ARISE² : Analyse de la nucléation de bulles de Radiolyse sous flux gamma et de leur relâchement dans des bItumeS et des Enrobés par méthode ultrasonorE. // ARISE²: Analysis of the nucleation of radiolysis bubbles under gamma flux and their release in bIt

Dans l'industrie nucléaire, certains déchets issus de procédés de traitement du combustible sont immobilisés dans du bitume pour constituer des fûts d'enrobés bitumineux « FEB ». Avec l'effet de l'auto-irradiation, le bitume va subir des modifications structurelles et produire, par radiolyse, des bulles de gaz induisant un gonflement. L'étude de ce gonflement a conduit les auteurs de la « Revue externe sur la gestion des déchets bitumés » à conclure sur l'importante de l'évaluation de l'impact de la radiolyse (et des bulles) sur les transferts thermiques.

Il a été montré qu'il est possible d'irradier sous flux gamma des échantillons représentatifs des FEB pour créer artificiellement des bulles d'hydrogène et simuler le comportement des colis bitumineux sur plusieurs dizaines voire centaines d'années

Compte tenu du caractère opaque du bitume seules des méthodes telles que la micro-tomographie X ou les ultrasons peuvent être utilisées pour mieux comprendre comment ces bulles apparaissent et évoluent au sein du bitume en fonction du temps et de la temperature. Dans ce contexte l'Institut d'Électronique et des Systèmes de Montpellier, Unité Mixe de Recherche Université de Montpellier – CNRS et son équipe acoustique spécialisée dans l'instrumentation acoustique en milieu hostile (https://www.ies.umontpellier.fr/la-recherche-et-linnovation/les-equipes-de-recherche/aco/) proposent une thèse à Montpellier en collaboration avec l'Autorité de Sûreté Nucléaire et de Radioprotection - PSN-RES/SCA/LECEV (https://www.asnr.fr/). Les objectifs portent sur la conception de façon globale d'un banc de mesure ultrasonore dédié à la caractérisation sous irradiation de matériaux viscoélastiques de la température ambiante à 150°C et à son utilisation pour la caractérisation des bitumes et des enrobés bitumineux en temps réel au sein de l'installation IRMA de l'ASNR.

Depuis 2023 des travaux ont déjà été effectués grâce au financement d'un premier projet (ARISE).

Ils ont permis de mieux appréhender les propriétés rhéologiques et ultrasonores des bitumes, d'établir leur loi de comportement et de fixer les fréquences souhaitables pour une analyse par ultrasons. L'analyse combinée par micro-tomographie X et ultrasons de bitumes irradiés contenant des bulles a permis de valider la méthode ultrasonore et d'obtenir, via les mesures ultrasonores, une première estimation du taux de bulles grâce à de premières modélisations.

Le travail envisagé dans le cadre de la thèse proposée consiste à :

-Poursuivre les études ultrasonores hors flux gamma sur bitume et bitume contenant des sels. La problématique est un enjeu majeur du fait de la densité et de l'hétérogène des matériaux considérés. Il sera nécessaire d'adapter les techniques et bancs d'essais associés.

-Concevoir un banc expérimental avec des sondes ultrasonores pour un fonctionnement sous irradiation gamma. L'objectif est de pouvoir suivre la nucléation des bulles en ligne ainsi que l'évolution du volume de gaz. Le banc sera d'abord conçu et validé sans irradiation à Montpellier puis mis en œuvre sous irradiation dans l'installation IRMA de Saclay.

-Poursuivre la modélisation de l'interaction entre les ultrasons et les bulles et appliquer dès le début de la thèse ces modèles à des mesures déjà effectuées dans le cadre du projet ARISE.

-Réaliser une étude post-irradiation sur la dynamique de montée des bulles dans le bitume jusqu'à 150°C.
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In nuclear industry, some wastes from fuel treatment processes are immobilized in bitumen to create bitumous packages. Under the effect of self-irradiation, the bitumen undergoes structural modifications and radiolysis leads to bubbles formation inducing swelling. The study of this swelling led the authors of the “Revue externe sur la gestion des déchets bitumés” to conclude that it was important to assess the impact of radiolysis (and bubbles) on heat transfer.

It has been shown that it is possible to irradiate representative bitumous packages samples under gamma flux to artificially create hydrogen bubbles and simulate the behavior of bituminous packages over several tens or even hundreds of years.

Given the opaque nature of bitumen, only methods such as X-ray micro-tomography or ultrasound can be used to better understand how these bubbles appear and evolve within the bitumen as a function of time and space. In this context, the Institut d'Électronique et des Systèmes de Montpellier, Unité Mixe de Recherche Université de Montpellier - CNRS, and its acoustic team specialized in acoustic instrumentation in hostile environments (https://www.ies.umontpellier.fr/la-recherche-et-linnovation/les-equipes-de-recherche/aco/) are offering a thesis in Montpellier in collaboration with the Nuclear Safety and Radiation Protection Authority - PSN-RES/SCA/LECEV (https://www.asnr.fr/).

The objectives of this project are to design an ultrasonic measurement bench dedicated to the characterization of viscoelastic materials under irradiation, from room temperature to 150°C, and to use it to characterize bitumens and asphalt mixes in real time at ASNR's IRMA facility.

Since 2023, work has already been carried out thanks to the funding of an initial project (ARISE) :

A better understanding of the rheological and ultrasonic properties of bitumens was obtained and behavior laws were established and used to determine the suitable frequencies for ultrasonic analysis. Combined X-ray micro-tomography and ultrasonic analysis of irradiated bitumens containing bubbles led to the validation of the ultrasonic method. Thanks to numerical modelisation, a first estimation of bubble void fraction was obtained thanks to ultrasonic data.


In the framework of this PhD thesis, many items will be adressed :


-Continuing ultrasound studies on non irradiated bitumen and bitumen containing salts. This is a major challenge, given the density and heterogeneity of the materials in question. It will be necessary to adapt the associated techniques and test benches.


-Designing an experimental bench with ultrasonic probes for operation under gamma irradiation. The aim is to be able to follow bubble nucleation on-line, as well as the evolution of gas volume. The bench will first be designed and validated without irradiation in Montpellier, then implemented under irradiation at the IRMA facility in Saclay.


-Further modeling of the interaction between ultrasound and bubbles : from the beginning of the thesis, applying these models to measurements already carried out as part of the ARISE project.


- Studying post-irradiation bubble rise dynamics in bitumen up to 150°C.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

166 I2S - Information, Structures, Systèmes

Tout profil (M2 / Ingénieur) à large spectre de compétences en physique sera étudié. Par exemple : Formation générale dans le domaine de la physique, des matériaux, de la mécanique, de l'ingénierie nucléaire, du CND… Des connaissances en CND par ultrasons seront appréciées. Il/elle devra par ailleurs avoir à la fois un goût (et des aptitudes) pour les approches expérimentales et théoriques pour mener de front l'aspect mise au point d'un banc expérimental en milieu hostile (irradiation, T°) et l'aspect modélisation de l'interaction ondes ultrasonores/bulles.
Any profile (M2 / Engineer) with a broad spectrum of physics skills will be considered. For example : general training in physics, materials, mechanics, nuclear engineering, NDT... Knowledge of ultrasonic NDT will be appreciated. He/she should also have aptitudes for both experimental and theoretical approaches, in order to be able to carry out both the aspect of setting up an experimental bench in a hostile environment (irradiation, T°) and the aspect of modeling the interaction between ultrasonic waves and bubbles.