Molecular modeling of hydrogen gas adsorption in hydrated clay environments in the context of geological disposal of radioactive waste

Modélisation moléculaire de l'adsorption de l'hydrogène gazeux dans les environnements argileux hydratés dans le contexte de stockage géologique des déchets radioactifs

• Auteur / Autrice : Pinar Citli
• Direction : Andrey Kalinichev
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique, Chimie Théorique
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : Matière, molécules, matériaux et géosciences
• Jury : Président / Présidente : Abdesselam Abdelouas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrey Kalinichev, Pascaline Pre, Ozgur Yazaydin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ali Zaoui, Virginie Marry

Mots clés

Mots clés libres

Simulations moléculaires

Adsorption

Argiles

Montmorillonite

Hydrogène

Molecular simulations

Adsorption

Clays

Montmorillonite

Hydrogen

Résumé

Les formations riches en argile sont considérées comme des roches hôtes optimales pour les installations de stockage géologique en profondeur des déchets radioactifs de haute activité. Des gaz, notamment le H2, peuvent se former au cours du stockage à long terme par des mécanismes tels que la corrosion anoxique et la radiolyse de l'eau, pouvant potentiellement entraîner une accumulation de pression de gaz et des fractures dans la roche hôte environnante. Une compréhension à l'échelle moléculaire du comportement du H2 dans l'argile est essentielle pour un stockage géologique sûr et efficace, ainsi que pour le développement de stratégies efficaces. Dans cette thèse, la montmorillonite, largement présente dans les compositions de roches hôtes et utilisée comme barrière technique, est choisie comme modèle d'argile. Des simulations atomistiques de l'adsorption de H2 dans les intercalaires des montmorillonites hydratées de Na, Ca et Cs sont réalisées à 25, 50 et 90°C, jusqu'à 120 bar, en utilisant des méthodes de Monte Carlo et hybrides. À cette fin, l'impact de plusieurs autres facteurs, y compris la présence d'eau et la taille des pores, est étudié, dans le but d'améliorer la compréhension fondamentale des processus physiques et chimiques régissant les interactions entre H2, les solutions aqueuses et l'argile. De plus, l'adsorption d'hydrogène dans des conditions extrêmes est explorée pour déterminer le point de saturation dans les argiles.

Clay-rich formations are considered as optimal host rock for deep geological repository facilities for high-level radioactive waste. Gas, particularly H2, may form during long-term storage through mechanisms such as anoxic corrosion and water radiolysis, potentially leading to gas pressure buildup and fractures in the surrounding host rock. Molecular-scale understanding of H2 behavior in clay is essential for safe geological disposaland storage, and for the developing effective strategies. In this thesis, montmorillonite, which is widely found in host rock compositions and used as an engineered barrier, is chosen as the clay model. Atomistic simulations of H2 adsorption within the interlayers of hydrated Na-, Ca-, and Cs-montmorillonites are conducted at 25, 50, and 90◦C, up to 120 bar using Monte Carlo and hybrid methods. To this end, the impact of several other factors factors, including the presence of water and pore size are investigated, aiming to improve the fundamental understanding of the physical and chemical processes governing interactions among H2, aqueous solutions, and clay. Furthermore, hydrogen adsorption under extreme conditions is explored to determine the point of saturation in clays.