

PICNIC rassemble des méthodes issues de la théorie des graphes, la transformée de Laplace, les éléments finis, des transformations analytiques et algébriques, des convolutions, afin de modéliser le transport complexe de radionucléides pour un champ d'application large. Afin de vérifier les performances du code, on a fait alterner les phases de développement et de validation. Par cette démarche, le code a été amélioré de façon itérative et en particulier les erreurs ont pu être progressivement écartées. La démarche suivie dans les phases de vérification s'appuie sur la structure mathématique interne de PICNIC.

Le code est validé en sept étapes avec des niveaux de complexité croissants. Le transport de nucléides ainsi que de chaînes de nucléides est analysé tant pour les tubes que pour les chemins de transport et les réseaux. Les effets de différents types de sources et de conditions aux limites sont étudiés. La précision du code est estimée en faisant appel à des solutions analytiques, par des comparaisons croisées avec d'autres codes de calcul et par des tests de consistance interne incluant un raffinement de la discrétisation adoptée pour la méthode des éléments finis dans le cas des blocs matriciels hétérogènes. TI est apparu que la capacité de rétention de la géosphère est un bon critère pour la précision du code. On signale les domaines d'application du code correspondant à une précision inférieure du code.

Pour les cas incluant une diffusion matricielle 1D dans des milieux homogènes et hétérogènes, des comparaisons croisées avec d'autres codes sont menées. Pour une diffusion matricielle 2D, il n'y a par contre pas de code disponible. C'est pourquoi les vérifications pour ce type de blocs matriciels reposent sur des analyses menées pour des blocs 1D ainsi que des estimations qualitatives et des tests de consistance interne. En complément, le cas permanent du transport de radionucléides est validé de façon quantitative.

PICNIC a été validé autant qu'il est possible de le faire à ce jour et peut en conséquence être utilisé avec confiance pour la modélisation du transport dans la géosphère dans le cadre d'analyses de sûreté et pour la modélisation d'expériences de transport de radioéléments. Il est montré que PICNIC peut prendre facilement en compte une information d'hétérogénéité structurelle géologique à petite échelle (par exemple au niveau des failles cataclastiques). On a ainsi pu montrer que la prise en compte de diffusion matricielle 2D dans les zones altérées accroît de façon significative les capacités de rétention de la géosphère; ce résultat générique est bien sûr à moduler en fonction des propriétés du milieu poreux ainsi que du radionucléide concerné. Il peut être profitable de considérer la diffusion dans un bloc matriciel hétérogène incluant une zone de diffusion supplémentaire.