Thèse Simulation des Gels d'Altération des Verres Nucléaires à l'Échelle Mésoscopique à l'Aide d'Un Système Quaternaire H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : CEA/STMF - Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides Direction de la thèse : Alain CARTALADE ORCID 0000000203405391 Début de la thèse : 2026-11-02 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 Ce sujet s'inscrit dans le cadre des études réalisées sur le comportement à long terme des verres nucléaires immobilisant des déchets radioactifs et potentiellement destinés à être placés en stockage géologique. L'enjeu réside en la compréhension des mécanismes d'altération et de formation d'un gel (couche passivante pouvant ralentir la vitesse d'altération du verre) par l'eau et à la prédiction des cinétiques de relâchement des radionucléides sur le long terme. L'approche de simulation proposée vise à prédire à l'échelle mésoscopique le processus de maturation du gel formé lors de l'altération du verre par l'eau à l'aide d'un 'modèle à champs de phases' ternaire composé du silicium, du bore et de l'eau (lixiviant) auquel il conviendra d'ajouter l'alluminium. Le modèle mathématique quaternaire sous-jacent est composé d'un ensemble d'Equations aux Dérivées Partielles non-linéaires couplées. Elles sont basées sur les équations de Allen-Cahn et du transport. La résolution numérique des équations associées est réalisée par méthode de Boltzmann sur réseaux (Lattice Boltzmann Method - LBM) programmée en C++ dans le code de calcul massivementparallèle LBM_saclay qui s'exécute sur plusieurs architectures HPC, aussi bien muti-CPUs que multi-GPUs. Le sujet proposé nécessite de bonnes bases en mathématiques appliquées et en programmation afin de développer les algorithmes nécessaires à la bonne résolution du nouveau système d'équations fortement couplées. Ce sujet s'inscrit dans le cadre des études réalisées sur le comportement à long terme des verres nucléaires immobilisant des déchets radioactifs et potentiellement destinés à être placés en stockage géologique. L'enjeu réside en la compréhension des mécanismes d'altération par l'eau et à la prédiction des cinétiques de relâchement des radionucléides sur le long terme en environnement de stockage. L'un des modèles actuellement développé est basé sur une approche chimie-transport [1] qui permet de rendre compte de la phénoménologie de l'altération du verre (inter-diffusion, hydrolyse, formation d'un gel, précipitation) et de déterminer les vitesses d'altération en considérant une description simplifiée du transport réactif des espèces en solution au sein du gel d'altération. La simulation atomistique (dynamique moléculaire, Monte-Carlo), complémentaire à cette approche permet d'affiner la description des mécanismes et valider des hypothèses de ce modèle [2]. L'approche de simulation proposée dans cette thèse considère une échelle intermédiaire, l'échelle mésoscopique, qui permet de rendre compte des processus de transport réactif et de maturation au sein du gel. Celui- ci, caractérisé par une couche passivante amorphe, nano-poreuse et hydratée, peut ralentir de plusieurs ordres de grandeur la vitesse d'altération du verre [3]. Il est donc essentiel de considérer son évolution physico-chimique sur le long terme. Ce travail de thèse vise à simuler et prédire le processus de maturation du gel formé lors de l'altération du verre par l'eau. Le cas de la cinétique de dissolution/précipitation des espèces en phase aqueuse et de la maturation du gel nano-poreux sera en particulier considéré. Pour cela, nous avons développé un «modèle à champ de phase » [4] qui prend en compte la migration des éléments dans la zone altérée dans laquelle se développe une porosité. Ce modèle mathématique est composé d'un ensemble d'Equations aux Dérivées Partielles (EDPs) non-linéaires et couplées. Elles sont basées sur les équations de Allen-Cahn et du transport (altération et réactivité à l'interface). La résolution numérique des équations associées est réalisée par méthode de Boltzmann sur réseaux (Lattice Boltzmann Method - LBM) [5] programmée en C++ dans le code de calcul massivement parallèle LBM_saclay [6]. Cet outil s'exécute sur plusieurs architectures HPC, aussi bien muti-CPUs que multi-GPUs (i.e. cartes graphiques). Le système ternaire dont nous disposons est composé du silicium, du bore et de l'eau (lixiviant) et les coefficients de diffusion associés à ces composants sont considérés constants. Or, l'aluminium présent dans la composition du verre affecte fortement les propriétés du gel composé essentiellement de silicium et l'évolution de la porosité, ce qui impacte la mobilité du bore. L'objectif de la thèse est donc d'ajouter l'aluminium à notre système en considérant l'impact local de sa présence sur les propriétés du silicium au sein du système et de développer les algorithmes nécessaires à la bonne résolution du nouveau système fortement couplé. Des validations expérimentales seront envisagées en collaboration avec le Laboratoire LEMC du CEA Marcoule. La première année de thèse sera consacrée, d'une part, à l'appropriation du sujet par une phase
bibliographique sur la « théorie des modèles à champ de phase » [7] et de la modélisation des
problèmes de suivi d'interface et, d'autre part, à l'appropriation de l'outil de simulation, notamment
par la validation expérimentale du système ternaire (Si/B/H2O) existant via une étude de sensibilité
aux paramètres du modèle.

La seconde année sera consacrée à la mise en oeuvre numérique de l'ajout de l'Aluminium dans le
système du modèle disponible dans LBM_saclay et au développement des algorithmes nécessaires.
Des tests sur des solutions analytiques de référence permettront de vérifier les développements
informatiques et donneront des indications sur l'influence de certains paramètres du modèle (e.g. la
mobilité). Ensuite, des comparaisons qualitatives entre les simulations et des observations sur des gels
formés par altération de verres borosilicatés (microscopie électronique à transmission par exemple ou
Tof-SIMS de concentration des éléments dans le gel) indiqueront des ordres de grandeur des
paramètres qui contrôlent les temps caractéristiques d'altération. L'objectif sera de reproduire
l'impact de l'aluminium sur le comportement à l'altération des verres : ralentissement de l'hydrolyse
du silicium par des effets de voisinage et ralentissement de la maturation du gel.

La dernière année de thèse sera consacrée aux simulations prédictives et aux itérations avec les
expériences. Des liens pourront être établis entre les simulations mésoscopiques et les paramètres des
modèles macroscopiques (e.g. diffusion apparente) par simple « moyenne volumique » des simulations
mésoscopiques. La dernière année sera aussi consacrée à la valorisation des résultats : écriture d'un
article dans un journal à comité de lecture, participation à une conférence internationale, rédaction
du mémoire de thèse et soutenance.