Hydrodynamics & reactions

    Domaines de recherche

    la géochimie :la spéciation chimique à l’équilibre ou sous contrôle cinétique

    les réactions (micro)biologiques : la corrosion, la dégradation

    la dynamique des fluides :

    • les transferts de masse et de chaleur en milieu poreux
    • l’hydrogéologie (aquifères, sols), en milieu saturé, non-saturé ou biphasique

    les couplages :

    • le couplage entre hydrodynamique et chimie
    • la simulation de rétroactions complexes

    Fondamentalement pluridisciplinaire, l’équipe est composée de chimistes, d’hydrodynamiciens ainsi que de spécialistes en mathématique et/ou en modélisation. Son expertise est reconnue dans des domaines de recherche variés, problématiques environnementales (sites et sols pollués, contamination des eaux de surface, déchets industriels, résidus miniers, stockage géologique du CO2, exploitation des mines par lixiviation in situ…) et industrielles (durabilité des matériaux cimentaires, aciers, polymères, optimisation des procédés…).
    Outre sa vocation de recherche, l’équipe, comme toutes celles du Centre de Géosciences,  participe à l’enseignement via des modules spécialisés, aux cycles de la formation continue et à l’encadrement d’étudiants (MR2, thèses).

    Responsable : Vincent LAGNEAU

    Assistante : Véronique LACHASSE

    Enseignants-chercheurs : Jérôme CORVISIER – Laurent DE WINDT – Caroline de DIEULEVEULT – Louis RAIMBAULT – Nicolas SEIGNEUR – Irina SIN

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    PHD Positions

    Présentation de l'équipe

    L’équipe Hydrodynamique et Réactions s’intéresse à la compréhension et la quantification des interactions
    eau, gaz et roche dans les milieux poreux. Elle développe pour cela une approche équilibrée entre développement
    d’outils informatiques (code CHESS de spéciation chimique, code HYTEC couplant hydrogéologie et géochimie)
    et modélisation de cas appliqués. Les applications principales des dernières années ont porté sur la simulation
    du stockage de déchets radioactifs, le stockage de CO2 et l’exploitation minière.

    L’équipe est très attachée à l’équilibre entre le développement des outils CHESS et HYTEC et leur
    utilisation sur des cas d’application souvent en relation avec des partenaires industriels ou parapublics. Cette
    double compétence offre des avantages stratégiques pour l’équipe. La compétence développement donne l’assurance
    d’avoir en permanence des outils adaptés aux problématiques simulées ; inversement, les applications
    permettent d’identifier les besoins en intégration de nouveaux processus ou couplages dans les codes. Par ailleurs,
    les communications autour des applications constituent le principal vecteur de rayonnement pour les possibilités
    des outils de l’équipe.

    Activités majeures de recherche

    Consortium Pôle Géochimie Transport

    Développements de code : vers un nouveau schéma de résolution des équations de l’hydrodynamique

    Modélisation sur le stockage géologique

    Chaire industrielle ANR Exploitation de l’uranium par récupération in situ

    Le Pôle Géochimie Transport

    L’activité de développement de l’équipe est structurée depuis le début des années 2000 autour du Pôle Géochimie Transport (PGT), consortium de développement de l’outil HYTEC,  qui regroupe AREVA, Bel V, deux directions du CEA, EDF, l’IRSN, Lafarge, autour d’Armines et de MINES ParisTech. Le PGT est actuellement dans sa phase 4.

    Le Pôle Géochimie Transport (PGT), structure fortement l’activité de l’équipe avec pour avantage immédiat le financement pérenne de l’activité de développement des outils CHESS et HYTEC (depuis 2001 et la phase 1 du PGT). Cependant, ses ambitions vont au-delà du simple financement :
    — véritable plateforme d’échange autour de ces outils, le consortium permet à ses membres de se retrouver pour échanger sur les calculs, les problèmes rencontrés et les manières de les résoudre ; ces discussions permettent également d’identifier les pistes de développement utiles à la communauté, y compris pour des problématiques  industrielles ;
    — l’équipe a un rôle central dans l’identification de développements et des méthodes à déployer pour les réaliser ; elle présente devant le comité scientifique du PGT (un représentant par institution) qui oriente, discute et valide les propositions de développement d’HYTEC et les méthodes numériques associées.
    Via le PGT, l’équipe a pu intégrer une structuration internationale des équipes académiques de transport réactif : l’initiative Subsurface Environmental Simulation benchmarking workshops. Cette initiative a pour but de permettre aux équipes développant des codes de transport réactif de comparer leurs approches et résultats sur un ensemble de cas d’applications (plus ou moins simplifiés).

    Démonstration de l’application à grande échelle d’HYTEC, impact environnemental d’une exploitation par ISR à l’échelle du gisement (20 km) : ici impact sur les conditions d’oxydo-réduction à l’échelle du champ, puis zoom sur une portion de la zone exploitée

    Développements de code : vers un nouveau schéma de résolution des équations de l’hydrodynamique

    L’équipe a proposé voici quelques années une application biphasique rudimentaire qui se basait sur plusieurs fonctionnalités : la résolution des écoulements non-saturés (équation de Richards, dans laquelle la pression de gaz est supposée uniforme et constante), un module spécifique de transport diffusif dans la phase gaz et enfin la description du comportement thermodynamique de l’interface eau-gaz par une relation linéaire (gaz parfait ou linéarisation du comportement d’un gaz réel). Cette approche avait permis de tester des hypothèses sur la mise en place d’hétérogénéités compositionnelles dans un réservoir de gaz en présence d’un aquifère actif sous-jacent et en raison de la solubilité différentielle des gaz, un réservoir initial chargé en CH4, CO2 et H2S pouvait s’appauvrir en H2S (et dans une moindre mesure CO2) dans les zones proches du contact avec l’aquifère.
    Fort de ce premier succès, l’équipe a décidé d’approfondir l’approche afin de pouvoir aborder des domaines aux dynamiques plus fortes, notamment pour des applications au stockage de CO2. Une nouvelle approche a ainsi été développée pour coupler écoulement multicomposant multiphasique compressible, description de propriétés thermodynamiques des fluides, avec des codes de transport réactif.
    — Un module de résolution des équations biphasiques a été développé : il repose sur une approche implicite pure en pression d’eau et saturation de gaz.
    — Un module thermodynamique pour les gaz réels a été développé dans CHESS : basé sur des équations d’état cubiques, il permet de déterminer les propriétés PVT de tout mélange de gaz non-idéal jusqu’à des pressions et températures élevées. Le calcul précis de la fugacité des gaz permet de déterminer correctement la solubilité, y compris dans des solutions complexes.
    — Une méthode originale de couplage a été développée, reposant sur la méthode de séparation des opérateurs pour l’écoulement biphasique multicomposant compressible d’une part, et pour le couplage du transport dans chaque phase, de la chimie et des équilibres eau-gaz d’autre part (Fig. 4.3).
    Ces nouvelles fonctionnalités ont été testées sur des cas de vérification et de validation. Des applications sont en cours sur le stockage de CO2, d’O2 ou d’H2 et la carbonatation atmosphérique des bétons.
    Ce module place HYTEC dans une position unique car seul un très petit nombre de codes disposent de cette fonctionnalité biphasique complète. La possibilité de pouvoir simuler tout gaz complexe réel par une approche thermodynamique est par ailleurs unique.
    Ce développement s’est principalement articulé autour de la thématique du stockage de CO2, mais permet aujourd’hui de se lancer dans d’autres applications (autres stockages O2, H2, monitoring des gaz dans les sols...).

    Schéma séquentiel de couplage utilisé dans HYTEC pour les écoulements bi-phasiques

    Modélisation sur le stockage géologique

    La filière aval du cycle du nucléaire reste une part importante de l’activité de modélisation de l'équipe : couplages de l’échelle du colis (ou combustible usé) jusqu’au champ lointain.

    L’activité concernant le stockage de CO2 s’articule autour de la coordination d’un projet ANR sur le comportement des impuretés.

    Les recherches sur les solutions de stockage géologique de déchets radioactifs ont suscité de fortes attentes en terme de prédiction d’évolution sur de très grandes échelles d’espace et surtout de temps. Les approches expérimentales et analogiques ont dû être complétées par la mise au point de codes de transport réactif. Les applications sur interfaces entre colis, champ proche et champ lointain sont ainsi la justification historique du développement de codes de transport réactif dans l’équipe, de même que pour beaucoup d’autres équipes dans le monde. Ceci se reflète encore dans la constitution du consortium PGT, dont 5 financeurs sur 8 sont directement concernés par cette thématique.

    Toutefois le contexte du stockage du CO2 a évolué principalement pour des raisons économiques et la priorité est allée vers des projets de valorisation du CO2 plus que vers le stockage géologique définitif. Suivant ce mouvement et capitalisant sur son expérience, d’autres projets sur le stockage de gaz en cavité saline dans le contexte des énergies renouvelables ont vu le jour.
    — projet ANR (FluidStory) porté par le BRGM, qui traite du stockage de CO2 et d’O2,
    — projet Géodénergies (Rostock’H) porté conjointement par l’Université de Lorraine et Air Liquide, qui s’intéresse au stockage d’H2.

    Indépendamment des gaz, le stockage de déchets radioactifs reste une thématique forte de l’équipe. Les apports de l’équipe dans ce domaine sont reconnus internationalement, comme le montre par exemple la participation au projet européen DISCO (2017-2021) qui porte sur le stockage direct des combustibles nucléaires de nouvelle génération.

    Simulation d’une injection de CO2 avec des impuretés (O2, N2) dans un réservoir radial (densité du gaz, du liquide à 10 ans) et mise en évidence d’un effet chromatographique lié à la solubilité plus importante du CO2.

     

    Chaire industrielle ANR ISR-U

    Le Centre s’intéresse depuis une dizaine d’années aux gisements d’uranium de faible teneur de type roll-front. Le Centre a ainsi été associé dès 2002 à des études d’impact environnemental pour le projet de développement minier de KATCO au Kazakhstan. Les compétences en hydrogéologie et impacts environnementaux associées aux moyens de simulation du transport réactif (code HYTEC) étaient
    alors clé pour une étude d’impact à une centaine d’années. Puis l’intérêt s’est porté sur la genèse du gisement et à la simulation géostatistique de la réserve. Des essais de compréhension et quantification des mécanismes d’extraction de l’uranium par récupération in situ ont alors été lancés en collaboration avec Orano (ex AREVA).
    Des travaux importants ont porté sur la compréhension et la quantification des mécanismes en œuvre dans le gisement : dissolution oxydative de l’uranium, consommation d’acide par la gangue, bilan du Fe(III) (injection soutenue sur le long terme par la dissolution de beidellite riches en Fe(III)). En se
    basant sur l’analyse géochimique du système, les données d’exploitation et les données géologiques, un modèle géochimique convaincant et parcimonieux a pu être développé.
    En parallèle, les capacités de calcul du code HYTEC ont été développées pour se conformer aux besoins liées à la simulation d’un bloc de production. Cette démonstration s'est montrée convaincante de l’efficacité des outils pour les problèmes industriels, d’identifier des verrous et d’imaginer des méthodes pour les lever.

    Simulation en 3D du fonctionnement d’un bloc d’exploitation par ISR. Les ajustements sur le modèle géochimique permettent de proposer un modèle prédictif (sans ajustement) sur un second bloc proche. Les différences de fonctionnement sont induites par la géométrie du dépôt et de répartition des teneurs, contraintes dans le modèle par les données.

    HAL Publications