Mécanismes de formation de bulles d'oxygène dans un bain de verre fondu dans le contexte de la vitrification des déchets nucléaires

Mechanisms of oxygen bubble formation in a glass melt in the nuclear waste vitrification context

• Auteur / Autrice : Luiz De Paula Pereira
• Direction : Franck Pigeonneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 12/11/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Rudy Valette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Pigeonneau, Jaroslav Klouzek, Michael Toplis, Olivier Masbernat, Annabelle Laplace
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Martel, Michel Vilasi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Verre fondu

Oxydoréduction

Déchets radioactifs -- Vitrification

Mots clés libres

Fonte de verre d’oxyde

Bulles

Réaction d’oxydo-Réduction

Méthode expérimentale

Méthode numérique

Oxide melt

Bubbles

Redox reaction

Experimental approach

Numerical approach

Résumé

Ce doctorat est réalisé dans le cadre de la vitrification des déchets nucléaires et est focalisé sur la production de gaz formé lors du processus de vitrification à haute température. Nous nous concentrons sur l'oxygène moléculaire produit par des réactions d’oxydo-réduction d'éléments multivalents. En effet, ces éléments sont présents dans plusieurs domaines naturels et industriels. Cette thèse vise à comprendre, fondamentalement, les mécanismes de formation et de croissance des bulles d'oxygène et comment ceux-ci sont liés aux réactions d’oxydo-réductions se déroulant dans ce contexte. Nous avons choisi un système de verre nucléaire simplifié composé d'un verre borosilicaté dopé avec l'oxyde de cérium. Pour étayer notre compréhension de la formation et de la croissance des bulles, nous avons caractérisé le système simplifié en termes de propriétés physiques et thermochimiques. Nous avons tout d’abordétudié le transfert de masse entre une bulle d'oxygène et la fonte verrière avec différentes teneurs en cérium (% Ce2O3) et différentes fugacités en oxygène(fO2). Cette étude a été menée à la fois par des moyens expérimentaux et numériques. Les résultats confirment que la réaction d’oxydo-réductions du cérium augmente de façon significative le transfert de masse pour les milieux réduits et à forte teneur en oxyde de cérium. Un modèle théorique considérant les réactions d’oxydo-réductions comme instantanées et une diffusion dominée par celle de l'oxygène permet globalement de retrouver les résultats expérimentaux. Nous avons ensuite étendu le système à une population de bulles. Cette partie de la thèse a également été abordée par des moyens expérimentaux et numériques. En faisant fondre un milieu granulaire, constitué de grains de verre, la nucléation des bulles est principalement liée à l'emprisonnement de l'air. En considérant que la dynamique des bulles est pilotée par leurs temps de résidence dans le creuset, le comportement des bulles à différentes températures se révèle équivalent. Un modèle numérique basé sur le simple transfert de masse ne permet pas d'estimer le comportement des bulles, ainsi la coalescence des bulles devrait être prise en compte. Enfin, nous avons proposé une nouvelle méthode in-situ pour déterminer la fraction volumique des bulles. Nous avons démontré la viabilité théorique et technique de cette nouvelle méthode en utilisant d'autres approches robustes de la littérature.

This doctorate takes place in the framework of nuclear waste vitrification and it deals with gas production occurring during the high-temperature process. We are focused on molecular oxygen produced by redox reactions of multivalent elements. Indeed, these elements can be found in different contexts, including natural and industrial systems. This thesis aims to understand, fundamentally, the mechanisms of oxygen bubble formation and growth and how they are linked to redox reactions taking place in this context. We have chosen a simplified nuclear glass system composed of a borosilicate glass doped with cerium oxide. To support the understanding of bubble formation and growth in this given context, we characterized the simplified system in terms of physical and thermochemical properties. First, we studied the mass transfer between an oxygen bubble and the melt, for varying cerium contents (% Ce2O3) and oxygen fugacities (fO2). This study was carried out by both experimental and numerical means. The results confirm that cerium redox reaction significantly enhances the mass transfer, mainly in reduced states and high cerium oxide contents. A theoretical model assuming instantaneous redox reaction and a diffusion dominated by molecular oxygen allows, globally, to explain the experimental results. Afterward, we expanded the study to a bubble population scenario. This part of the work has also been investigated by both experimental and numerical means. The melting of a granular medium, composed of glass beads, leads to a bubble population nucleated mainly due to air trapping. Assuming that the bubble dynamics is driven by their residence time in the crucible, the overall dynamics at various temperatures is the same. A numerical model based only on mass transfer does not estimate bubble behavior, and consequently coalescence should be taken into account.Finally, we proposed a novel in-situ method to infer bubble volume fraction. We demonstrated the theoretical and technical viability of this novel method by comparing the results with other well-established approaches from the literature.