Étude expérimentale et par modélisation du transport d’un terme source multi-contaminant dans le continuum nappe/rivière
L’évaluation des risques de migration d’un marqueur radiotoxique ou chimique dans l’environnement, repose sur notre capacité à prédire le comportement de ces polluants dans des milieux complexes où les conditions physico-chimiques peuvent varier dans le temps et dans l’espace. La connaissance des réactions chimiques en solution et aux interfaces solides/solutions doit implicitement être reliée aux propriétés de transport du milieu. La compréhension fine du comportement des radioéléments dans les milieux naturels est alors un prérequis indispensable servant à la mise au point des codes de transport prédictif. Dans les cas réels de contaminations radiologiques et/ou chimiques de nappe phréatique jusqu’à la rivière, le terme source est en général complexe. Des interactions entre radioéléments (effet « cocktail ») peuvent altérer leurs propriétés de rétention sur les phases solides du milieu. De même, les conditions physico-chimiques du milieu vont déterminer la spéciation en solution des éléments et, agir a fortiori sur leurs propriétés de rétention sur les phases réactives.
Afin d’améliorer la connaissance du comportement des radioéléments dans les sols et les nappes, notamment sous forme de cocktail (e.g. U, I, Cs, Sr, Ru et Tc), la connaissance du comportement de chaque radioélément pris individuellement est primordiale. Notamment, le ruthénium (Ru) a été recensé dans la littérature comme très mobile ou faiblement mobile selon les contextes physico-chimiques. Son comportement dans l’environnement est encore mal connu. Dans ces contextes, Ru peut se trouver dans les états d'oxydation +2 à +4. En effet, l’état d’oxydation du ruthénium varie selon trois facteurs principaux : le pH de la solution, le potentiel redox et les ligands disponibles pour complexer les ions Ru. Pour prévoir la spéciation de Ru dans les solutions naturelles, il est nécessaire de disposer de constantes de complexation notamment vis-à-vis des ions dominants dans l'environnement tels que l'ammoniac (NH4+), le carbonate (HCO3- / CO32-), le chlorure (Cl-), le sulfate (SO42-), le nitrate (NO3-), l’hydroxyle (OH-) et les phosphates. Malheureusement, les constantes de complexation avec des ligands présents dans des conditions environnementales sont très variables et peu nombreuses dans la littérature pour le ruthénium dans les états d'oxydation +2 à +4. Ainsi selon sa spéciation en solution, il va être à même de se sorber ou co-précipiter sur les phases minérales réactives telles que les minéraux argileux et les carbonates. Cette réactivité chimique dépendante du contexte physico-chimique est déterminante pour prévoir la migration de Ru et d’autres radioéléments présents simultanément.
Ce travail de thèse vise ainsi à combler les lacunes des données thermodynamiques (complexation en solution, adsorption, etc.) pour la modélisation géochimique des radioéléments d’intérêt (en particulier du ruthénium et du technétium) dans un contexte physico-chimique naturel. Il vise aussi à évaluer les effets compétiteurs sur la sorption, que ce soit vis-à-vis des anions et cations en solution et des phases minérales dans le milieu. Ce travail comprendra une approche expérimentale et de modélisation géochimique.
Développement d’un modèle de chimie transport, sous radiolyse de l’eau, d’un combustible usé en stockage géologique profond
Le stockage direct des combustibles usés (CU) est une solution alternative à leur retraitement pour la gestion des déchets nucléaires. Ce stockage direct des CU en milieu géologique profond pose des défis scientifiques liés à la compréhension fine des processus de dissolution et de libération des radionucléides. Ce sujet de thèse propose de développer un modèle scientifique détaillé, capable de décrire les mécanismes physico-chimiques complexes, tels que la radiolyse de l'eau et l'interaction entre le combustible irradié et son environnement. L'objectif est de proposer une modélisation du transport réactif précise pour améliorer la prédiction à long terme des performances du stockage. En utilisant des approches mécanistes, cette thèse s’inscrit dans une démarche d’aller-retour entre modélisation et expérimentation, visant à affiner la compréhension des mécanismes d'altération et à valider les hypothèses par des données expérimentales. Finalement, en s'appuyant sur des modèles existants, comme le modèle opérationnel radiolytique, ce travail proposera des améliorations pour réduire les hypothèses simplificatrices actuelles. Le candidat contribuera à des enjeux industriels et sociétaux majeurs liés à la gestion des déchets nucléaires et permettra d'apporter des solutions aux enjeux de sûreté associés.
étude de la diffusion du radon dans les barrières naturelles en fonction de leur taux de saturation en eau, leurs niveaux de vieillissement et d'hétérogénéité
Le radium-226 est un des principaux radionucléides restant dans les résidus miniers uranifères. Or, son descendant direct, le radon-222 est un gaz noble de demi-vie de 3,8 jours, potentiellement dangereux pour l’homme en cas d’inhalation. Afin de minimiser le rejet de cet élément dans l'air, les résidus miniers sont placés sous des barrières limitant le transport diffusif du Rn-222 vers la surface. Le dimensionnement de ces barrières (épaisseur, matériaux, saturation en eau…) devrait s’appuyer sur des données expérimentales décrivant quantitativement la mobilité du radon en leur sein. Mais, du fait des nombreuses difficultés expérimentales associées à l’étude de ce gaz radioactif, ce type de données est rare et souvent spécifique à un site d’étude, rendant sa généralisation difficile (Fournier et al., 2005 ; Furhman et al., 2023). Or, des nouvelles techniques d’investigation ont vu récemment le jour, qui devraient permettre d’approfondir notre connaissance du comportement diffusif du radon. Ainsi, de nouveaux dispositifs ont été développés pour étudier la diffusion de radionucléides au travers de matériaux partiellement saturés en eau (Savoye et al., 2018 ; 2024). D’autre part, l’autoradiographie spectroscopique permet depuis peu de quantifier et cartographier les émetteurs alpha présents au sein de matériaux, notamment ceux de la chaine de désintégration de 238U et donc de 222Rn (Lefeuvre et al., 2024).
L’objectif de ce projet doctoral est donc, en couplant ces deux nouvelles approches, d’investiguer comment la diffusion du radon au travers de matériaux envisagés comme barrières (latérites, bentonite, …) peut être impactée par les paramètres clefs servant au dimensionnement des barrières, à savoir, leur degré de saturation en eau et leur niveau de vieillissement et leur hétérogénéité intrinsèque.
Simuler l’altération du verre dans son environnement : développement d’un module autonome pour le couplage avec les codes de transport réactif.
Dans le cadre de l’utilisation durable et sûre de l’énergie nucléaire au sein d’un mix énergétique décarboné répondant à l’urgence climatique, la maîtrise de l’inventaire en déchets radioactifs est une question prioritaire. L’altération des verres nucléaires conditionne alors directement l’évaluation à long terme de la sûreté des stockages géologiques de ces déchets. Comprendre et simuler ces processus représente donc un enjeu scientifique, industriel et sociétal majeur. Les modèles existants, tels que GRAAL2 [1] développé par le CEA, permettent de simuler et prédire des mécanismes de passivation occurrents à l’échelle nanométrique transposés à l’échelle mésoscopique via des lois cinétiques mésoscopique utilisées dans les codes de transport réactif (CTR).
Cette thèse vise à développer un module verre (MV) autonome sur la base du modèle GRAAL2, capable de calculer, l’altération du verre et de s’interfacer avec différents CTR (HYTEC, CRUNCH…). Les objectifs principaux sont : (i) concevoir et implémenter le MV sur la base d’un module cinétique robuste, (ii) développer un coupleur assurant les échanges d’informations avec le CTR, (iii) définir et réaliser des campagnes de validation numérique sur des cas tests de référence pour le MV et le coupleur, et (iv) conduire des analyses de sensibilité et d’incertitude afin d’identifier les paramètres déterminants dans un contexte de modélisation multi-matériaux (verre, fer, argile).
La thèse se déroulera dans le Laboratoire de Modélisation des Transferts dans l’Environnement de l'Institut IRESNE (CEA, site de Cadarache, Saint Paul les Durance). Le sujet offrira à le ou la doctorante des compétences transverses en géochimie, couplage multiphysique et développement logiciel, ouvrant des débouchés tant dans la recherche académique que dans l’ingénierie nucléaire et environnementale.
Références :
[1] M. Delcroix, P. Frugier, E. Geiger, C. Noiriel, The GRAAL2 glass alteration model: initial qualification on a simple chemical system, Npj Mater Degrad 9 (2025) 38. https://doi.org/10.1038/s41529-025-00589-4.
Marqueurs radiologiques en Antarctique : développement et validation des méthodologies d’analyse associées
Au sein de l’institut IRESNE (Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone), situé sur le centre CEA-Cadarache, le doctorant participera au développement du Laboratoire d’Analyses Radiochimiques et Chimiques (LARC), qui apporte depuis plus de 60 ans son expertise et un soutien analytique dans les domaines des réacteurs, du combustible, des déchets, ainsi que de l’assainissement et du démantèlement. L’objectif principal de la thèse est le développement et l’optimisation de méthodes analytiques pour la détection de marqueurs radiologiques, en s’appuyant sur des collaborations internes (LANIE, LEXAN) et externes (CSIC, CIEMAT). Les analyses porteront notamment sur le 137Cs et le 210Pb par spectrométrie gamma, sur l’isotopie de l’uranium et du plutonium par MC-ICPMS, ainsi que sur l’indice alpha/bêta global par scintillation liquide. Dans un second temps, l’application de ces méthodes à des échantillons variés, notamment prélevés dans le cadre du projet GEOCHEM [1] en Antarctique permettra d’étudier la distribution spatiale et l’origine de ces marqueurs radiologiques[2]. A l’issue de cette thèse pluridisciplinaire, le doctorant aura acquis une solide expérience dans la mesure des rayonnement gamma, alpha et bêta. L’interprétation des données obtenues en lien avec les paramètres environnementaux contribuera également au développement de son esprit critique et de sa curiosité scientifique.
[1] Maestro, A. et al. Fracturation pattern and morphostructure of the Deception Island volcano, South Shetland Islands, Antarctica. Antarct. Sci. 37, 176–200 (2025).
[2] Xu-Yang, Y. et al. Radioactive contamination transported to Western Europe with Saharan dust. Sci. Adv. 11, eadr9192 (2025).
Potentialités des liants silico-magnésiens pour le conditionnement de terres contaminées
La contamination des sols par des substances radioactives constitue un enjeu majeur en matière de santé publique et de protection de l’environnement. Parmi les différentes stratégies envisageables pour la gestion de ces sols pollués, l’excavation des matériaux contaminés ouvre la voie à une réutilisation sécurisée du site. Les terres ainsi extraites, lorsqu’elles sont de faible ou moyenne activité à vie courte, doivent être stabilisées avant leur stockage. Dans ce contexte, le procédé de cimentation est apprécié pour son coût modéré, sa simplicité de mise en œuvre et sa capacité à confiner de nombreux polluants. Toutefois, son application aux sols riches en argile gonflante présente deux limites majeures : une mauvaise ouvrabilité du matériau à l’état frais, et une instabilité volumique à l’état durci. Face à ces contraintes, la thèse propose d’évaluer le potentiel des ciments silico-magnésiens comme alternative aux ciments silico-calciques traditionnels. Ces nouveaux liants suscitent à l’heure actuelle un intérêt croissant, notamment pour la construction en terre crue et le développement de matériaux à faible empreinte carbone.
Dans un premier temps, l’objectif sera d’étudier l’influence de différents paramètres de formulation sur la réactivité et les propriétés des ciments silico-magnésiens. Une étude approfondie des interactions entre les phases cimentaires et les principaux constituants des sols contaminés sera ensuite menée. Enfin, la durabilité des matériaux formulés sera investiguée au moyen d’essais de lixiviation qui alimenteront une modélisation couplée chimie – transport, visant à mieux comprendre les mécanismes de dégradation de ces matériaux et leur évolution à long terme.
Ce projet de recherche s'adresse à un doctorant souhaitant approfondir ses compétences en physico-chimie des matériaux, et contribuer à des solutions innovantes pour la gestion des sols pollués et le développement de liants à faible impact environnemental.