Caractérisation des mécanismes radiolytiques dans les systèmes eau tritiée–zéolithe en conditions d'entreposage // Characterization of radiolytic mechanisms in tritiated water zeolite systems under storage conditions

L'exploitation des installations tritium de Valduc produit des effluents liquides faiblement tritiés, stockés sous forme adsorbée sur de la zéolithe 4A pour des raisons opérationnelles. La compréhension des mécanismes d'auto-radiolyse de cette eau confinée est essentielle pour optimiser l'entreposage.
Plusieurs thèses ont déjà étudié ces mécanismes, en combinant expériences et modélisations. Les premiers travaux ont montré qu'en dessous de 13 % d'hydratation, les gaz radiolytiques H2 et O2 peuvent se recombiner dans la zéolithe. Les études suivantes, fondées sur des calculs DFT et de dynamique moléculaire, ont précisé les sites d'adsorption et la mobilité des gaz. Elles ont mis en
évidence un seuil d'hydratation (13–15 %) au-delà duquel la diffusion des gaz devient très faible, cohérent avec l'arrêt expérimental de la recombinaison. Toutefois, ces simulations reposent sur des modèles idéalisés.
La nouvelle thèse proposée vise à recentrer le projet sur l'expérimental afin de mieux coller aux conditions réelles d'entreposage. Elle commencera par une caractérisation détaillée de la zéolithe utilisée industriellement. Des réservoirs eau-zéolithe seront irradiés pour simuler l'effet du tritium, et analysés par RMN et éventuellement par Resonance Paramagnetique Electronique (RPE) pour
détecter les espèces réactives.

Les résultats expérimentaux pourront contribuer à l'amélioration des modèles prédictifs développés précédemment afin de prédire l'évolution du système et d'identifier des optimisations possibles pour le stockage. Le travail sera mené principalement au laboratoire NIMBE (CEA-CNRS) avec des échanges réguliers avec le CEA Valduc.
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Valduc tritium facilities produces low-tritiated liquid effluents, which are stored in adsorbed form on 4A zeolite for operational reasons. Understanding the mechanisms of self-radiolysis of this confined water is essential to optimize its storage. Several theses have already investigated these mechanisms, combining experiments and modelling approaches. These initial works have shown that below 13% hydration, the radiolytic gases H2 and O2 can recombine in the zeolite. Subsequent studies, based on DFT calculations and molecular dynamics simulations, identified the adsorption sites and gas mobility. They have put in evidence the existence of a hydration threshold value (13–15%) beyond which gas diffusion becomes very low, consistent with the experimental observation of no recombination. However, these simulations are based on idealized models.
The proposed thesis aims to focus the project more on experiments in order to better reproduce to the real storage conditions. It will start with a detailed characterization of the zeolite used industrially. Accordingly, water-zeolite tanks will be irradiated to simulate the effect of tritium, and analyzed by nuclear magnetic resonance (NMR) and possibly by Electronic Paramagnetic Resonance (EPR) to detect reactive species.

The experimental results may contribute to the improvement of the predictive models previously developed in order to predict the evolution of the system and to identify possible optimizations for storage. The work will be carried out mainly at the NIMBE laboratory (CEA-CNRS) with regular exchanges with the CEA Valduc.
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://instn.cea.fr/these/caracterisation-des-mecanismes-radiolytiques-dans-les-systemes-eau-tritiee-zeolithe-en-conditions-dentreposage

Public/private mixed funding

Financement du CEA - CFR (Contrat formation par la recherche)

Université Paris-Saclay GS Chimie

571 Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes

Sciences de Matériaux , Chimie, Spectroscopie RMN
Materials Sciences, Chemistry, NMR Spectroscopy