Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Développement de matériaux réactifs à partir de déchets nucléaires et industrielles dans des liants bas carbone

Laboratoire principal - Référent principal MAST - CPDM  -  BOURCHY Agathe

Directeur du laboratoire principal ROUSSEL Nicolas  -

Spécialité de la thèse Physico-chemistry of materials

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu ROUSSEL Nicolas  -  Université Gustave Eiffel  -  MAST - CPDM

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

L'industrie nucléaire génère des déchets nécessitant un management sur le long terme. Selon leur classification - fonction de leur degré et durée de radioactivité, les déchets nucléaires sont différemment traités et stockés : les déchets de moyenne et haute activité à vie longue sont la plupart du temps immobilisés dans des matrices verrières tandis que les déchets de faible et moyenne activité à vie courte ou longue sont immobilisés dans des matrices cimentaires ou bitumineuses (Abdel Rahman, Rakhimov et al. 2015, Andra 2023). L’une des meilleures façons d’améliorer la stabilisation de contaminants et radionucléides présents dans les déchets est de les faire directement réagir avec les composants du ciment afin de les incorporer dans les phases minérales – rédox, sorption et/ou réactions chimiques (Zatloukalová, Zatloukal et al. 2021, Bourchy, Saslow et al. 2022, Mukiza, Phung et al. 2023). Cependant, un certain nombre de ces déchets contiennent plusieurs espèces pouvant être en compétition durant ces réactions, présentes en large excès par rapport à la cible (e.g. sodium Na+, sulfate SO42- et ammonium NH4+) et pouvant impacter négativement les réactions d’hydratation du ciment (retard d’hydratation ou différence d’hydrates produits) ou induire des pathologies au cours du temps (dégagement gazeux, Réaction Sulfatique Interne – RSI) (Collepardi 2003). Ces espèces peuvent cependant être exploitées pour générer des phrases minérales bénéfiques à l’intégrité de ces matrices cimentaires de stockage au long terme.

L’objectif de cette étude est de comprendre les interactions entre les déchets et la matrice cimentaire par rapport à la composition (effet du sodium et sulfate), radioactivité et caractéristiques des déchets étant donné leur impact sur l’hydratation du ciment, la chaleur produite et la durabilité (Zhu, Zheng et al. 2022, Bourchy, Fujii Yamagata et al. 2023).
Après un inventaire des déchets nucléaires générés par tous les pays disposants de centrales nucléaires, une liste de la composition des déchets sera établie. Plusieurs formules non-radioactives (utilisation d’un simulant) adaptées de références cimentaires disponibles (tels que les géopolymères, les ciments alcali-activés ou ternaires) seront développées avec une possible variation de composition autour d’une valeur cible conduisant à l’hydratation, la prise et une minéralogie optimale. L’évolution de la minéralogie, l’activation, l’hydratation et les propriétés mécaniques seront suivies au cours du temps. A partir de ces propriétés, une sélection des meilleures formulations sera faite avant étude de leur durabilité par essais de lixiviation avec ajout de radionucléides simulés (EPA 2013). Un effort sera mis sur le suivi de l’évolution de phases minéralogiques bénéfiques ou délétères, et leur formation durant la prise et évolution dans le temps sous exposition environnementale.
En fonction des résultats, il est possible que le doctorant collabore avec des partenaires internationaux pour tester les formules en actif.

Mots-clefs: Ciment, formulation, incorporation minérale, durabilité, déchets nucléaires

Laboratoire principal - Référent principal	MAST - CPDM - BOURCHY Agathe
Directeur du laboratoire principal	ROUSSEL Nicolas -
Spécialité de la thèse	Physico-chemistry of materials
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	ROUSSEL Nicolas - Université Gustave Eiffel - MAST - CPDM
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé L'industrie nucléaire génère des déchets nécessitant un management sur le long terme. Selon leur classification - fonction de leur degré et durée de radioactivité, les déchets nucléaires sont différemment traités et stockés : les déchets de moyenne et haute activité à vie longue sont la plupart du temps immobilisés dans des matrices verrières tandis que les déchets de faible et moyenne activité à vie courte ou longue sont immobilisés dans des matrices cimentaires ou bitumineuses (Abdel Rahman, Rakhimov et al. 2015, Andra 2023). L’une des meilleures façons d’améliorer la stabilisation de contaminants et radionucléides présents dans les déchets est de les faire directement réagir avec les composants du ciment afin de les incorporer dans les phases minérales – rédox, sorption et/ou réactions chimiques (Zatloukalová, Zatloukal et al. 2021, Bourchy, Saslow et al. 2022, Mukiza, Phung et al. 2023). Cependant, un certain nombre de ces déchets contiennent plusieurs espèces pouvant être en compétition durant ces réactions, présentes en large excès par rapport à la cible (e.g. sodium Na+, sulfate SO42- et ammonium NH4+) et pouvant impacter négativement les réactions d’hydratation du ciment (retard d’hydratation ou différence d’hydrates produits) ou induire des pathologies au cours du temps (dégagement gazeux, Réaction Sulfatique Interne – RSI) (Collepardi 2003). Ces espèces peuvent cependant être exploitées pour générer des phrases minérales bénéfiques à l’intégrité de ces matrices cimentaires de stockage au long terme. L’objectif de cette étude est de comprendre les interactions entre les déchets et la matrice cimentaire par rapport à la composition (effet du sodium et sulfate), radioactivité et caractéristiques des déchets étant donné leur impact sur l’hydratation du ciment, la chaleur produite et la durabilité (Zhu, Zheng et al. 2022, Bourchy, Fujii Yamagata et al. 2023). Après un inventaire des déchets nucléaires générés par tous les pays disposants de centrales nucléaires, une liste de la composition des déchets sera établie. Plusieurs formules non-radioactives (utilisation d’un simulant) adaptées de références cimentaires disponibles (tels que les géopolymères, les ciments alcali-activés ou ternaires) seront développées avec une possible variation de composition autour d’une valeur cible conduisant à l’hydratation, la prise et une minéralogie optimale. L’évolution de la minéralogie, l’activation, l’hydratation et les propriétés mécaniques seront suivies au cours du temps. A partir de ces propriétés, une sélection des meilleures formulations sera faite avant étude de leur durabilité par essais de lixiviation avec ajout de radionucléides simulés (EPA 2013). Un effort sera mis sur le suivi de l’évolution de phases minéralogiques bénéfiques ou délétères, et leur formation durant la prise et évolution dans le temps sous exposition environnementale. En fonction des résultats, il est possible que le doctorant collabore avec des partenaires internationaux pour tester les formules en actif.
Mots-clefs:	Ciment, formulation, incorporation minérale, durabilité, déchets nucléaires

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