Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Développement de matrices d'immobilisation bas carbone à partir de déchets industriels ou nucléaires simulés

Laboratoire principal - Référent principal MAST - CPDM  -  BOURCHY Agathe

Directeur du laboratoire principal ROUSSEL Nicolas  -

Spécialité de la thèse Science des matériaux

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

La production de déchets -nucléaires ou industriels- nécessite leurs immobilisation sur le long terme. Selon leurs composition, niveau et durée de radioactivité, les déchets doivent être traités et stockés différemment : les déchets de moyenne et haute activité à longue durée de vie sont la plupart du temps immobilisés dans des matrices de verre, tandis que les déchets de faible et moyenne activité à courte ou longue durée de vie sont immobilisés dans des matrices de ciment ou de bitume (Abdel Rahman, Rakhimov et al. 2015, Andra 2023). L'un des meilleurs moyens d'améliorer la stabilisation des contaminants et des radionucléides contenus dans les déchets est de les faire réagir directement avec les composants du ciment pour les incorporer dans les phases minérales par des processus d'oxydoréduction, de sorption et/ou de réaction chimique (Zatloukalová, Zatloukal et al. 2021, Bourchy, Saslow et al. 2022, Mukiza, Phung et al. 2023). Beaucoup de déchets ont plusieurs espèces concurrentes qui existent en grand excès par rapport à la cible (par exemple le sodium Na+, le sulfate SO42- et l'ammonium NH4+) et celles-ci peuvent être préjudiciables à l'hydratation du ciment (retard d'hydratation, différence d'hydrates produits) ou induire des pathologies à différents âges (libération de gaz, formation retardée d'ettringite - DEF) (Collepardi 2003). Cependant, ces espèces peuvent être exploitées pour générer des phases bénéfiques afin d'assurer l'intégrité à long terme des déchets de ciment qui en résultent.

L'objectif de cette recherche est donc de comprendre les interactions entre les déchets et la matrice cimentaire en ce qui concerne la composition (impact du sodium et du sulfate), la radioactivité simulée et les caractéristiques, car elles peuvent avoir un impact sur l'hydratation du ciment, la chaleur produite et la durabilité (Zhu, Zheng et al. 2022, Bourchy, Fujii Yamagata et al. 2023).
La méthodologie utilisée commencera par une revue de la littérature sur l'inventaire des déchets des pays à énergie nucléaire, une courte liste de compositions de déchets sera établie. Plusieurs formulations non radiologiques (utilisant un substitut) adaptées aux déchets nucléaires de référence (tels que le géopolymère, le ciment alcalin activé ou le ciment ternaire) seront développées en tenant compte d'une gamme possible de variations autour des valeurs d'oxyde ciblées conduisant à l'hydratation, à la prise et à la minéralogie ciblée. L'évolution de la minéralogie, de l'activation, de l'hydratation et des propriétés mécaniques sera suivie dans le temps. Sur la base de ces propriétés, une sélection des meilleures formulations candidates sera effectuée avant de tester leur durabilité par l'intermédiaire d'un test de lixiviation lorsqu'elles sont chargées avec des substituts de radionucléides (EPA 2013). Un effort sera porté sur le suivi de l'évolution de ces phases bénéfiques ou délétères dans la façon dont elles se forment pendant la mise en place et comment elles évoluent avec les expositions environnementales.
En fonction des résultats, il est possible que le doctorant collabore avec des partenaires internationaux pour tester les meilleures formulations avec des matériaux radioactifs.

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

Laboratoire principal - Référent principal	MAST - CPDM - BOURCHY Agathe
Directeur du laboratoire principal	ROUSSEL Nicolas -
Spécialité de la thèse	Science des matériaux
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 La production de déchets -nucléaires ou industriels- nécessite leurs immobilisation sur le long terme. Selon leurs composition, niveau et durée de radioactivité, les déchets doivent être traités et stockés différemment : les déchets de moyenne et haute activité à longue durée de vie sont la plupart du temps immobilisés dans des matrices de verre, tandis que les déchets de faible et moyenne activité à courte ou longue durée de vie sont immobilisés dans des matrices de ciment ou de bitume (Abdel Rahman, Rakhimov et al. 2015, Andra 2023). L'un des meilleurs moyens d'améliorer la stabilisation des contaminants et des radionucléides contenus dans les déchets est de les faire réagir directement avec les composants du ciment pour les incorporer dans les phases minérales par des processus d'oxydoréduction, de sorption et/ou de réaction chimique (Zatloukalová, Zatloukal et al. 2021, Bourchy, Saslow et al. 2022, Mukiza, Phung et al. 2023). Beaucoup de déchets ont plusieurs espèces concurrentes qui existent en grand excès par rapport à la cible (par exemple le sodium Na+, le sulfate SO42- et l'ammonium NH4+) et celles-ci peuvent être préjudiciables à l'hydratation du ciment (retard d'hydratation, différence d'hydrates produits) ou induire des pathologies à différents âges (libération de gaz, formation retardée d'ettringite - DEF) (Collepardi 2003). Cependant, ces espèces peuvent être exploitées pour générer des phases bénéfiques afin d'assurer l'intégrité à long terme des déchets de ciment qui en résultent. L'objectif de cette recherche est donc de comprendre les interactions entre les déchets et la matrice cimentaire en ce qui concerne la composition (impact du sodium et du sulfate), la radioactivité simulée et les caractéristiques, car elles peuvent avoir un impact sur l'hydratation du ciment, la chaleur produite et la durabilité (Zhu, Zheng et al. 2022, Bourchy, Fujii Yamagata et al. 2023). La méthodologie utilisée commencera par une revue de la littérature sur l'inventaire des déchets des pays à énergie nucléaire, une courte liste de compositions de déchets sera établie. Plusieurs formulations non radiologiques (utilisant un substitut) adaptées aux déchets nucléaires de référence (tels que le géopolymère, le ciment alcalin activé ou le ciment ternaire) seront développées en tenant compte d'une gamme possible de variations autour des valeurs d'oxyde ciblées conduisant à l'hydratation, à la prise et à la minéralogie ciblée. L'évolution de la minéralogie, de l'activation, de l'hydratation et des propriétés mécaniques sera suivie dans le temps. Sur la base de ces propriétés, une sélection des meilleures formulations candidates sera effectuée avant de tester leur durabilité par l'intermédiaire d'un test de lixiviation lorsqu'elles sont chargées avec des substituts de radionucléides (EPA 2013). Un effort sera porté sur le suivi de l'évolution de ces phases bénéfiques ou délétères dans la façon dont elles se forment pendant la mise en place et comment elles évoluent avec les expositions environnementales. En fonction des résultats, il est possible que le doctorant collabore avec des partenaires internationaux pour tester les meilleures formulations avec des matériaux radioactifs.
Mots-clefs:	Ciment, formulation, incorporation minérale, durabilité, déchets industriels, déchets nucléaires simulés

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