Vers une compréhension du comportement expansif de certains enrobés cimentaires de concentrats d’évaporation : approche expérimentale et modélisation couplée chimie-transport-mécanique simplifiée

Dans l’industrie nucléaire, l’évaporation est un procédé communément utilisé pour réduire le volume des effluents radioactifs de faible ou moyenne activité avant leur conditionnement. Il en résulte des concentrats d’évaporation, solutions de forte salinité pouvant contenir un large éventail d’espèces ioniques. Ces concentrats sont ensuite conditionnés en matrice cimentaire, matériau présentant de nombreuses qualités intrinsèques (faible coût, disponibilité, simplicité de mise en œuvre, bonne résistance mécanique, stabilité sous irradiation…). L’acceptation en stockage des colis de déchets cimentés passe néanmoins par le respect d’un certain nombre de spécifications. Il est ainsi nécessaire de vérifier l’absence d’expansion conduisant à une dégradation de la matrice lors d’une conservation en environnement humide.
La thèse visera à comprendre les mécanismes qui régissent les variations volumiques d’enrobés de concentrats d’évaporation lorsqu’ils sont conservés sous eau. L’étude sera menée sur déchets simulés, reconstitués par dissolution dans l’eau de sels aux concentrations désirées. Elle débutera par une phase expérimentale qui fournira les données d’entrée pour une modélisation physico-chimique simplifiée des enrobés afin d’en estimer le comportement mécanique macroscopique, ainsi que les principaux flux lixiviés.
Ce projet de recherche s'adresse à un doctorant désireux de renforcer ses compétences en science des matériaux tout en contribuant à des solutions innovantes pour le conditionnement des déchets radioactifs. Il sera mené en partenariat avec l’ONDRAF, l’Organisme National belge pour la gestion des Déchets Radioactifs, et s’appuiera sur les compétences de deux laboratoires du CEA, le Laboratoire de Formulation et de Caractérisation des Matériaux Minéraux (CEA Marcoule) ainsi que le Laboratoire d’Etude du Comportement des Bétons et Argiles (CEA Saclay).

Modélisation multiphysique d'un réacteur de métallothermie chauffé par induction bifréquence

Le recyclage de l’uranium extrait du combustible usé (uranium de retraitement ou URT), présente un fort intérêt stratégique tant sur le plan de la fermeture et de l’économie du cycle que sur celui de la souveraineté nationale. La France s’est engagée dans le développement d’une filière de retraitement/valorisation de cet URT impliquant toute une chaine de production s’articulant autour de la technologie de l’enrichissement laser SILVA.
Dans ce contexte, le CEA est en charge de la mise au point de l’ensemble des procédés de cette chaine, notamment des étapes de conversion de l’oxyde d’uranium en uranium métal requis pour l’enrichissement laser. Pour ce besoin, le Laboratoire d'étude des technologies Numériques et des Procédés Avancés (LNPA) étudie la transposition du procédé historique de métallothermie vers un réacteur de type creuset froid. Ce four inductif bifréquence doit notamment assurer la fusion d’une charge biphasique constituée d’un laitier fluorure et d’un métal produit in-situ par la réaction métallothermique.
Adossées à un programme pluriannuel de développement technologique sur des installations pilotes inactives échelle réduite, des études de modélisation numérique du réacteur sont entreprises afin de consolider le changement d’échelle de travail et de permettre l’optimisation des paramètres du système avant déploiement de la technologie en actif sur de l’uranium appauvri pour des essais de validation. L’objectif du travail de thèse proposé est d’assurer le développement du modèle multiphysique magnéto-thermo-hydraulique (MTH) du four de métallothermie en creuset froid.