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

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