Modélisation numérique multiphysique des ouvrages de stockage de déchets radioactifs

Descriptif et conditions de candidature

Encadrement : – Pr Alain SELLIER (directeur de thèse) –sellier@insa-toulouse.fr
– Pr Laurie LACARRIERE – laurie.lacarriere@insa-toulouse.fr
– Dr-HDR Thierry Vidal – vidal@insa-toulouse.fr
Laboratoire d’accueil : LMDC (UPS, INSA Toulouse) – http://www-lmdc.insa-toulouse.fr/
Conditions de financement : Contrat européen Eurad (durée de la thèse 36 mois)
Date limite de dépôt de candidature : 15 mai 2021
Adresser CV + Relevés de notes M1 M2 + Lettre de motivation par email aux encadrants
Description du sujet :
Le projet EURAD MAGIC (Chemo-Mechanical AGIng of Cementitious materials under coupled disturbances based on a multiscale approach) est un consortium de 49 laboratoires et entités publiques impliqués dans la gestion des déchets nucléaires. Les laboratoires couvrent des domaines variés tels que la géochimie, la géomecanique, la géotechnique, la science des matériaux, la microbiologie et le génie civil. L’objectif est de créer des interactions entre les experts internationaux de ces différents domaines afin de disposer d’un excellent niveau de connaissance pour l’aide à la conception des structures en béton armé destinées à l’entreposage à long terme (plusieurs siècles) des déchets radioactifs issus des différentes activités productrices (médecine, industrie, recherche, production
d’énergie électrique). Ce consortium est dirigé par l’IRSN, il implique également l’Andra et le CEA et des laboratoires français tel que le Lam3, Mines ParisTech et le LMDC.
Dans ce projet le LMDC intervient à plusieurs niveaux. D’une part il expérimente des éléments de béton armé soumis à des essais de carbonatation accélérée destinés à caractériser l’état de dégradation de ce matériau dans le contexte des eaux souterraines d’un site de stockage. D’autre part il contribue à la capitalisation des résultats des différentes équipes via la mise au point d’un modèle de calcul par éléments finis capable de considérer les effets de l’eau du site (et des éléments chimiques qu’elle contient) et d’un chargement mécanique de longue durée sur les structures en béton armé enterrées.
Le travail de thèse consistera à établir un modèle de comportement multi-physique du béton armé intégré permettant, in fine, de simuler le comportement à très long terme d’une structure (type tunnel) soumise à un chargement mécanique (induit par la convergence du sol) et à une dégradation physicochimique induite par l’eau du sol (carbonatation, lixiviation, corrosion des armatures…).

Le déroulé de la thèse se fera selon 3 axes :
Axe 1 : Mise au point d’un modèle d’homogénéisation analytique non linéaire pour le comportement chemo-mécanique du béton
Le développement se fera en se basant sur les résultats obtenus par les autres partenaires du projet Eurad s’intéressant à la modélisation microstructurale des phénomènes chimiques couplés (Centre for Environnemental Research, UZH, Liepzig, Allemagne) et à la caractérisation du comportement mécanique de matériaux dégradés à petite échelle (essai de microtomographie – Lam3, Lille).
Le verrou à lever consistera à développer un modèle mésoscopique de dégradation chimique permettant de faire disparaitre ou apparaitre des phases solides en fonction du contexte chimique, et de répercuter cela sur les propriétés mécaniques (module, résistance et vitesse de fluage du béton,
ancrage et section corrodée des aciers).
Le couplage chimie-mécanique consistera donc à déduire des modèles chimiques de l’Université de Leibnitz les variables d’état mésoscopiques contrôlant la cinétique de dégradation, et à modéliser ainsi la cinétique. Il s’agira ensuite, à parti d’un modèle d’homogénéisation et des volumes de phases, de
déduire des propriétés mécaniques en cours de dégradation. Les programmes seront écrits en langage compilé (type Fortran ou C) dans la loi de comportement.
Axe 2 : Extension du modèle au cas du béton armé
Dans le cas du béton armé, le modèle chemo-mécanique devra en outre permettre de prévoir l’avancement de la corrosion des aciers en fonction de l’état chimique du béton à l’interface et d’en déduire l’effet sur les propriétés de l’acier (section corrodée, adhérence acier-béton). Comme pour le
modèle chemo-mécanique, la formulation du modèle de comportement d’armature sera du type homogénéisation analytique non linéaire. Le couplage entre les deux sera basé sur la technique des champs de phase. Le modèle sera implanté dans le code aux éléments finis Castem du CEA.
Comme pour l’axe 1, les travaux seront menés ici en étroite collaboration avec UTZ et Lam3. Il s’agira de traduire à l’échelle mésoscopique les observations expérimentales et numériques faites à l’échelle micro par les partenaires du projet.
Axe 3 : Application à la simulation d’éléments de structure et de structures béton armé
Une fois le modèle implémenté dans le code aux éléments finis Castem du CEA, il devra être testé sur des poutres en béton armé dégradées depuis plusieurs décennies au LMDC de Toulouse. Le modèle sera également confronté aux résultats expérimentaux de tirants en béton armé carbonatés réalisé
conjointement, au LMDC, également dans le cadre du projet Eurad MAGIC.
Une fois validé, le modèle sera utilisé pour le calcul d’un tronçon de tunnel de l’Andra sur une période de 120 ans (depuis la construction du tunnel jusqu’à sa fermeture). L’étape de modélisation du tunnel servira de guide aux experts et utilisateurs ultérieurs afin d’optimiser le dimensionnement des structures d’entreposage.

Profil du (de la) candidat(e) :
• Bonnes bases en mécanique du solide
• Compétences physico-chimie des matériaux cimentaires (hydratation, corrosion des armatures)
• Affinité pour les calculs de structures génie civil
• Goût prononcé pour la modélisation par éléments finis
• Bon niveau en anglais