Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR CGS µLab, qui vise à appréhender lesmécanismes fondamentaux impliqués dans les procédés de stockage profond du CO2 à partir des laboratoiresgéologiques sur puce (GLoCs – geological labs on chip) pour reproduire les conditions depression et de température des milieux géologiques profonds. Au-delà de la compréhension expérimentale,l’apport des techniques de modélisations numériques apparaît essentiel afin de définir des modèlespermettant de prévoir notamment les capacités maximales de stockage à partir des caractéristiques duréservoir (porosité, perméabilité, température, pression, géochimie), et du procédé d’injection (débit,composition). Dans ce contexte, ce travail a principalement deux objectifs : (i) associer l’imagerie expérimentaleet la modélisation numérique pour simuler des écoulements non réactifs dans des GLoCset (ii) suivre expérimentalement les évolutions structurelles d’un milieu poreux 3D soumis à un écoulementréactif. Notre démarche comporte deux parties pour répondre à ces objectifs. Dans la premièrepartie, nous avons effectué la modélisation 3D des perméabilités des GLoCs par la prise de moyennevolumique. Pour ce faire, nous avons d’abord vérifié le comportement darcéen d’un GLoC en fonctionde son nombre de rangs de plots en étudiant un problème de diffusion sur un maillage emboîté quenous avons implémenté à partir d’une image binaire du GLoC pour réduire le temps de calcul. Puis,nous avons mis à jour notre code de perméabilité, qui résout le problème de fermeture de l’écoulement,en calculant analytiquement en 3D le critère de stabilité qui prend en compte l’anisotropie dela géométrie des GLoCs. Nous avons ensuite traité les images numériques 2D des GLoCs avant deprocéder à la génération de leurs volumes élémentaires représentatifs (VERs) 3D. Nous avons enfinsimulé les perméabilités des GLoCs avant de les confronter aux résultats expérimentaux et à ceuxobtenus avec le logiciel PHOENICS. Dans la deuxième partie, nous avons développé un montage expérimentalpermettant de recréer des milieux poreux réactifs en 3D au sein d’un canal microfluidique(lit fixe de microparticules de carbonates de calcium – CaCO3). Grâce à la laminographie X de la ligneID19 de l’ESRF, nous avons pu observer sur des coupes d’image 2D reconstruites les phénomènes dedissolution lors de l’injection successive de volumes constants de solution hors équilibre. Cette preuvede concept a ouvert de nouvelles perspectives d’utilisation de cette méthodologie pour acquérir desdonnées cinétiques sur des phénomènes de fronts réactifs dans les poreux. / This thesis work is included within the ANR CGS µLab projet, which aims to understand thefundamental mechanisms involved in the deep storage processes of CO2 from on-chip geological laboratories(GLoCs - geological labs on chip) to reproduce the pressure and temperature conditionsof deep geological environments. Besides experimental understanding, the contribution of numericalmodeling approaches appears essential in order to define models allowing to predict in particularthe maximum storage capacities based on the characteristics of the reservoirs (porosity, permeability,temperature, pressure, geochemistry), and the injection process (flow rate, composition). In thiscontext, this work has two main goals : (i) to associate experimental imaging and numerical modelingto simulate non-reactive flows in model porous media on chip ; and (ii) to follow experimentally thestructural evolution of a 3D porous medium undergoing a reactive flow. In order to address to thesegoals, the approach we have proposed is divided into two parts. In the first part, we carried out the3D modeling of the permeabilities of GLoCs by taking volume averaging. To do this, we first verifiedthe behavior of a GLoC according to its number of plots rows by studying a diffusion problem ona nested mesh that we have implemented from a GLoC binary image to reduce computation time.Then, we updated our permeability code, which solves the closure problem of flow, by analyticallycalculating in 3D the stability criterion that takes into account the anisotropy of GLoC geometry. Wethen processed the 2D digital images of the GLoCs before proceeding with the generation of their3D representative elementary volumes. Finally, we have simulated the permeabilities of GLoCs beforecomparing them with the experimental results and those obtained with the PHOENICS software. In asecond part, we have developed an experimental set-up to recreate 3D reactive porous media within amicrofluidic channel (fixed packed bed of calcium carbonate - CaCO3 microparticles). Using the X-raylaminography of the ESRF line ID19, we have observed on reconstructed 2D images the dissolutionphenomena occurring during the successive injection of constant volumes of non-equilibrium solution.This proof of concept has opened new possibilities for using this methodology to acquire kinetic dataon reactive front phenomena in porous media.

L’objectif de ce travail de thèse est d’établir les relations entre les propriétés structurales et les conditions d’élaboration d’un vitrifiat de déchets amiantés (nom commercial Cofalit®), dans la perspective de fabriquer un prototype de module de stockage thermique d’énergie solaire. Malgré des provenances de déchets très diverses, les variations de compositions du vitrifiat restent limitées. Les conditions d’élaboration (de refroidissement en particulier) induisent par contre d’importantes disparités dans la microstructure. L’analyse d’une carotte de Cofalit nous a permis de déterminer les mécanismes de cristallisation lors de la fabrication du Cofalit (refroidissement non contrôlé), conduisant à un mélange de phases cristallisées et vitreuse. Nous avons étudié les propriétés structurales (par DRX et RMN) et de cristallisation d’échantillons modèles représentatifs du matériau industriel. Les variations de composition observées sur celui-ci ont été simulées par des ajouts de silice ou de chaux. L’influence de la teneur en fer sur les propriétés radiatives, structurales (verres et céramiques) et de cristallisation a également été quantifiée. Le suivi de la cristallisation séquentielle des céramiques a été effectué par DRX in situ à haute température, à partir de l’état vitreux et à partir de l’état liquide lors du refroidissement. Ces essais ont montré que le Cofalit cristallise complètement pour des vitesses de refroidissement inférieures à 10 K/min. La stabilité du Cofalit (au niveau structural) lors de recuits à hautes températures a également été démontrée. / The aim of this work is to establish relationships between structural properties and production conditions of a vitrified asbestos-containing wastes ceramics (commercially named Cofalit®), with the goal of elaborating a prototype for thermal energy storage of solar energy. Despite various waste sources, the variations of composition observed for this material are limited. On the contrary, the production conditions (cooling stage in particular) induce important differences in the material microstructure. The analysis of a Cofalit core sample allowed us to determine the crystallisation mechanisms during its fabrication process (uncontrolled cooling), leading to a mixture of vitreous and crystalline phases. We propose a structural study (by XRD and NMR) and crystallization properties analyses of synthetic samples, representative of the industrial material. Observed variations of composition on the latter are simulated by additions of silica and lime. The influence of iron oxide content on radiative, structural and crystallization properties (of both glass and ceramic samples) have also been investigated. The following of the sequential crystallisation of ceramic samples has finally been performed using in situ high temperature XRD, from glassy state and during cooling from liquid state. These tests show that the Cofalit crystallizes completely for rates lower than 10 K/min. The high temperature stability on a structural level has also been demonstrated during annealings.

Le réchauffement climatique dû à l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre constitue l’une des problématiques majeures actuelles. Dans ce contexte, le stockage du CO2 dans des réservoirs géologiques se présente comme un moyen susceptible de limiter les conséquences de ces émissions sur l’environnement. Pour des raisons sécuritaires, cette méthode de gestion nécessite une surveillance continue des réservoirs de stockage à l’aide de capteur IR pouvant descendre dans les puits. L’application de cette technologie nécessite également de connaître le comportement du CO2 lors des différentes étapes de stockage, notamment lorsqu’il est dans son état supercritique. C’est pourquoi la microfluidique est actuellement utilisée afin de simuler et comprendre les phénomènes liés à l’injection et au stockage du CO2 sous forme supercritique. La mise en œuvre d’une telle approche requiert : (i) le développement de nouvelles solutions compactes pour la surveillance in situ des réservoirs en continu pour sécuriser les sites de stockage et; (ii) la bonne compréhension du comportement du CO2 lors des différentes étapes de stockage.Le premier axe de recherche consiste à synthétiser des matériaux vitreux afin d’optimiser l’efficacité d’un capteur optique de CO2 pour la surveillance des sites de stockage en aquifère salin et susceptible de détecter d’autres gaz, tels le méthane ou le monoxyde de carbone. Le capteur doit pouvoir être déployé en profondeur et capable de détecter des concentrations inférieures à 1000 ppmv pour repérer rapidement d’éventuelles fuites. Les verres de chalcogénures dopés avec des ions de terres rares spécifiques, peuvent produire une luminescence qui peut ensuite être utilisée pour détecter les signatures infrarouges de toutes les molécules possédant des bandes d'absorption dans la région spectrale 3-5 µm. Les compositions vitreuses Ga5Ge20Sb10(Se,S)65 (%mol.) dopées Pr3+ et Dy3+ ont été développées en vue de réaliser un capteur environnemental de CO2. Le potentiel de ces matériaux pour la multidétection de gaz (CO2, CH4 et CO) a également été exploré.Les systèmes microfluidiques HP/HT actuels ne permettent pas de coupler simultanément la spectroscopie infrarouge et Raman à ces dispositifs. Ce problème est dû à l’utilisation du verre Pyrex associé au wafer de silicium pour la fabrication des microréacteurs. C’est pourquoi le deuxième axe de recherche développé au cours de cette thèse vise à explorer différents systèmes vitreux pour trouver une alternative au Pyrex. Le verre en question doit présenter le meilleur compromis entre les propriétés optiques, thermomécaniques et électriques visées. Ainsi, des verres à base de GeO2 ont été développés pour répondre aux spécifications attendues, telle que le procédé de collage anodique utilisé pour fixer le verre au wafer de silicium. La composition vitreuse retenue pour les tests est 70GeO2-15Al2O3-10La2O3-5Na2O (%mol.). / Global warming due to the increase of greenhouse gas emissions is one of the main current challenges. In this context, the CO2 storage in geological reservoirs appears as a likely way to limit the consequences of these emissions on the environment. For safety reasons, this management method requires continuous monitoring of the storage tanks by using IR sensors who can go down into the wells. The application of this technology also requires to know the CO2 behavior during various storage steps, in particular when it is in its supercritical state. This is why microfluidics is currently used to simulate and understand the phenomena related to the injection and storage of CO2 in supercritical form. The implementation of such approach requires: (i) the development of novel compact solutions for in situ continuous gas monitoring to secure the storage site and; (ii) a better understanding of the CO2 behavior during the different storage steps.The first research axis of this thesis has consisted in developing vitreous active materials to increase the efficiency of optical CO2 sensor (and eventually other gas like CH4 or CO) for their continuous monitoring in saline aquifer storage sites. This sensor must be able to be deployed in depth and be sensitive to CO2 concentrations below 1000 ppmv to quickly identify any leak. Chalcogenide glasses doped with specific rare earth ions may provide broadband luminescence that can be used to detect infrared signatures of all molecules whose absorption bands are located in the 3-5 µm spectral region. Glass compositions Ga5Ge20Sb10(Se,S)65 (mol.%) doped Pr3+ and Dy3+ have been developed in order to be integrated into a functional environmental CO2 sensor. The multi-sensing gas (CO2, CH4 and CO) potential of these materials has also been investigated.Current HP/HT microfluidic systems do not allow coupling FTIR and Raman spectroscopies. This problem is due to the using of Pyrex glass for the manufacture of these microreactors. That is why the second research axis developed during this thesis has consisted in exploring various vitreous systems to propose an alternative to the Pyrex glass. The target glass had to demonstrate the best compromise between the desired optical, thermomechanical and electrical properties. In this way, glasses based on GeO2 have been developed to meet these specifications, such as the anodic bonding process used to attach the glass on the silicon wafer. The glass composition selected after the completed studies is 70GeO2-15Al2O3-10La2O3-5Na2O (mol.%)

Dans le contexte du stockage profond des déchets radioactifs de haute et moyenne activité à vie longue en France, l’argilite de Bure (Arg) a été choisie comme roche hôte notamment pour ses propriétés de rétention des radionucléides. Or, cette roche argileuse dite du Callovo-Oxfordien (COx) contient naturellement de la matière organique (MO). Le but de cette thèse est d’évaluer l’influence de la MO naturelle mobile sur la rétention sur l’argilite de l’europium, analogue classique des actinides trivalents des déchets vitrifiés. Trois molécules organiques sont étudiées : les acides subérique, sorbique et tiglique, acides organiques de faible poids moléculaire identifiés dans l’eau porale naturelle du COx. Toutes les expériences ont été réalisées dans un milieu simulant l’eau du COx (pH=7,5 ; I=0,1 mol/L ; PCO2 =10^(-2) bar).La caractérisation de notre échantillon d’argilite montre sa conformité avec les études précédentes de la zone d’intérêt et que le pH de 7,5 est incontournable pour ne pas dénaturer la roche. L’étude du système Eu-MO montre que les acides organiques n’ont pas d’influence sur la spéciation de l’europium dans l’eau de COx. L’étude expérimentale de l’interaction Eu-Arg confirme que la rétention se fait par sorption sur l’argilite (CEu<6.10-6mol/L) et précipitation dans l’eau de COx (CEu>6.10^(-6)mol/L). Le coefficient de distribution Rd, qui quantifie la sorption, est de 170 ± 30 L/g, valeur élevée conforme aux valeurs documentées sur des argilites naturelles. Enfin, l’étude du système ternaire Eu-MO-Arg montre une légère augmentation de la rétention de Eu en présence de matière organique. Cet effet synergique est très satisfaisant du point de vue de la sûreté du stockage : la présence de ces petits acides organiques naturels ne remet pas en question les propriétés de rétention de l’argilite vis-à-vis de l’europium et des actinides trivalents. / Bure clay rock (CR) was chosen as host rock for the French high and intermediate level long lived radioactive waste repository. This choice is mostly explained by the retention ability of the Callovo-Oxfordian rock (COx). Bure clay rock contains natural organic matter (OM) that could have an influence on radionuclide retention. The aim of this work is to assess the influence of natural mobile OM on the retention of Eu on clay rock. Eu was chosen as a chemical model for trivalent actinides contained in vitrified waste. Three organic molecules were studied: suberic, sorbic and tiglic acids, small organic acids identified in COx pore water. All the experiments were carried out in an environment recreating COx water (pH=7.5 ; I=0.1 mol/L ; PCO2 =10^(-2) bar).Clay rock sample characterization showed that the sample used in this work was similar to those previously extracted from the area of interest and that it was necessary to maintain pH at 7.5 to avoid altering the clay rock. The Eu-OM system study indicated that organic acids had no influence on Eu speciation in COx water. The Eu-CR system experimental study confirmed that retention implied sorption on CR (CEu<6.10^(-6)mol/L) and precipitation in COx water (CEu>6.10-6mol/L). Distribution coefficient Rd (quantifying sorption) was estimated at 170 ± 30 L/g. This high value is consistent with literature values obtained on clay rocks. The ternary Eu-OM-CR system study showed a slight increase of sorption in the presence of organic matter. This synergistic effect is very satisfactory in terms of storage security: the presence of small organic acids in clay rock does not question retention properties with respect to europium and trivalent actinides.

Ce travail porte sur le développement d’un système de stockage de chaleur en vue d’assurer le confort thermique de l’habitacle d’un véhicule électrique. Ce dispositif, appelé batterie thermique, se présente comme un réservoir composé d’un lit fixe de matériaux à changement de phase (MCP). Ce type de matériau a la propriété d’emmagasiner de fortes quantités de chaleur (latente) sous de faibles volumes, permettant d’envisager un système très compact. A l’échelle du matériau, une investigation sur la cinétique des transferts thermiques au sein de plusieurs MCPs a été évaluée. Une expression phénoménologique décrivant l’évolution temporelle de la température d’un MCP en phase de solidification a été proposée. Elle permet d’estimer la durée de solidification du matériau en fonction de ses caractéristiques géométriques et thermiques. A l’échelle du système, un prototype de batterie thermique a été réalisé et la dynamique des transferts en phase de stockage et déstockage a été étudiée. Les durées de stockage et déstockage suivent des lois de puissance avec le débit imposé ; les pertes de charges s’avèrent insignifiantes. En parallèle, un modèle numérique simulant le comportement dynamique et thermique d’un lit fixe de particules de MCP a été développé et validé sur les données expérimentales. Il pourra être utilisé pour le dimensionnement du futur prototype et servira également d’outil pour optimiser les performances de la batterie en ajustant les paramètres de contrôle / This study focuses on the development of a heat storage system used to ensure passenger compartment thermal comfort in an electric vehicle. This device, called a thermal battery, is a packed bed latent heat tank filled with phase change materials (PCM). This type of material has the property of storing large amounts of latent heat in small volumes, allowing a very compact system. At the material scale, an investigation on heat transfer dynamics within several PCM was studied. A phenomenological expression which depicts the temporal evolution of the PCM temperature for a solidification phase was suggested. This allows the estimation of the material solidification duration in terms of geometric and thermal characteristics. At the system scale, a thermal battery prototype was set up and the thermal transfer dynamics during the charging and discharging phases were studied. The charging and discharging durations are fitted by power laws in terms of the flow rate; the pressure drops are insignificant. Simultaneously, a numerical model which simulates the dynamic and thermal behavior of a PCM particle fixed bed was developed and validated with the experimental data. It can be used for future prototype sizing and will also serve as a tool to optimize the performance of the battery by setting the control parameters

Nos travaux concernent l’étude d’une extension d’un problème d’ordonnancement bien connu sous l’appellation job shop. Nous appelons cette extension le General Flexible Job Shop Scheduling Problem (GFJSSP). Celui-ci se rencontre dans différents types d’ateliers ayant comme caractéristique commune d’être soumis à des contraintes dues à des ressources de transport. Le GFJSSP se caractérise par l’intégration de machines et robots flexibles. Le terme General induit par ailleurs la présence de robots dont la capacité est supposée unitaire dans notre étude, des temps opératoires bornés, et la possibilité de prise en compte d’emplacements de stockage spécifiques. Après avoir défini l’atelier et le problème correspondant à cette extension, nous avons proposé deux modélisations du GFJSSP ainsi défini : une première modélisation mathématique linéaire, et une modélisation graphique, qui correspond à une généralisation du graphe disjonctif couramment utilisé pour les problèmes de job shop. Nous avons ensuite abordé la résolution suivant deux étapes : tout d’abord en nous focalisant sur l’aspect séquencement des tâches de traitement et de transport, pour lequel nous avons élaboré deux méthodes heuristiques (de type Tabou et basée sur une procédure de shifting bottleneck améliorée) ; puis en intégrant dans un deuxième temps la problématique de l’affectation induite par la flexibilité de certaines ressources. Pour cette dernière étape, nous avons combiné les méthodes précédentes avec un algorithme génétique. L’algorithme hybride obtenu nous permet de résoudre des instances de la littérature correspondant à divers cas spécifiques, avec des résultats assez proches des meilleures méthodes dédiées. A termes, il pourrait être intégré dans un système d'aide à la décision général qui s’affranchirait de la phase d’identification préalable du type de job shop considéré, et serait adapté à la résolution de nombreux cas (avec ou sans problème d'affectation, temps de traitement fixes ou bornés, avec ou sans stockage, etc..). / Our work focuses on an extension of the well known job shop scheduling problem. We call this extension the General Flexible Job Shop Scheduling Problem (GFJSSP). It occurs in various kinds of workshops which are particularly constrained by one or several transportation resources (called robots). GFJSSP is characterized by the flexibility of both machines and robots. In the studied problem, the term General involves unitary capacity transportation resources, bounded processing times, and possible input/output buffers for machines. After defining the workshop and the corresponding problem, we proposed two kinds of model for the GFJSSP: a mathematical model, and a graphical one. This last one is a generalization of the disjunctive graph commonly used for job shop problems. We then addressed the resolution in two steps: firstly, by focusing on the sequencing of processing and transportation tasks. For this purpose we have developed two heuristics (Tabu search and an improved shifting bottleneck procedure). Secondly, we have considered the assignment problem involved by the flexibility of some resources. For this last step, we combined the above methods with a genetic algorithm. This hybrid algorithm allowed us to solve various specific cases of instances in the literature, with performance rather close to the best dedicated methods. In the future, it could be integrated within a general decision support system which could emancipate from the initial identification phase of the considered type of job shop, and which would be suitable for solving many cases (with or without assignment problem, fixed or bounded processing times, with or without storage, and so on).

Les réserves limitées de combustibles fossiles et la pollution entrainée par les gaz produits ouvrent la voie à desressources énergétiques renouvelables (RER) alternatives et prometteuses telles que les ressources solaires (RS)et les ressources éoliennes (RE). Ces ressources sont librement disponibles et respectueuses de l'environnement.Cependant, les RER sont de nature intermittente. Par conséquent, il existe un besoin de lissage des fluctuations depuissance en stockant l'énergie pendant les périodes de surproduction pour la restituer au réseau lorsque lademande énergétique devient importante. Les systèmes de stockage de l'énergie (SSE) peuvent alors être utilisésde manière appropriée à cette fin.L'utilisation de plusieurs sources d'énergie et de stockeurs pour construire des systèmes de puissance hybrides(SPH) exige une stratégie de gestion de l'énergie pour atteindre le minimum de coût des SPH et un équilibre entrela production et la consommation de l'énergie. Cette méthode de gestion de l'énergie est un mécanisme pourobtenir une production d'énergie idéale et pour satisfaire convenablement la demande de charge à rendementrelativement élevé.Dans cette thèse, un SPH intégrant production électrique photovoltaïque, éolienne, une micro-turbine à gaz ainsiqu'un système de stockage de l'électricité par le vecteur hydrogène est considéré. Le but de cette hybridation estde construire un système fiable, qui est en mesure de fournir la charge et qui a la capacité de stocker l'énergieexcédentaire sous forme hydrogène et de la réutiliser plus tard. En outre, le problème d'ombrage partiel dePanneaux Photovoltaïques est étudié de manière approfondie. Une nouvelle solution basée sur des interrupteurssimples et un contrôle par logique floue intégré dans une carte électronique dSPACE a été proposée. Unereconfiguration des panneaux photovoltaïques en temps réel et de déconnexion de ceux ombragés est égalementeffectuée en cherchant à minimiser les pertes de puissance. Le couplage thermique entre ces panneauxphotovoltaïques et un électrolyseur à membrane polymère est également étudié, à l'échelle système. Enrécupérant une partie de l'énergie thermique reçue par les panneaux, une amélioration du rendement du systèmehybride PPVELS MEP est réalisée / The limited reserves of fossil fuel and the pollution gases produced pave the way to promising alternativeRenewable Energy Sources (RESs) such as Solar Energy Sources (SESs) and Wind Energy Sources (WESs).SESs and WESs are freely available and environmentally friendly. However, RESs are intermittent in nature.Therefore, the smoothing of power fluctuations by storing the energy during periods of oversupply and restore it tothe grid when demand becomes necessary. Accordingly, Energy Storage Systems (ESSs) can be appropriatelyused for this purpose.Using several energy sources for constructing HPSs alongside with ESS will require an energy managementstrategy to achieve minimum HPS cost and optimal balance between energy generation and energy consumption.This energy management method is a mechanism to achieve an ideal energy production and to conveniently satisfythe load demand at relatively high efficiency.In this thesis, a Hybrid Power System (HPS) including Renewable Energy Sources (RESs) such as main sourcescombined with Gas Micro-Turbine (GMT) and hydrogen storage system such as Back-up Sources (BKUSs) hasbeen presented. The aim of this hybridization is to build a reliable system, which is able to supply the load andhaving the ability to store the excess energy in hydrogen form and reuse it later when demanded. Consequently, thestored energy at the end of each cycle will be zero and a minimum generated power cost is achieved. In addition,partial shading problem of Photovoltaic (PV) panels is comprehensively studied and a new solution based on simpleswitches and Fuzzy Logic Control (FLC) integrated into dSPACE electronic card is created. Consequently, a realtime PV panels reconfiguration and disconnecting shaded ones is performed and minimum power losses isachieved. Then, the PV panels are connected to a Proton Exchange Membrane Electrolyser (PEM ELS). Theemitted temperature by the PV panels is transferred to the endothermic element PEM ELS. Consequently, anefficiency enhancement of the hybrid system PVPEM ELS is realized.

Pendant plusieurs siècles, le sol a été labouré pour contrôler le développement des mauvaises herbes, incorporer des résidus de culture et préparer le sol avant le semis. Après le développement des herbicides la nécessité de labourer a été posée et des systèmes de travail du sol réduit ont été introduits. Ces systèmes de travail du sol réduit ont deux caractéristiques : (i) le sol n'est plus labouré et, (ii) le sol est toujours complètement ou partiellement couvert avec des résidus de culture. Le passage du labour profond au semis-direct (un système de travail du sol réduit) induit des modifications dans la structure du sol et la localisation de la matière organique du sol (MOS) et des résidus de culture. Ceci entraîne des modifications dans le climat du sol (température et humidité) et certaines propriétés biologiques, chimiques et physiques du sol. La combinaison de toutes ces modifications a une influence importante sur les transformations de l'azote et du carbone dans le sol. Les objectifs de notre étude ont été de (i) quantifier les différences des stocks et de flux de carbone et de l'azote entre différents systèmes de travail du sol différenciés depuis 32 années dans un sol limoneux de grande culture du bassin Parisien et, (ii) expliciter les effets du climat du sol, de la structure et des propriétés biologiques et physiques du sol sur les différences de fonctionnement des cycles du carbone et de l'azote du sol. Cette étude a été essentiellement focalisée sur les variables qui ont un impact agronomique ou environnemental : carbone et azote organique du sol, dynamique de l'azote minéral du sol et les émissions de CO2 et N2O. Deux systèmes de travail du sol ont été étudiés : le labour (CT) et le semis-direct (NT). Ces systèmes de travail du sol ont été suivis sur des parcelles en rotation maïs-blé du site expérimental de Boigneville (91) en France. NT présente des stocks de carbone 5 à 15 % plus importants et des stocks d'azote 3 à 10% supérieurs à ceux mesurés pour CT, mais ces différences n'ont pas toujours été statistiquement significatives. Les concentrations de C et N diminuent avec la profondeur en NT alors qu'elles sont distribuées de façon homogène dans la couche labourée en CT. La différence de stock d'azote organique associé aux argiles et limons et la différence de stock d'azote associé à la matière organique particulaire (MOP) ont chacune expliqué 50 % de la différence de stock d'azote total entre les deux systèmes. 66 % de la différence du stock de carbone total du sol ont été explicités par la différence de stock de carbone présent dans la MOP (58 %) et les résidus de culture (8 %). Le carbone et l'azote additionnel dans NT se situe dans des agrégats. Nos résultats suggèrent que les stocks de C et N plus importants pour NT peuvent être attribués à (i) la formation de macroagrégats plus prononcée dans la couche 0-5 cm due à l'activité microbienne et aux stocks de MOS plus importants et, (ii) la meilleure protection de la MOS dans la couche 5-20 cm due à une porosité du sol plus faible et à l'absence de la destruction de la structure du sol par le travail du sol ou le climat. Les modalités de travail du sol n'ont pratiquement pas eu d'influence sur les dynamiques de l'eau et de nitrates dans le profil (0-120 cm) du sol. L'interprétation des données avec le modèle LIXIM a permis de calculer des vitesses de minéralisation comparables pour les 2 systèmes que celles-ci soient calculées avec une échelle de temps exprimée en jours calendaires ou en jours normalisés (à une température et une humidité du sol de référence). Ces résultats montrent que la fourniture d'azote minéral par le sol est similaire dans les différents systèmes de travail du sol étudiés à Boigneville. Par ailleurs, les émissions de N2O ont eu tendance à être plus élevées pour NT que pour CT. Les émissions de CO2 en absence de couvert végétal ont pu être plus importantes pour l'un ou l'autre des systèmes de travail du sol en fonction des conditions climatiques et de la localisation des résidus de culture. Le cumul des quantités de CO2 émis par NT a été significativement plus important que pour CT. Au cours d'une seconde partie du travail, nous avons cherché à montrer si les différences de stocks et de flux de C et N entre les différentes modalités de travail du sol étaient le résultat des modifications des conditions climatiques, de la localisation et des quantités de SOM et résidus de culture ou des propriétés biologiques ou physiques du sol. D'abord, nos résultats ont montré que la minéralisation potentielle du C et N en conditions contrôlées n'a pas été moins importante pour NT comparé à CT. Par ailleurs, la protection physique de la MOS contre la minéralisation du C et N a été évaluée par incubation d'échantillons de sol dont les structures entre 50 µm et 12.5 mm ont été progressivement détruites. Quatre zones structurales ont été considérées : zones avec une structure poreuse ou compacte pour CT et horizons 0-5 et 5-20 cm pour NT. Les résultats indiquent que la destruction de la structure de l'horizon 0-5 cm de NT induit une faible augmentation de la minéralisation de l'azote et pas d'augmentation pour la minéralisation du carbone. La protection de la MOS est en réalité la plus importante pour la couche 5-20 cm du NT. Ensuite, les différences de décomposition de la MOS entre CT et NT au champ ont été influencées par des différences de la température et de l'humidité du sol. Toutefois ces différences ont été souvent faibles et les conditions n'ont pas été systématiquement plus favorables pour la décomposition dans l'un ou l'autre des systèmes de travail du sol. Néanmoins, la distribution et la quantité de pluie et l'évaporation d'eau ont eu une influence importante sur la dynamique des flux de CO2. Les pluies induisent une réhumectation rapide des résidus de surface qui entraîne une augmentation importante des flux de CO2 pour NT par rapport à CT. Après les pluies, la teneur en eau des résidus de surface diminue rapidement ce qui limite sérieusement leur décomposition entraînant des émissions plus faibles pour NT comparé à CT. Finalement, les flux de C et N ont été simulés avec le modèle PASTIS. Les simulations ont montré que la quantité cumulée plus importante de CO2 émise par NT a résulté d'une décomposition plus importante des résidus de culture et pas d'une différence de décomposition des MOS. En réalité, la plus grande quantité des résidus de culture accumulée à la surface du sol dans NT fait plus que compenser la plus faible vitesse de décomposition des résidus en surface pour NT comparé avec la situation de résidus enfouis pour CT. En définitive, c'est la teneur en eau du mulch de résidus qui contrôle le plus l'amplitude de la différence de vitesse de décomposition des résidus entre CT et NT.

Suite à la perturbation thermique induite par le stockage de déchets radioactifs, les modifications structurales risquant d'affecter les constituants minéraux réactifs (smectite) de la barrière argileuse concernent principalement la quantité et la localisation de la charge foliaire et modifient potentiellement les propriétés d'hydratation de ces minéraux. Une méthodologie a donc été développée afin de décrire, par simulation des diffractogrammes de rayons X (raies 00ℓ), ces propriétés d'hydratation et en particulier l'hétérogénéité résultant de l'interstratification de feuillets présentant différents états d'hydratation. L'étude des propriétés d'hydratation d'une montmorillonite (charge octaédrique) bassecharge a montré que l'affinité du cation interfoliaire pour l'eau gouverne l'état d'hydratation et l'épaisseur des feuillets hydratés. L'augmentation de la quantité de charge induit, en désorption d'eau, un décalage vers les plus basses humidités relatives des transitions entre les différents états d'hydratation. D'autre part, les beidellites étudiées (charge tétraédrique) présentent des états d'hydratation plus hétérogènes que les montmorillonites. L'approche développée a également permis de décrire les modifications structurales induites par une perturbation chimique (influence du fond chloré, pH). Enfin, nous avons pu mettre en évidence le lien structural entre l'épaisseur des feuillets élémentaires et la quantité d'eau interfoliaire, pour laquelle un nouveau modèle structural, permettant de mieux décrire leur distribution de position, a été établi pour les feuillets bi-hydratés.

Afin d'assurer le confinement de déchets radioactifs en milieu géologique profond, il est envisagé d'utiliser des matériaux argileux de site et des bentonites. Leur stabilité en présence de fer métal, constituant des conteneurs de déchets, est étudiée. Ces études démontrent que la réactivité de tels matériaux est principalement portée par les smectites dioctaédriques et les kaolinites qu'ils contiennent. En revanche, la présence de sulfures inhibe la réaction Fe(0)-argiles. La nature du produit de réaction dépend de la quantité de fer métal disponible. A pH basique, par contact physique avec les agents oxydants de la smectite (H+, OH- et Fe3+), le Fe(0) est corrodé. Cette réaction est favorisée par les hétérogénéités des surfaces latérales de la smectite, qui altérée définit un micro-domaine à l'intérieur duquel nucléent des serpentines-Fe si l'apport en fer est suffisant. De telles néoformations entrainent une diminution des propriétés de confinement de la barrière argileuse.