Modélisation multi-échelle des transferts en milieux fracturés : application au site de Äspö (Suède)

In the field of nuclear waste storage, the geological barrier is the last transfer zone for radio-elements. Since fractures are to be found in geological media, especially for granitic fractured media, special emphasis is put on improving modeling approaches to transfer processes in fractured media. It remains a challenging task due to the large contrasts in the properties of different units of the medium, the geometrical complexity of the system and strong level of uncertainties for flow and transport parameters. In addition, for post closure natural flow conditions, flow is slow and diffusion processes play a major role contributing to the retention of the plume. In this context, a Smeared Fractures approach was developed for a Mixed and Hybrid Finite Element scheme and implemented in our code, Cast3M. This approach allows for explicit representation of major fractures while adopting an homogenized representation of lower levels of fracturation. This Smeared Fracture approach doesn't require explicit meshing of the complex fracture network geometry. The fractured block is represented on regular mesh, the presence of the fracture being taken into account through an heterogeneous field of parameters. Considering conservation of flow and mass fluxes for each fracture, these parameters are derived. The performances of Smeared Fractures approach are comparable to discrete modeling for flow and presents in addition the advantage of taking full 3D matrix block geometry into account for transport. The size of the mesh as well as temporal discretization have to comply with criteria that were established. Nevertheless, within these boundaries coarser discretization is possible allowing for notable computing costs. The validation and qualification phase was conducted for 2D and 3D cases. These include results on synthetics and realistic systems, for different flow regimes and parameter values. The approach is finally applied on several cases from the Äspö site, Sweden.Dans le cadre de la problématique de l'enfouissement des déchets nucléaires, la barrière géologique constitue la dernière zone de transfert des radio-éléments. Cette barrière pouvant être fracturée des recherches sont menées pour faire progresser la modélisation des transferts en milieu fracturé. La complexité du milieu, les contrastes existant entre les différentes zones et les incertitudes liées aux propriétés physiques rendent cette tâche complexe. De plus, après fermeture du site, les écoulements lents dans le milieu favorisent des phénomènes diffusifs dans la roche qui contribuent à augmenter le temps de transit des radio-éléments. Dans ce contexte, une approche Smeared Fractures a été développée pour un schéma en Eléments Finis Mixtes Hybrides et implémentée dans le code Cast3M. Cette approche permet une représentation explicite des fractures principales alors que la fracturation de plus petite échelle est homogénéisée. L'utilisation d'un maillage régulier permet, en outre, d'éviter un maillage explicite coûteux. La présence des fractures est prise en compte par un champ hétérogène de propriétés. Ces propriétés sont affectées de manière à respecter les critères de conservation des flux (hydraulique et massique) à l'échelle de la fracture. Pour l'écoulement, l'approche Smeared Fractures présente des performances comparables à celles obtenues avec des approches discrètes tandis que le caractère 3D de la géométrie des blocs matriciels est respecté lors de la résolution du transport. Le choix des discrétisation spatiale et temporelle doit respecter des critères qui ont été établis. Néanmoins, à l'intérieur de ces limites, et suivant la précision désirée, l'approche permet de réduire les temps de calcul. Les résultats de validation et de qualification de l'approche appliquée à des géométries 2D et 3D, synthétiques et réalistes, sont présentés pour différents jeux de paramètres physiques. Des applications de l'approche au site d'Äspö (Suède) clôturent ce travail