Appel d offres pour les allocations de thèse Andra 2009

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1 Appel d offres pour les allocations de thèse Andra Modélisation des écoulements Conception et développement d un modèle 3D/T d évolution des paysages adapté aux grandes échelles, temporelles et spatiales. Il s agit, avec cette thèse, de concevoir, mettre en œuvre et valider un modèle simulant l évolution 3D/T de la surface avec une méthode originale, s'apparentant au traitement d'images. Ce modèle doit permettre de simuler de façon rapide les évolutions sur des durées qui atteignent le million d années, avec des surfaces modélisées qui couvrent de vastes domaines, ce modèle sera appliqué au cas du bassin de Paris. Modélisation du transport conservatif de solutés par une approche double-milieu ou multi-milieu dans les encaissants du Callovo-Oxfordien. Le sujet de thèse proposé est dédié à la modélisation physique et numérique des écoulements et du transport dans deux ou plusieurs milieux contrastés. Il s agit d étudier la physique des échanges en termes d écoulement et de transport entre les différents milieux et de développer des solutions numériques associées. Ce travail vise in-fine à développer une approche double ou multi-milieu, robuste pour la simulation des écoulements du transport dans les encaissants de l Oxfordien et du Dogger. Modélisation des âges des eaux dans les systèmes aquifères Des méthodes ont été mises au point pour le calcul des âges des eaux récentes d un système aquifère en écoulement permanent, avec des conditions aux limites de surface constantes. Pour les eaux dont l âge est supérieur à un million d années, il reste à développer des méthodes de calcul qui tiennent compte de l évolution des conditions aux limites (évolutions géomorphologique et climatique). La thèse devra, en outre, analyser le comportement du système hydrogéologique multi-couches de Meuse/Haute-Marne au cours des derniers millions d années. Modélisation des écoulements et du transport des eaux souterraines proches de la surface : couplage des écoulements laminaires et turbulents Le sujet de thèse proposé vise à développer une approche de couplage des écoulements laminaires matriciels et les écoulements turbulents dans les conduits karstiques. Il s agit d évaluer les incertitudes liées aux approches actuellement appliquées, de façon à disposer des outils appropriés pour la modélisation des écoulements et du transport au droit des exutoires. 2 Géologie et Géomécanique Diagenèse et transferts dans les formations de l'est de la France, approches comparatives des données thermométriques (biomarqueurs, paleofluides), et origine des fluides à l'origine des ciments de la porosité matricielle et fissurale. Il s agit de reconsidérer la signification de l ensemble des données de thermicité (biomarqueurs, PR vitrinite, inclusions fluides) ainsi que les limites des outils paleothermométriques, à l'échelle de l'est du bassin et de la pile sédimentaire jusqu'au Trias. Le travail s intéressera aux fluides anciens à l'origine des colmatages de la porosité matricielle et des discontinuités, à l'échelle de l'est de la France, en utilisant les données de

2 la pétrographie et de la géochimie isotopique. Approche multi-échelle du comportement hydromécanique des argilites La prise en compte du comportement (visco)plastique de la matrice argileuse et de la microfissuration requiert d intégrer la double porosité et la compressibilité plastique de la matrice argileuse. Sur cette base, on cherchera à aboutir à la formulation d un modèle micromacro explicitant les relations entre d une part la microstructure de l argilite et ses mécanismes de déformation, le comportement hydromécanique macroscopique d autre part. Caractérisation in situ du comportement à long terme de la zone endommagée par techniques d'imagerie ultrasonique Le sujet de recherche porte sur le développement et l'application in situ de techniques telles que la tomographie ultrasonique ainsi que de méthodes du traitement du signal innovantes permettant d'étudier finement les modifications des propriétés physiques complexes de la roche en tenant compte du régime hydromécanique qui lui est appliqué. Le sujet de thèse inclut l optimisation de dispositifs de mesure in situ, le développement de méthodes de traitement des données, le traitement et l interprétation hydromécanique des données. 3 Développement de technologies de mesure pour l observation et la surveillance Conditionnement de fibres optiques destinées à être noyées dans le béton pour réaliser des mesures réparties de déformations Les études récentes de l Andra montrent les limites des capteurs à fibre optique commerciaux destinés à réaliser des mesures réparties de déformations des structures en béton. Il s agira de développer un enrobage spécifique de capteur à fibre optique performant notamment par rapport à l exigence de durabilité pluri-décennale recherchée. Les travaux pourront se focaliser sur le choix du matériau, et son attache intime à la silice de la fibre optique pour réaliser des capteurs à fibre optique destinés à être noyés à cœur de structure en béton pour y réaliser des mesures réparties de déformations sur des durées pluridécennales. Contribution des dépôts atmosphériques au fond géochimique de l Observatoire Andra Meuse /Haute-Marne Bien qu importantes, les entrées actuelles de particules atmosphériques dans les écosystèmes et leur impact sur le fonctionnement biogéochimique sont peu connus. Les cycles biogéochimiques de divers éléments sont principalement influencés par les entrées atmosphériques (via l érosion ou les activités anthropiques), le fond géochimique du sol, les acteurs biologiques et les activités humaines. Les objectifs de ce travail porteront sur la mesure et l analyse des dépôts atmosphériques, l étude de leur altération au niveau de la litière par un bilan de la matière solide et un traçage isotopique afin de définir la contribution des dépôts atmosphériques aux cycles biogéochimiques en forêt. 4 Comportement des matrices de confinement Etude de l'altération des verres en présence de fer, effet de la radiolyse. L'objectif est de consolider les modèles d'altération du verre en présence et en l'absence de fer, puis d'observer les modifications induites par la radiolyse, en particulier sur la vitesse résiduelle. Pour cette thèse, l utilisation de techniques d analyse physique des matériaux

3 permettant d observer des fronts d avancement de réaction de quelques nanomètres à quelques micromètres d épaisseur est souhaitée, en complément des techniques d analyse usuelle sur ces matériaux (suivi des concentrations des espèces en solution). Identification et caractérisation des phases secondaires du verre, formées en présence d'eau argileuse et/ou d'argilite de site. Influence de la présence de fer La faible vitesse d altération à long terme du verre est pilotée pour partie par les phases secondaires qui précipitent en surface du gel. Les expériences récentes montrent que ces phases dépendent non seulement de la composition du verre, mais également de la composition de l eau au voisinage du verre. Cette thèse vise à identifier et à caractériser les phases secondaires en conditions de stockage. Altération du verre en milieu cimentaire Le CEA et AREVA envisagent de produire des déchets vitrifiés de type MA-VL qui pourraient être stockés dans un environnement cimentaire. La plupart des études menées à ce jour portant sur le comportement à long terme du verre en milieu argileux, les modèles proposés ne sont pas donc directement applicables. L objectif de cette thèse est de rendre compte du comportement des déchets vitrifiés en environnement cimentaire. Mécanisme de relâchement du C14 par corrosion des matériaux métalliques (aciers, alliages de nickel, alliages de zirconium) en milieu cimentaire On cherchera à identifier la forme chimique (organique, inorganique, soluble, gaz) sous laquelle le carbone 14 (produit d activation ou de transmutation) est relâché par les différents matériaux métalliques lors du processus de corrosion en milieu cimentaire. On s attachera particulièrement à identifier les espèces potentiellement les plus mobiles comme le CH4. Localisation et forme chimique du tritium dans le graphite - Mécanisme de relâchement en milieu cimentaire Les résultats de lixiviation du tritium hors du graphite montrent qu il est faiblement relâché (comparativement à d autres radionucléides) Cependant, les mécanismes de son relâchement ne sont pas identifiés à ce jour. L objectif de cette thèse est de localiser les éléments chimiques conduisant à la formation de tritium en réacteur (lithium ), d identifier leur forme chimique et d étudier son relâchement par le graphite. 5 Comportement des composants ouvragés du stockage Effet de la radiolyse sur la corrosion atmosphérique et aqueuse des aciers non alliés et inoxydables. Ce sujet doit permettre d'identifier les mécanismes et cinétiques de corrosion des conteneurs primaires et surconteneurs dans les différents environnements rencontrés en entreposage et en stockage (atmosphères avec différentes humidités relatives, avec ou sans oxygène, milieu saturé en eau du site géologique, influence de la température, influence du débit de dose). Durabilité de bétons à faible chaleur d hydratation dans le contexte du stockage profond de déchets radioactifs La recherche proposée dans le cadre de ce projet de thèse vise à borner un périmètre de formulations répondant aux exigences liées aux choix techniques de réalisation du stockage

4 profond, c est à dire essentiellement de bétons à faible chaleur d hydratation. Dans un deuxième temps, sur la base d un choix restreint d une à deux formulations de référence, l étude du comportement physique et chimique de ces matériaux sera menée. On s intéressera à la mise au point de bétons, à l étude de la durabilité de ces matériaux dans le contexte du stockage profond et à leur formulation en relation avec le contexte normatif actuel. 6 Transferts dans les milieux Analyse des écoulements eau/gaz dans les argilites du Callovo-Oxfordien à l'aide de la théorie de la percolation. Conditions d'applicabilité du modèle biphasique continu pour les argilites. La qualité de prédiction du modèle biphasique continu classique (loi de Darcy généralisée dans chaque phase) doit être vérifiée compte tenu des conditions particulières rencontrées dans le contexte du stockage souterrain. En particulier, la structure des argilites et la dynamique d'injection de gaz sont susceptibles de conduire à des régimes d'écoulement faisant apparaître des phénomènes de digitation. L'objectif de la thèse est de vérifier les conditions de validité du modèle biphasique continu dans le contexte du stockage et de proposer une méthode pour passer de l'échelle de l'éprouvette à l'échelle des ouvrages. Effets des conditions de sol (humidité, fertilité) sur la chlorination de la matière organique et le temps de résidence du chlore(-36) dans les écosystèmes terrestres. Le chlore-36 est un radionucléide prioritaire dont la persistance potentielle dans les écosystèmes terrestres est largement associée à la dynamique du cycle biologique du chlore stable et au taux de chlorination de la matière organique des sols. Des études récentes montrent que la transformation de Cl inorg en Cl org et inversement résulte de processus naturels, et que la quantité de Cl org dans certains sols organiques peut dépasser la quantité de Cl inorg. L étude proposée a pour objectif de mieux comprendre les processus naturels qui contrôlent les rapports Cl org /Cl inorg dans les sols dans des conditions environnementales contrastées (fertilité, humidité). Etude et modélisation des chemins réactionnels biogéochimiques impliquant les nitrates en milieu argileux (sous influence d un panache alcalin et de l hydrogène) Les déchets de moyenne activité et à vie longue constituent une source d espèces chimiques dont de la matière organique, des sulfates et des nitrates. Ces derniers peuvent avoir une influence sur la spéciation et la mobilité de radionucléides relâchés de façon concomitante. Dans la zone endommagée de la roche hôte, les ions nitrates sont susceptibles d être réduits par oxydation de la matière organique ou de l hydrogène, ce type de réaction nécessitant d être catalysé par une activité microbienne. Le sujet traitera de la conception et de la réalisation d expériences de type génie chimique (e.g. colonnes avec masses importantes de réactants, et conditions d écoulement variables) et de la définition d un modèle réactionnel biogéochimique. 7 Méthodes numériques Méthodes de décomposition de domaine en temps appliquées à des problèmes hydrauliques et transport de solutés en milieu poreux multi-couches saturés et insaturés présentant de forts contrastes de paramètres. L objet de la thèse est d identifier, de tester et/ou de développer les méthodes numériques

5 de décomposition de domaine espace/temps (méthodes locales ou globales en temps, gestion espace/temps des raccords,...) appliquées à des problèmes 2D et 3D d hydraulique et de transfert de solutés en milieu poreux saturé ou insaturé représentatifs des études de l Andra sur le stockage géologique et mettant en jeu des maillages de grande dimension et de forts contrastes des paramètres hydro-dispersifs des différents milieux. Simulation numérique du couplage entre les écoulements diphasiques multicomposant gaz tenant compte de la diffusion en milieu poreux (équations de Darcy généralisées) et les écoulements multi-composant gaz dans les milieux ouverts (équations de Navier-Stockes). L objectif de la thèse est de disposer d un développement théorique et numérique permettant un couplage complet entre des écoulements convectifs et diffusifs diphasique multicomposants gaz avec changement de phase et dissolution en milieu poreux hétérogène, et un écoulement (laminaire ou turbulent) multi-composants gaz (avec changement de phase) en température dans un milieu ouvert. Ce travail sera appliqué à la ventilation des ouvrages d un stockage géologique couplée à la désaturation du milieu géologique environnant. Simulation numérique 2D/3D du transport réactif avec cinétique en milieu poreux saturé et non saturé multi-composants gaz: algorithme robuste de couplage, parallélisme, application au stockage géologique. Malgré des progrès significatifs, les outils actuels de simulation du transport réactif présentent des limitations numériques pour traiter des systèmes 2D/3D, la cinétique chimique ou le couplage avec le transport di phasique multi-composants gaz. L'objectif est de développer des algorithmes numériques robustes et le parallélisme qui pallient les limitations actuelles. Le travail sera mené sur la plate-forme de simulation Alliances en utilisant les composants hydrauliques, de transport de solutés, de transport diphasique et chimique existants (PhreecqC, traces, MT3D, Porflow, Tough2, Tough_MP, ToughReac, Aster...) ou en implémentant de nouveaux composants. Simulation numérique du couplage entre la dégradation chimique des bétons armés (corrosion incluses) et le comportement mécanique : du composant à la structure, application aux ouvrages de stockage et d'entreposage. Il s'agit de développer un outil de simulation du comportement mécanique des structures en béton armé couplé à la dégradation chimique, sur la base des modèles de comportement mécanique et chimique existants. On traitera : (i) du couplage entre un outil de mécanique et un outil de transport réactif (séquentiel itératif, haute performance, autre...) et (ii) de la représentation d'une structure en béton armé (passage des composants à la structure : homogénéisation, décomposition de domaine...).le travail sera mené sur la plate forme de simulation Alliances. Modélisation/simulation ab-initio du transfert de gaz en milieu argileux compact : du nano au macro. On dispose aujourd'hui d'une représentation 3D de l'espace poral des milieux argileux compacts (argilites) jusqu à l'échelle nanométrique. L'objectif est d'utiliser la modélisation abinitio/moléculaire pour rendre compte du transfert des gaz et de l'eau liquide dans cette porosité, en tenant compte des forces mises en jeu à l'échelle nanométrique (fluides-solides et liquide-gaz). On cherchera à déterminer les grandeurs macroscopiques du transport di phasique, par exemple la pression d'entrée de gaz ou la pression capillaire.

6 8 Sciences humaines, sociales et économiques Les sujets proposés sont principalement orientés vers les études sociales et économiques portant sur la notion de réversibilité. Elles peuvent concerner les disciplines suivantes : Etudes Sociales des Sciences et des Techniques, Histoire des Sciences et des Techniques, Sociologie de l Innovation, Sociologie des Organisations, Anthropologie des Connaissances, Théorie des Organisations, Economie du risque et de l incertain, Finances, Sciences politiques Co-production entre action politique et connaissances scientifiques et techniques L Andra est chargée concevoir un centre de stockage réversible pour les déchets radioactifs à haute et moyenne activité et à vie longue et doit donner une interprétation technique précise de la notion de réversibilité. L étude proposée consiste à rendre compte du contexte historique et sociopolitique et à analyser les interactions qui peuvent exister entre le cadre législatif et sociopolitique dans lequel s inscrit la situation actuelle et la production scientifique et technique associée aux travaux sur le stockage réversible. Dynamiques, méthodes et outils pour la gestion et la communication des connaissances scientifiques et techniques à visée sociétale Dans le cadre de ses missions, l Andra analyse les différents scénarios de gestion et de financement d un stockage dont la durée d exploitation est de l ordre du siècle. Les recherches associées sont issues d approches disciplinaires diverses et doivent tenir compte de certains paramètres externes (changement politique, économique et social, évolution du taux d actualisation, modification des prix relatifs de certains matériaux, etc.). L intégration de l ensemble de ces connaissances est notamment réalisée au moyen d outils de représentation et de modélisation. L objet de la thèse serait d analyser ces outils en tant qu instruments de communication et d apprentissage à la fois au sein de l Agence et dans ses relations avec l extérieur. Une approche comparative à l échelle internationale serait souhaitable. Trajectoires d innovation et demande sociétale Au niveau macrohistorique, les processus d innovation semblent être dirigés par des mécanismes déterministes d irréversibilité et de verrouillage. En même temps, le potentiel de l action humaine pour modifier les trajectoires et débloquer les situations, au-delà des états stabilisés, n est pas négligeable. La condition de réversibilité qui oriente la création des centres de stockage géologique peut être interprétée en ce sens. Dans le cadre de la gestion des déchets radioactifs à haute et moyenne activité à vie longue, elle aurait été introduite par le législateur comme un moyen de répondre au mieux aux évolutions à la fois techniques et sociétales sur une longue échelle de temps. Le maintien de cet équilibre dynamique entre réversibilité et irréversibilité est un enjeu majeur pour la réussite de ce projet de l Andra. D une part, l Agence doit être réactive quasi en permanence aux évolutions des connaissances scientifiques et techniques et les composer avec le social. D autre part, elle sera amenée à produire de nouveaux standards et de nouvelles normes qui seront diffusés au niveau international et qui constitueront un modèle face à des modèles et des solutions concourantes.