Doctorat en physicochimie pour comprendre la dynamique de l’eau et des solutés dans les argiles en cond

Sujet de thèse :
Comprendre la dynamique de l’eau et des solutés dans les argiles en conditions insaturées : intégration de la dynamique moléculaire à l’échelle de l’arrangement des plaquettes d’argiles

Les argiles sont des constituants importants des sols. Les particules d’argiles sont constituées d'empilements de feuillets d'aluminosilicates de tailles variables. Ces particules forment elles-mêmes des agrégats. Ainsi, les argiles présentent des pores de différentes tailles, qui dans dans des conditions non perturbées, sont saturés en eau. Dans le contexte du stockage souterrain des déchets radioactifs dans un milieu géologique argileux (ex : projet Cigéo en France), le creusement des galeries, la radiolyse de l’eau ainsi que la corrosion des aciers conduira à une inclusion de gaz (air, H2 etc) dans les pores du milieux naturel créant des conditions partiellement saturées liquide-gaz au sein des pores.
Lors du projet Darius, financé par le programme CNRS NEEDS (Nucléaire : Énergie, Environnement, Déchets, Société), qui vise à mieux comprendre l’effet de la saturation partielle en eau du réseau poral argileux sur la diffusion de l’eau et des ions à différentes échelles spatiales et temporelles, un verrou scientifique majeur a été identifié : les coefficients de diffusion mesurés en conditions insaturées sont bien inférieurs à ceux issus des simulations de dynamique brownienne, alors que ces dernières reproduisent correctement les expériences en conditions saturées. Pour résoudre cette incohérence, ce travail de thèse propose d’explorer plus en détail la localisation et la dynamique de l’eau dans les milieux poreux argileux insaturés, à l’échelle de l’arrangement des particules argileuses.
En effet, l’approximation capillaire classique, utilisée dans les simulations de dynamique brownienne pour déterminer la taille des pores en-dessous de laquelle les pores sont complètement hydratés, et le modèle d’adsorption multicouches pour décrire l’hydratation des surfaces des plus gros pores, pourraient s’avérer inadéquates. En particulier toutes les surfaces sont traitées de la même façon dans les simulations, alors que les surfaces latérales et basales des feuillets d’argile sont très différentes d’un point de vue cristallographiques. Par ailleurs la charge négative intrinsèque des feuillets, compensée par la présence de contre-ions en surface, induit un champ électrostatique, structurant le fluide sur plusieurs couches moléculaires, avec une portée dépendant de la force ionique.
Ainsi, nous simulerons dans un premier temps par dynamique moléculaire et Monte Carlo des feuillets finis formant des angles dièdres, ou des pores délimités par des bordures de feuillets, en présence d’eau et d’ions. Les objectifs incluent : (i) l’évaluation de la validité de l’approximation capillaire dans les pores formés par des surfaces basales, selon l’argile et la composition de la solution, et (ii) l’étude de la répart
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