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Les dispositifs de stockage envisagés pour les déchets nucléaires de haute activité font intervenir une barrière ouvragée argileuse (smectites) ainsi que des conteneurs métalliques (fer). La diffraction des rayons X, la spectrométrie infrarouge et la microscopie électronique à transmission (pour l'analyse chimique et l'état d'oxydation du fer) permettent de déterminer l'évolution du système fer métal/smectites dans un milieu hydraté à 80°C. Le taux de déstabilisation des smectites en présence de fer métal varie de 0 à 100% en fonction des paramètres structuraux de la smectite (composition chimique, espace interfoliaire, quantité de fer octaédrique). La déstabilisation de la smectite et du fer métal génère de la magnétite ainsi qu'une phase gel à l'intérieur de laquelle cristallise une nouvelle phase argileuse très riche en fer. Cette phase montre deux degrés d'oxydation, avec un rapport fer(II)/fer(III) 20/80 (phase proche des odinites) ou 50/50 (phase proche des cronstedtites).

Cette thèse porte sur l'étude du comportement hydromécanique des déchets biodégradables à deux échelles : au laboratoire et dans les sites de stockage. Après une introduction sur les Installations de Stockage et le traitement final des déchets(Chapt.1), les paramètres physiques, mécaniques et hydrauliques sont définis par analogie avec les milieux granulaires(Chapt.2).Les recherches présentées se rapportent d'une part aux propriétés de transfert et d'autre part aux propriétés mécaniques d'un déchet biodégradable. Des essais originaux de compression-perméabilité au gaz ont été réalisés sur des déchets jeunes et des déchets biodégradés au laboratoire dans le but de mesurer l'évolution de la conductivité au gaz en fonction du tassement et du degré de saturation en lixiviat (Chapt.3). Ces essais permettent de valider le modèle de double porosité proposé par Stoltz (Thèse 2009) (Chapt.4). Dans un deuxième temps, on s'intéresse aux propriétés mécaniques : une nouvelle version du logiciel ISPM est proposée, il s'agit d'un outil de modélisation destiné à la prévision du tassement des déchets -Olivier (Thèse 2003). Ce nouveau modèle appliqué à l'étude du tassement de deux alvéoles en service , a permis par méthode inverse de déterminer le coefficient de compressibilité secondaire de ces déchets (Chapt.5). Enfin, la résistance au cisaillement de déchets biodégradables issus de forages est caractérisée en fonction de différents paramètres d'état (Chapt.6) et ces valeurs sont utilisées pour un calcul de stabilité sur site.

La sorption de CO2 et de CH4 dans des charbons a été caractérisée au laboratoire afin d'étudier la faisabilité du stockage géologique de CO2 dans les veines de charbon. La diffusion et la sorption de CO2 et de CH4 sur des charbons du bassin de Lorraine et du bassin de Gardanne ont été étudiées par une méthode gravimétrique jusqu'à une pression de 5 MPa et pour des températures variant de 283 à 333 K. La cinétique de sorption dépend du gaz utilisé, de la granulométrie, de la pression en gaz et de la température. Elle peut être représentée par un modèle unipore basé sur la loi de Fick. Le coefficient de diffusion de CO2 dans le charbon est supérieur à celui du CH4 et est d'environ 10–12 m2 s–1, valeur de diffusion assez faible. A l'équilibre, la température, la pression, le gaz utilisé, la composition des charbons et la teneur en eau sont des paramètres qui influencent la capacité de sorption sur les charbons. Le charbon du bassin de Lorraine possède une plus grande capacité de sorption de CO2 (1,6 mmol g–1, soit ~ 36 m3 t–1) que celle du charbon du bassin de Gardanne. Le modèle de Dubinin-Astakhov basé sur un remplissage volumique des pores, rend mieux compte de la sorption de CO2 et CH4 que les modèles de Dubinin-Radushkevich et de Langmuir. Par ailleurs, les mécanismes de sorption de l'eau sur le charbon ont été mis en évidence, permettant de mieux interpréter l'influence de l'eau sur la capacité de sorption des gaz. A partir de l'ensemble des résultats, une évaluation des possibilités de stockage est discutée. Il en ressort la nécessité d'études complémentaires dans le but d'améliorer la perméabilité de la veine à l'échelle du site de stockage pour permettre une meilleure injectivité du gaz / The CO2 and CH4 sorption onto coals has been characterized in laboratory in order to study the feasibility of CO2 geological storage in coal seams. The diffusion and sorption of CO2 and CH4 on coals of Lorraine and Gardanne basins have been performed from a gravimetric method until a pressure of 5 MPa and for temperatures from 283 to 333 K. The kinetics of sorption depends on the nature of gas, the grain size of coal, the gas pressure and the temperature. It can be represented by a unipore model based on Fick's law. The CO2 diffusion coefficient on coal is higher than that of CH4 and is about 10–12 m2 s–1. At equilibrium, the temperature, pressure, nature of gas, composition of coal and water content are parameters that influence the sorption capacity of coals. The coal of Lorraine basin has a greater capacity for sorption of CO2 (1.6 mmol g–1, ~ 36 m3 t–1) than that of coal of Gardanne basin. The model of Dubinin-Astakhov based on a pore volume filling, has a best fit of sorption data that Dubinin-Radushkevich and Langmuir models. Finally, the different mechanisms of water sorption on coal have been identified and can better interpret the influence of moisture on the gas sorption capacity. From all results, an assessment of capacity storage is discussed. This indicates the need for further studies in order to improve the permeability of the coal seams across the storage site for better gas injectivity

It is increasingly being recognized that the soil microbes can mineralize recalcitrant soil organic matter (SOM) by using the fresh carbon (C) as a source of energy, a process called priming effect (PE). It has been shown mostly in lab incubations that PE can have important consequences for sequestration of organic C in soils. However, the importance of PE in C and N dynamics of ecosystems remains little known. The soil-plant interactions and rhizospheric processes can modulate the rates of PE and its consequences on C and N dynamics in an ecosystem. The objective of this thesis was to determine the role of PE in the C and N dynamics of permanent grasslands and the modulation of this role in response to management (plant clipping, fertilization) and global warming. Moreover, it was aimed to identify the microbial groups involved in PE and to unravel the way, e.g. absorption of N, root exudations and litter deposition, by which plant can induce PE. The thesis was based on a new approach allowing continuous dual labelling of multiple grassland plants with 13C- and 14C-CO2. The dual labelling permitted the separation of soil-derived CO2 from plant-derived CO2, the calculation of PE and the determination of mean age of soil-derived CO2-C. Moreover, phospholipids fatty-acids analysis (PLFA) permitted to correlate the variation of PE with changes in microbial community composition. Our work showed that the increased SOM mineralization under grasses was consistently two to three times more than that in bare soils (i.e. PE) over long term (511 days). This reveals that the PE plays key role in ecosystem CO2-C flux and indicates that a very large pool of SOM is under the control of PE. Moreover, we report that 15,000 years old organic C from an undisturbed deep soil can be mineralized after the supply of fresh C by living plants to soil microbes. This result supports the idea that the SOM in deep soils is stable due to the energy-limitation of microbes and the ‘inert' pool of organic C defined in current models is not so ‘inert' finally. The supply of N in soil-plant system through the use of fertilizer or legume decreased the PE suggesting that the C storage in soils is limited by nutrient supply. Similarly, plant clipping reduced the plant N uptake thereby PE. Collectively these results suggest synchronization between plant N uptake and SOM mineralization supporting the idea that soils under permanent plant cover function as a bank of nutrients for the plant, maximizing plant productivity and nutrient retention. An innovative method clearly showed that the root exudation is the major way by which grassland plants induce PE. Moreover, saprophytic fungi are suggested as the key actors in the mineralization of recalcitrant SOM & PE. Lastly, we developed a new theory on temperature response of SOM mineralization by taking into account the energy-limitation of microbes and the temperature-dependent inactivation of enzymes. This theory predicts a negative relationship between temperature and mineralization of recalcitrant SOM, which was supported by experimental results. This finding challenges the classical paradigm of positive relationship between temperature and recalcitrant SOM mineralization. Overall, these investigations on plant-soil systems reinforce the idea that PE and underlying mechanisms play a key role in ecosystem C and N dynamics and even suggest that this role was underestimated in lab experiments. / It is increasingly being recognized that the soil microbes can mineralize recalcitrant soil organic matter (SOM) by using the fresh carbon (C) as a source of energy, a process called priming effect (PE). It has been shown mostly in lab incubations that PE can have important consequences for sequestration of organic C in soils. However, the importance of PE in C and N dynamics of ecosystems remains little known. The soil-plant interactions and rhizospheric processes can modulate the rates of PE and its consequences on C and N dynamics in an ecosystem. The objective of this thesis was to determine the role of PE in the C and N dynamics of permanent grasslands and the modulation of this role in response to management (plant clipping, fertilization) and global warming. Moreover, it was aimed to identify the microbial groups involved in PE and to unravel the way, e.g. absorption of N, root exudations and litter deposition, by which plant can induce PE. The thesis was based on a new approach allowing continuous dual labelling of multiple grassland plants with 13C- and 14C-CO2. The dual labelling permitted the separation of soil-derived CO2 from plant-derived CO2, the calculation of PE and the determination of mean age of soil-derived CO2-C. Moreover, phospholipids fatty-acids analysis (PLFA) permitted to correlate the variation of PE with changes in microbial community composition. Our work showed that the increased SOM mineralization under grasses was consistently two to three times more than that in bare soils (i.e. PE) over long term (511 days). This reveals that the PE plays key role in ecosystem CO2-C flux and indicates that a very large pool of SOM is under the control of PE. Moreover, we report that 15,000 years old organic C from an undisturbed deep soil can be mineralized after the supply of fresh C by living plants to soil microbes. This result supports the idea that the SOM in deep soils is stable due to the energy-limitation of microbes and the ‘inert' pool of organic C defined in current models is not so ‘inert' finally. The supply of N in soil-plant system through the use of fertilizer or legume decreased the PE suggesting that the C storage in soils is limited by nutrient supply. Similarly, plant clipping reduced the plant N uptake thereby PE. Collectively these results suggest synchronization between plant N uptake and SOM mineralization supporting the idea that soils under permanent plant cover function as a bank of nutrients for the plant, maximizing plant productivity and nutrient retention. An innovative method clearly showed that the root exudation is the major way by which grassland plants induce PE. Moreover, saprophytic fungi are suggested as the key actors in the mineralization of recalcitrant SOM & PE. Lastly, we developed a new theory on temperature response of SOM mineralization by taking into account the energy-limitation of microbes and the temperature-dependent inactivation of enzymes. This theory predicts a negative relationship between temperature and mineralization of recalcitrant SOM, which was supported by experimental results. This finding challenges the classical paradigm of positive relationship between temperature and recalcitrant SOM mineralization. Overall, these investigations on plant-soil systems reinforce the idea that PE and underlying mechanisms play a key role in ecosystem C and N dynamics and even suggest that this role was underestimated in lab experiments.

Un modèle de transport réactif est proposé pour simuler la réactivité des matériaux à base de ciment en contact avec une saumure saturée en CO2 et/ou le CO2 supercritique (CO2sc) dans les conditions de stockage géologique du CO2. Un code a été développé pour résoudre simultanément le transport et la chimie par une approche globale couplée, compte tenu de l'effet de la température et de la pression. La variabilité des propriétés du CO2sc avec la pression et la température, telles que la solubilité dans l'eau, la densité et la viscosité sont pris en compte. On suppose que tous les processus chimiques sont en équilibre thermodynamique. Les réactions de dissolution et de précipitation de la portlandite (CH) et de calcite (CC) sont décrites par des lois d'action de masse et des seuils de produit d'activité ioniques. Une cinétique de dissolution de CH est introduite pour faciliter la convergence numérique. La définition d'une variable principale permet de capturer la précipitation et la dissolution des phases solides à base de calcium. Une généralisation de la loi d'action de masse est développée et appliquée aux silicates de calcium hydratés (CSH) pour tenir compte de la variation continue (diminution) du rapport Ca/Si au cours de la dissolution des CSH. Les variations de porosité et de la microstructure induites par les réactions de précipitation et de dissolution sont également prises en compte. Le couplage entre le transport et la chimie est modélisé par cinq équations de bilan de masse écrites pour chaque atome (Ca, Si, C, K, Cl), ainsi que par une équation de conservation de la masse totale et celle de la charge électrique. Les lois de Darcy et de Nernst-Planck sont utilisées pour décrire le transport de masse et d'ions. Les propriétés de transport dépendent du degré de saturation et de la porosité. Le modèle est implémenté dans le code de volumes finis, Bil. Les principes de cette méthode et l'approche de modélisation sont discutés et illustrés sur un exemple simple. Ce modèle est en mesure de simuler les processus de carbonatation des matériaux à base de ciment, dans des conditions à la fois saturés et insaturés, dans une large plage de concentration de CO2, de température et de pression. Plusieurs expériences, rapportées dans la littérature, sont simulées en utilisant divers types de conditions aux limites: (i) solutions saturées ou non en CO2 et carbonate de calcium, (ii) gas supercritique de CO2. Les prédictions sont comparées avec les observations expérimentales. Certains phénomènes observés expérimentalement peuvent être également expliqués par le modèle / A reactive transport model is proposed to simulate the reactivity of cement based material in contact with CO2-saturated brine and supercritical CO2 (scCO2) under CO2 geological storage conditions. This code is developed to solve simultaneously transport and chemistry by a global coupled approach, considering the effect of temperature and pressure. The variability of scCO2 properties with pressure and temperature, such as solubility in water, density and viscosity are taken into account. It is assumed that all chemical processes are in thermodynamical equilibrium. Dissolution and precipitation reactions for portlandite (CH) and calcite (CC) are described by mass action laws and threshold of ion activity products in order to account for complete dissolved minerals. A chemical kinetics for the dissolution and precipitation of CH and CC is introduced to facilitate numerical convergence. One properly chosen variable is able to capture the precipitation and dissolution of the relevant phase. A generalization of the mass action law is developed and applied to calcium silicate hydrates (C-S-H) to take into account the continuous variation (decrease) of the Ca/Si ratio during the dissolution reaction of C-S-H. The changes in porosity and microstructure induced by the precipitation and dissolution reactions are also taken into account. Couplings between transport equations and chemical reactions are treated thanks to five mass balance equations written for each atom (Ca, Si, C, K, Cl) as well as one equation for charge balance and one for the total mass. Ion transport is described by using the Nernst-Plank equation as well as advection, while gas and liquid mass flows are governed by advection. Effect of the microstructure and saturation change during carbonation to transport properties is also considered. The model is implemented within a finite-volume code, Bil. Principles of this method and modeling approach are discussed and illustrated with the help of a simple example. This model, with all the efforts above, is able to simulate the carbonation processes for cement based materials, at both saturated and unsaturated conditions, in a wide CO2 concentration, temperature and pressure range. Several sets of experiments, including sandstone-like conditions, limestone-like conditions, supercritical CO2 boundary and unsaturated conditions reported in the literature are simulated. Good predictions are provided by the code when compared with experimental observations. Some experimental observed phenomena are also explained by the model in terms of calcite precipitation front, CH dissolution front, porosity profile, etc

Ces travaux portent sur l’étude du transfert de l’arôme viennoiserie encapsulé dans une matrice constituée du mélange gomme acacia – maltodextrines et incorporé dans une génoise emballée (plastiques et papier), dans des conditions contrôlées de stockage (humidité relative et température). Le procédé d’encapsulation utilisé dans cette étude est la lyophilisation. Les propriétés physicochimiques des molécules volatiles influencent leur rétention. Ainsi, les molécules hydrophobes à haut poids moléculaire sont mieux conservées dans ce système. L’incorporation de capsules d’arômes dans les génoises influence leurs propriétés physiques (la couleur et la texture) et favorise la formation d’une croûte pouvant jouer un rôle barrière sur les transferts d’arômes. Au cours du stockage des génoises emballées, l’apport positif de l’encapsulation sur la rétention des arômes a été révélé. Le type d’emballage peut influencer la perte en composés d’arôme dans l’espace de tête génoise – emballage. Ainsi, les emballages plastiques offrent une meilleure conservation des molécules volatiles par rapport aux papiers traités / This study deals with transfer of viennoiserie aroma encapsulated in a acacia gum - maltodextrines matrix and incorporated in a packaged sponge cake (plastic and treated-paper), under controlled storage conditions (temperature and relative humidity). The process of encapsulation used in this work is freeze-drying. The physicochemical properties of the volatiles molecules influence their retention in the matrix. Thus, the hydrophobic molecules with high molecular weight are more retained. The incorporation of capsules in the sponge cake matrix influences the physical properties of food matrix (color and texture) and supports the formation of a crust which acts as a barrier in the flavour transfer. It was noted that encapsulation contributed in retaining flavour compounds during the storage of packaged sponge cake. Also, the type of packaging can influence the loss of flavour in the headspace between sponge cake and packaging. Indeed, plastic packaging offers a better conservation of volatiles molecules compared to treated-papers

Plusieurs verrous scientifiques et technologiques empêchent aujourd’hui de développer une technique et/ou un matériau qui permette de stocker une quantité importante d’hydrogène à pression et température ambiante dans un volume et un poids acceptable pour des applications embarquées. Une possible solution consiste à synthétiser des matériaux hybrides (matériaux poreux/métaux ou alliages) où les processus d’adsorption et d’absorption pourraient coopérer pour obtenir une capacité de stockage d’hydrogène en adéquation avec les besoins des applications. Notre travail a consisté à identifier et caractériser différents matériaux poreux ayant une organisation de pores bien définie et une taille de l’ordre de quelques nanomètres. Parmi eux, ont été choisis : une réplique de carbone (CT) et un réseau organométallique (MOF-5). De plus, plusieurs métaux nobles (Ni, Pd et Pt) ont été choisis pour leur facilité à dissocier l’hydrogène et à former des alliages (Pd-Ni) avec différentes compositions en milieu aqueux (oxydant). Une méthode d’imprégnation par voie chimique ainsi que le broyage mécanique ont été utilisés pour la synthèse des hybrides. L’étude des propriétés structurales, texturales et thermodynamiques (hydrogénation) des composites CT/Pd a montré qu’un effet coopératif existe entre les pores du CT et les nanoparticules métalliques pendant le processus d’ad/absorption d’hydrogène. Cette interaction entraîne une amélioration de la capacité d’hydrogénation par rapport à chacun des constituants de l’hybride. / Nowadays many technological and scientific constraints have limited the finding of a suitable system and/or material able to reversibly store hydrogen at room temperature and ambient pressure for automotive application. An interesting way to overcome such limits could be the synthesis of hybrid materials (porous materials/metals or alloys composites) for which the adsorption and absorption processes can be combined in order to get higher hydrogen storage capacity. In this work, several porous materials displaying a well defined nanometric pore structure have been investigated. Among them a carbon template (CT) and a metal organic framework (MOF-5) have been chosen. In addition, several noble metals (Ni, Pd and Pt) have been used due to their ability to dissociate hydrogen and to form alloys. Two synthesis routes have been followed in order to synthesize hybrid composites: metal salts infiltration and mechanical grinding. In particular, the investigation of the structural, textural and hydrogen storage properties of the CT/metal composites has proven that a synergic mechanism between the CT pores and the metallic nanoparticles takes place during the hydrogen ad/absorption process. This interaction leads to an enhancement of the hydrogen storage capacity of each hybrid component taken separately.

L'objectif de ce travail de thèse est de participer à l'élaboration de nanocristaux (NCs) de germanium et de mettre en évidence certaines propriétés de structures Si(n)/SiO2 contenant ces NCs non recouverts sur leur surface par l'utilisation de la technique nano-EBIC (courant induit par bombardement électronique et collecté par un nano-contact). La particularité de cette technique basée le même principe que l'EBIC classique est l'utilisation d'une pointe AFM conductrice à la place de l'électrode standard. Nous avons particulièrement ciblé le comportement d'un NC (ou d'un nombre très réduit de NCs) à piéger et émettre des porteurs de charge suite à un bombardement électronique non continu. La structure contenant les NCs peut être polarisée sous une tension nulle (alignement des niveaux de Fermi) ou sous une tension faible. Suite à cette procédure, des durées de charge ont été mesurées et les valeurs se trouvent dépendre de la taille moyenne des NCs. En effet, le processus de charge est plus long dans un NC de petite taille du fait de sa faible efficacité de stockage. D'un autre côté, le courant collecté présente une valeur de saturation plus élevée dans le cas des petits NCs. Ces deux effets (durée élevée et courant de saturation élevé dans les petits NCs) ont été expliqués par l'abaissement de la barrière d'énergie au niveau du contact pointe/NC qui résulte de l'élargissement du gap du NC et de l'augmentation du champ électrique dans la couche d'oxyde et dans la zone de désertion du substrat de silicium sous une tension de polarisation donnée. Enfin, la procédure, par son originalité, a aussi permis d'accéder à la résistivité électrique de la couche d'oxyde mince (5 nm). / The objective of this work is to contribute to the production of germanium nanocrystals (NCs) and to highlight some electronic properties of Si(n)/SiO2 structures containing those uncovered NCs on top thanks to the nano-EBIC technique (electron beam induced current collected by a nano-contact). The distinctive feature of this technique based on classic EBIC is the use of an AFM conducting probe instead of the standard electrode. Our study focuses on the capability of a single NC (or a few number of NCs) to trap and to release charge carriers as a result of a non-continuous electronic irradiation. The structure containing NCs can be connected to the ground (ensuring the Fermi levels alignment) or polarized under a low voltage. With this procedure, carriers charging times had been measured and their values depend on the mean diameter of the NCs. Indeed, the charging process takes more time in small NCs due to their weak storage efficiency. Nonetheless, the collected current reaches a higher saturation value in small NCs. Both of these effects (large charging time and high saturation current for small NCs) are explained by the lowering of the energy barrier at the AFM-tip/NCs contact, which results from the widening band-gap of NCs and the increase of the electric field across the oxide and in the Si depletion zone at a given bias voltage for small NCs. At last, this novel procedure allows measuring the electric resistivity of the 5 nanometers thin oxide.

Le stockage géologique du carbone dans les veines de charbon est une solution transitoire pour lutter contre le réchauffement climatique. La faisabilité de ce stockage à un coût abordable reste incertaine, en particulier parce que l'injection de dioxide de carbone dans les veines de charbon est lente. Les projets pilotes ont montré que la perméabilité du réservoir diminue lors de l'injection, suite au gonflement du charbon induit par l'adsorption préférentielle du dioxyde de carbone par rapport au méthane présent naturellement. Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude de ce gonflement. Un premier travail théorique a consisté à étendre les équations constitutives de poromécanique classique dans les cas où l'adsorption sur des surfaces ou dans des micropores devient significative. Nous avons montré que le comportement poromécanique du solide ne peut être compris que si la dépendance de l'adsorption en fonction de la déformation du milieu poreux est connue. Le couplage entre adsorption et déformation est peu étudié dans la littérature et difficile à mesurer expérimentalement. Dans ce travail, nous avons utilisé la simulation moléculaire qui permet facilement de contrôler indépendamment la pression du fluide adsorbé et la déformation du milieu poreux. A l'aide de simulations moléculaires d'adsorption dans des systèmes modèles unidimensionnels, nous avons validé les nouvelles équations consitutives. Nous avons montré également que l'adsorption peut dépendre de la déformation de façon complexe et qu'elle est très sensible à la structure des micropores. Les résultats de simulations moléculaires d'adsorption dans un modèle moléculaire réaliste de la matrice organique du charbon nous ont permis de montrer que le gonflement du charbon en présence de fluide peut être expliqué par l'adsorption dans les micropores, mais pas dans les mésopores. Nous avons étudié numériquement le couplage entre adsorption et déformation dans le charbon. Le gonflement estimé en associant les simulations moléculaires d'adsorption aux nouvelles équations constitutives de poromécaniques est en bon accord avec les mesures expérimentales. De même, nous avons simulé l'adsorption de mélanges de dioxide de carbone et de méthane dans le charbon à des températures et pressions représentatives des conditions souterraines. Le résultat de ces simulations a permis d'estimer le gonflement différentiel durant l'injection de carbone pour des veines de charbon à différentes profondeurs. / Pas de résumé en anglais