Modélisation et simulation du transport d'hydrogène et de l'endommagement des roches argileuses // Modeling and Simulation of Hydrogen Transport and Damage Processes in Clay Rocks

Contexte

Dans le contexte du stockage des déchets radioactifs, l'excavation des galeries entraîne une redistribution des contraintes et de la pression interstitielle, susceptible de provoquer la formation de fissures et de fractures à proximité immédiate des cavités, en particulier dans les roches argileuses. Ce phénomène conduit à la formation d'une zone endommagée par l'excavation (EDZ), caractérisée par des modifications significatives des propriétés hydromécaniques de la roche. Par ailleurs, la formation argileuse profonde présente également un comportement différé, contrôlé essentiellement par le fluage.

En plus de la présence d'eau souterraine, après la fermeture du stockage de l'enceinte, une augmentation de la pression de gaz, majoritairement de l'hydrogène produit par la corrosion anoxique des métaux (déchets, matériaux de confinement, armatures métalliques), pouvant atteindre plusieurs MPa, est observée. La formation de la zone endommagée autour des ouvrages et son évolution dans le temps, notamment lors de la montée en pression du gaz, sont des processus qu'il est important de bien modéliser pour démontrer l'intégrité du stockage sur des durées de plusieurs milliers d'années.

Objectifs
L'objectif de cette thèse est de modéliser la formation et l'évolution des fissures autour des galeries de stockage des déchets radioactifs, depuis la phase d'excavation jusqu'à la phase post-fermeture.

Une approche de modélisation et de simulation numérique, fondée sur le comportement poromécanique (hydromécanique) non linéaire des milieux fracturés biphasiques, sera adoptée. Cette approche prendra en compte l'endommagement (via la méthode des champs de phase), la plasticité et l'évolution de la perméabilité en fonction de l'endommagement. L'évolution de l'état de déformation de la roche des galeries de stockage aux différentes phases — excavation, exploitation et après-fermeture — sera simulée. Juste après la fermeture du stockage, la ventilation sera arrêtée et la resaturation de l'EDZ aura lieu. La combinaison entre la resaturation et la consolidation mécanique de l'EDZ par le revêtement/soutènement entraîne le phénomène d'auto-colmatage des fractures. Ce phénomène sera considéré dans la simulation afin d'évaluer précisément le comportement de la zone fracturée face à la production d'hydrogène.

Travail attendu et résultats
Le laboratoire MSME https://msme.univ-gustave-eiffel.fr/ est reconnu depuis plusieurs années dans le domaine de la modélisation et de la simulation numérique du comportement des matériaux. Des outils et des codes de calcul avancés pour la simulation de la fissuration, basés sur la méthode des éléments finis (FEM) et la transformation de Fourier rapide (FFT), y ont été développés. Dans le cadre de cette thèse, les travaux suivants sont envisagés :

• Développement d'un modèle de fissuration couplant poroélasticité, plasticité, viscoplasticité et, possiblement, frottement en cisaillement. Mise en œuvre dans des codes de simulation numérique maison, benchmark et comparaison de différentes méthodes.
• Phase d'excavation et d'exploitation. Construction d'un modèle de la galerie et des roches et simulation du comportement élasto-viscoplastique endommageable (modèle de champs de phase) et du transport biphasique (eau et hydrogène). Étude quantitative de l'évolution des réseaux de fissures dans la roche et de la perméabilité.
• Phase après fermeture. Simulation du couplage hydromécanique-gaz, en particulier de l'effet du transport de l'hydrogène dans le milieu fissuré sur l'évolution de l'EDZ.
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Context

In the context of radioactive waste disposal, the excavation of galleries induces a redistribution of stresses and pore pressure, which may lead to the formation of cracks and fractures in the immediate vicinity of the cavities, particularly in clay rocks. This phenomenon results in the formation of an Excavation Damaged Zone (EDZ), characterized by significant changes in the hydromechanical properties of the rock. Moreover, deep clay formations also exhibit time-dependent behavior, mainly governed by creep.

In addition to the presence of groundwater, after repository closure, an increase in gas pressure—mainly hydrogen produced by the anoxic corrosion of metals (waste packages, containment materials, metallic reinforcements)—which may reach several MPa, is observed. The formation of the damaged zone around the underground structures and its evolution over time, particularly during gas pressurization, are processes that must be accurately modeled in order to demonstrate the integrity of the repository over several thousands of years.

Objectives

The objective of this PhD project is to model the formation and evolution of fractures around radioactive waste disposal galleries, from the excavation phase to the post-closure phase.

A numerical modeling and simulation approach based on the nonlinear poromechanical (hydromechanical) behavior of fractured two-phase media will be adopted. This approach will account for damage (using the phase-field method), plasticity, and the evolution of permeability as a function of damage. The evolution of the deformation state of the rock surrounding the storage galleries during the different phases—excavation, operation, and post-closure—will be simulated. Immediately after repository closure, ventilation will be stopped and resaturation of the EDZ will occur. The combination of resaturation and mechanical consolidation of the EDZ due to lining/support leads to a self-sealing phenomenon of fractures. This phenomenon will be incorporated into the simulations in order to accurately assess the behavior of the fractured zone under hydrogen production.

Expected Work and Outcomes

The MSME laboratory (https://msme.univ-gustave-eiffel.fr/
) has been recognized for several years in the field of material behavior modeling and numerical simulation. Advanced computational tools and codes for fracture simulation, based on the Finite Element Method (FEM) and the Fast Fourier Transform (FFT), have been developed there. Within the framework of this PhD project, the following tasks are planned:

Development of a fracture model coupling poroelasticity, plasticity, viscoplasticity, and possibly shear friction. Implementation in in-house numerical simulation codes, benchmarking, and comparison of different methods.

Excavation and operational phases: construction of a gallery and rock model and simulation of the damageable elastoviscoplastic behavior (phase-field model) and two-phase transport (water and hydrogen). Quantitative study of the evolution of fracture networks in the rock and of permeability.

Post-closure phase: simulation of hydromechanical–gas coupling, in particular the effect of hydrogen transport in the fractured medium on the evolution of the EDZ.
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Début de la thèse : 01/10/2026

En emploi à titre principal

Université Gustave Eiffel

531 SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement

Le (la) candidat(e) devra être titulaire d'un diplôme de master recherche ou équivalent en date de démarrage de la thèse. De solides connaissances en mécanique des solides sont demandées, ainsi qu'en simulation numérique avec expériences en programmation. Des connaissances en modélisation de l'endommagement et de la fissuration seront appréciées.
The candidate must hold a Research Master's degree or an equivalent qualification by the start date of the PhD. Strong knowledge of solid mechanics is required, as well as experience in numerical simulation and programming. Background in damage and fracture modeling will be considered an asset.