Thèse Simuler l'Altération du Verre dans son Environnement Développement d'Un Module Autonome pour le Couplage avec les Codes de Transport Réactif. H/F - Mines Paris-PSL

Établissement : Mines Paris-PSL
École doctorale : Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement
Laboratoire de recherche : Centre de Géosciences
Direction de la thèse : Nicolas SEIGNEUR ORCID 0000000218552722
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-28T23:59:59

Cette thèse en collaboration entre CEA et Andra s'inscrit dans un contexte de besoin croissant en
simulation multi-matériaux (verre, fer, argile, béton) ou les scénarios de stockage à CIGEO imposent
de concevoir des outils interopérables, capables d'évoluer de manière indépendante des codes de
transport, tout en garantissant la cohérence des échanges d'informations entre les différents
domaines physiques.
2. Objectifs scientifiques et techniques
La thèse vise à concevoir, implémenter et valider un module autonome (Module Verre, MV) dédié à
la prédiction de l'altération du verre, fondé sur le modèle GRAAL2 et interfaçable avec un ou
plusieurs CTR de références disponible au laboratoire (HYTEC, CRUCNH, PHREEQC).
L'objectif est double :
1. Renforcer l'indépendance logicielle du modèle afin de garantir sa pérennité et sa
portabilité. Concevoir le MV comme un module autonome permettra de s'affranchir de la
dépendance aux environnements de calcul externes, de faciliter sa validation, sa diffusion et
son évolution au sein de la communauté scientifique, et d'augmenter la maîtrise par le CEA
et L'Andra de la trajectoire de développement du modèle.
2. Faciliter le couplage multi-physique dans les simulations de stockage intégrées. Le MV sera
conçu pour s'interfacer facilement avec un ou plusieurs CTR et autres modules dédiés à la
corrosion ou aux interactions multi-matériaux : cette souplesse est essentielle pour simuler
l'ensemble des barrières du stockage géologique (verre, fer, béton, argile), garantir la
cohérence des calculs et s'adapter rapidement aux nouvelles exigences scientifiques ou aux
évolutions du stockage (CIGEO, benchmarking international, scénarios extrêmes).
Les grands axes de travail sont :
- (i) Conception et développement du MV : élaboration d'un coeur de calcul autonome
capable de déterminer la cinétique de dissolution du verre et la formation/dissolution des
phases du gel en fonction des conditions hydrogéochimiques locales. Une première phase
de spécification fonctionnelle permettra de bien définir le périmètre de compétence, le
niveau d'autonomie et la flexibilité souhaité pour ce module. Il se basera sur les lois de
GRAAL2 et sera conçu de manière progressive et flexible.
- (ii) Développement du coupleur avec les codes de transport réactif : définition de
l'algorithme de couplage, du protocole d'échange des données entre le MV et le CTR
(concentrations, pH, surface, flux), choix du mode de pilotage temporel et mise en oeuvre
d'une interface générique assurant la compatibilité avec un ou plusieurs CTR. Ce travail
s'appuiera sur une comparaison et une analyse des différentes techniques de couplages
numériques afin d'évaluer leur pertinence. L'étudiant investiguera aussi le pilotage temporel
adaptatif pour gérer la diversité des échelles de temps (phases de l'altération du verre et
transport par le CTR).
- (iii) Validation numérique et évaluation des performances : la validation du module et de
son couplage ne se limitera pas à une vérification logicielle. Des jeux de test seront conçus
allant de configurations idéalisées (verre pur, solution pure, géométries simples) à des cas de
complexité croissante, jusqu'à des configurations proches du réel (1D-2D, multi-barrières,
influence d'autres matériaux) permettant la compréhension des mécanismes couplés. La
confrontation entre résultats simulés et expérimentaux guidera l'identification des limites du
fonctionnement du MV et de ses modalités d'interactions avec le CTR.

L'altération des verres nucléaires constitue un processus clé dans l'évaluation à long terme de la
sûreté des stockages géologiques de déchets radioactifs. Ces verres, élaborés pour immobiliser
durablement les radionucléides, interagissent lentement avec l'eau interstitielle de l'environnement
de stockage, conduisant à la formation d'une couche altérée protectrice et au relargage différé des
éléments. Comprendre et simuler ces mécanismes complexes, pilotés par des processus physiques et
chimiques couplés, est essentiel pour démontrer la sûreté du stockage vis-à-vis du relargage des
radionucléides.
Le CEA a contribué depuis plusieurs années au développement de modèles de référence pour la
description de l'altération des verres borosilicatés, notamment à travers le modèle GRAAL (Glass
Reactivity with Allowance for Alteration Layer), aujourd'hui amélioré dans sa version GRAAL2 [1,2].
Ce modèle offre une traduction des phénomènes de passivation du verre se produisant à l'échelle
nanométrique via l'utilisation de lois mésoscopiques embarquées dans des codes de transport réactif
(CTR).
L'approche actuelle repose sur une intégration directe de GRAAL2 au sein du code hôte (CHESSHYTEC
développé par l'École des Mines de Paris). Elle présente l'inconvénient de maintenir une
dépendance forte vis-à-vis des environnements de calcul externes, réduisant la capacité à faire
évoluer, valider ou diffuser le modèle de manière autonome. Le développement d'un module verre
indépendant constituerait ainsi un levier stratégique pour renforcer la maîtrise interne du modèle
GRAAL2, tout en facilitant son évolution, sa pertinence scientifique et sa maintenance dans la durée.
De plus, l'évolution des pratiques de modélisation tend désormais vers la décomposition des outils
en modules spécialisés, chacun dédiés à une physique ou à un matériau particulier, interconnectés
via des interfaces de couplage [3,4]. Cette approche modulaire favorise à la fois

Solides compétences en programmation scientifique (Python et/ou C++) ;
- Goût pour la géochimie et le calcul scientifique ;
- Capacité à travailler dans un environnement pluridisciplinaire (numériciens, modélisateurs,
expérimentateurs).