Comportement d’un bloc de verre fracturé en atmosphère à haute humidité relative

Résumé

L’altération du verre au cours du temps est largement étudiée dans de multiples domaines d’application, dont un majeur : le stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde. En effet, ces déchets sont vitrifiés en vue d’un stockage à très long terme dans des galeries à 500 m de profondeur. En supplément de la roche hôte argileuse possédant des propriétés d’imperméabilité avantageuses quant à la limitation de la diffusion des espèces chimiques, plusieurs barrières constituées de différents matériaux seront présentes dans l’espace de stockage. Ainsi, il est prévu que l’eau liquide n’atteigne pas les colis de verre avant une centaine de milliers d’années. Néanmoins, durant cette période, une certaine humidité relative est attendue dans l’espace de stockage. Ainsi, l’impact de la vapeur d’eau sur le verre doit être pris en compte pour prédire le comportement du colis de verre sur toute la période de décroissance radioactive des radionucléides.

Le colis est intrinsèquement fracturé ; en cause : des gradients thermiques lors du refroidissement après coulée. Les fissures développées accroissent la surface réactive du matériau. Mais à quel point ? Quelle est la contribution des fissures dans l’altération globale du bloc en phase vapeur ? Est-ce que de l’eau condense au sein du réseau de fissures à haute humidité relative, induisant l’altération du matériau en milieu liquide ultra-confiné ? Si oui, dans quelles proportions ? De ces questions découlent d’autres problématiques à aborder telles que l’évolution de l’altération au cours du temps dans ce système potentiellement bi-phasique, ainsi que le comportement du bloc de verre lors de l’arrivée de l’eau liquide et l’altération consécutive à la fin du rôle protecteur des différentes barrières dans l’espace de stockage.

Cette thèse se propose donc de répondre à ces questions en menant des études sur des verres simulant non radioactifs. Des systèmes de fissures modèles ainsi que des blocs de verre fracturés seront utilisés. Au cours de ce travail, le doctorant sera donc amené à élaborer des verres au laboratoire et à réaliser des expériences en exposant des échantillons à la phase vapeur dans des chambres atmosphériques (température et humidité relative contrôlées). La thèse comportera trois parties constituées de 1) l’étude de la condensation au sein du réseau de fissures, 2) l’étude de l’altération et de son évolution au cours du temps et 3) le comportement de ces systèmes lors de la remise en eau liquide. Concernant le premier point, le doctorant cherchera à identifier si la condensation d’eau liquide survient dans les systèmes en fonction de la taille des fissures, de l’humidité relative et de la température. Une loi de condensation en fonction de ces paramètres pourra alors être proposée. Au cours de la seconde partie, le doctorant portera son attention sur l’altération et son évolution au cours du temps avec des analyses d’échantillons à différentes échéances de temps. Dans cette même partie, un accent sera mis sur des facteurs spécifiques de l’altération, tels que la composition de l’atmosphère. Lors de la troisième partie, le doctorant soumettra les échantillons de verre (préalablement altérés en phase vapeur) à de l’eau liquide. L’utilisation de marqueurs isotopiques permettra de tracer la diffusion de l’eau dans le réseau de fissures ainsi qu’au sein même des couches altérées.

Un large panel de techniques d’analyse sera déployé pour caractériser les échantillons solides et liquides. Au sein même du service, le doctorant pourra être formé à la manipulation du DVS (études de sorption de l’eau), du MEB-EDS, de la DRX, du spectromètre Raman (analyses du verre et des phases formées) ainsi qu’au spectromètre UV-Visible (analyse des liquides). Des collaborations sont envisagées afin de compléter le panel d’analyses, avec de l’ICP-AES et MS, du MET, de la tomographie, de l’AFM ou encore de la RMN.

Ces différentes expériences et les analyses menées permettront d’appréhender le comportement d’un bloc fracturé exposé à la vapeur d’eau et de définir la contribution des fissures à l’altération globale du verre en phase vapeur puis lors de la remise en eau.

Pour ce travail, le candidat devra présenter des compétences solides dans le domaine de la science des matériaux. Il devra être curieux, ouvert et dynamique car il sera amené à interagir avec de nombreuses personnes, voire potentiellement à collaborer avec des intervenants dans un cercle plus élargi que le domaine du verre (concernant les milieux fissurés d’autres matériaux). Cette thèse apportera au doctorant de larges compétences techniques au vue du nombre d’outils analytiques prévus. Par ailleurs, ce travail lui fournira une connaissance poussée du matériau qui pourra être valorisée dans de nombreux domaines d’activités.

Cette thèse, d’une durée de 36 mois, se déroulera au sein du Laboratoire d’étude des matériaux en environnement complexe du CEA Marcoule (Gard).

Offre de thèse d’une durée de 36 mois au Laboratoire d’Etude des Matériaux en environnement Complexe au CEA Marcoule

Formation demandée

Master ou ingénieur en sciences des matériaux

Expérience demandée