Modélisation géochimique de la rétroaction de l’environnement du verre sur son altération aqueuse

Soutenance de thèse de doctorat de Maxime Delcroix dans l’amphithéâtre de L’ISCM au sein de l’ISEC (Centre CEA de Marcoule, 30207 Bagnols-sur-Cèze)

Composition du jury:
Christophe Tournassat, rapporteur
Damin Daval, rapporteur
Céline Cau-Dit-Coumes, rapporteuse
Laurent de Windt, examinateur
Christine Destrigneville, examinatrice
Catherine Noiriel, directrice
Pierre Frugier, encadrant

Résumé : 

Le modèle GRAAL2 (Glass Reactivity with Allowance for the Alteration Layer), couplé au code de chimie-transport HYTEC, est développé pour résoudre numériquement l’altération des verres au contact de l’eau interstitielle lors du stockage des déchets radioactifs dans le cadre du projet de stockage géologique Cigéo. Le travail de cette thèse questionne le fondement des hypothèses et des équations du modèle et évalue ses réponses via des calculs d’écarts modèle-expérience et de propagation d’incertitudes. La démarche expérimentale mise en œuvre s’appuie en premier lieu sur l’altération d’un verre simple à 4 oxydes à base de SiO2, B2O3, Na2O, Al2O3 (cj2) au contact d’une solution lixiviante variant en volume et en composition via l’ajout d’éléments constitutifs du verre (silicium, sodium) ou exogènes (calcium, potassium). L’effet du calcium est également étudié avec une expérience d’altération en eau pure d’un verre de composition analogue contenant en plus du CaO (cj3). Les capacités prédictives du modèle sur le long terme sont évaluées via la modélisation d’un verre cj2 altéré durant 25 ans en eau pure. Sa capacité à décrire la compétition entre la formation du gel et d’une phase secondaire est étudiée via la modélisation d’une expérience d’altération en eau pure d’un verre industriel AVM de composition proche, contenant en plus du MgO et du Li2O. Les travaux sur le modèle s’accompagnent de méthodes d’optimisation des paramètres de modélisation à partir des concentrations analysées en solution à l’aide d’études de sensibilité et de calculs géochimiques. En parallèle, des outils d’aide à la création des fichiers de modélisation et à la visualisation sont créés. L’outil PyGraal, développé durant la thèse et écrit en python, regroupe ces méthodes et ces outils. Le couplage du modèle GRAAL2 et de l’outil PyGraal permet une meilleure compréhension des données expérimentales d’altération des verres et de la chimie associée. Les méthodes permettent l’obtention d’un paramétrage optimal et offrent, d’une part, de nouvelles perspectives d’études pour les écarts modèle-expériences résiduels et d’autre part la possibilité de formuler des hypothèses sur les phénomènes prenant place lors de l’altération des verres. La modélisation et l’expérience se complètent dans le travail de cette thèse ; la modélisation permet d’identifier les manquements expérimentaux, à savoir la prise en compte d’une nouvelle phase, d’un nouveau complexe dissous ou d’un élément non dosé ; l’expérience quant à elle permet d’identifier les limites du modèle via l’étude des écarts modèle-expériences.