Avis de Soutenance - Ali HODROJ

L'Ecole doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences

et le Laboratoire de recherche : LGPM - Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux (EA 4038)

présentent

l’AVIS DE SOUTENANCE

de Monsieur Ali HODROJ

Autorisé à présenter ses travaux en vue de l’obtention du Doctorat de l'Université Paris-Saclay, préparé à l'Université Paris-Saclay GS Sciences de l’ingénierie et des systèmes en

Mécanique des fluides intitulés :

«Décomposition thermique du bitume et des enrobés de sels de nitrates : étude expérimentale-numérique démontrant le potentiel prédictif d’un modèle cinétique (DAEM) »

dirigés par Monsieur Patrick PERRÉ et co-encadrés par Messieurs Nicolas COURTOIS et Simon DELCOUR

le VENDREDI 10 avril 2026 à 9h15

Lieu : Auditorium ICSM

Institute Chemistry Séparative De Marcoule, Centre de Marcoule, 30207 Bagnols-sur-Cèze

Lien Visio :

https://rendez-vous.renater.fr/muted/PhD_defense_of_Ali_HODROJ_9f1a7e-ead25f-396f37#config.startWithVideoMuted=true&config.startWithAudioMuted=true

Membres du jury :

Mme Sophie DUQUESNE, Professeure des universités, Centrale Lille Institut, FRANCE – Rapporteure

1. Patrick VAN HEES, Professeur, Lund University, SUÈDE – Rapporteur
2. Abdenour AMOKRANE, Ingénieur de recherche, EDF R&D Lab Chatou, FRANCE – Examinateur
3. Damien MARQUIS, Ingénieur de recherche, National laboratory of metrology and testing (LNE), FRANCE -Examinateur
4. Jose L. TORERO CULLEN, Professeur, University College London, ROYAUME-UNI – Examinateur
5. Antony DUFOUR, Directeur de recherche, Université de Lorraine, FRANCE - Examinateur

Titre : Décomposition thermique du bitume et des enrobés de sels de nitrates : étude expérimentale-numérique démontrant le potentiel prédictif d’un modèle cinétique (DAEM)

Résumé :

Dans les années 1960, le bitume a été choisi par l'industrie nucléaire française comme matrice d'enrobage de certains sous-produits de faible et de moyenne activité radiologique générés lors des procédés de retraitement du combustible nucléaire. Actuellement, en France, plusieurs milliers de colis de déchets bitumés sont entreposés temporairement en attendant leur stockage définitif. La gestion de ces déchets soulève des questions de sûreté, notamment concernant le comportement thermique du bitume, qui est un matériau combustible, et des interactions chimiques qui peuvent avoir lieu avec les déchets incorporés (en particulier les nitrates). Cette problématique fait l'objet d'une démarche de sureté menée par le CEA et Orano, afin de garantir la sûreté des installations et de maîtriser le risque incendie. Les températures de sureté envisagées sont en-dessous des seuils d'inflammation du bitume.

L’analyse de la dégradation thermique et de la combustion des enrobés améliore la compréhension des mécanismes physico-chimiques impliqués au-delà de ces seuils. C’est pourquoi une étude a été menée pour évaluer le comportement thermique et la combustion du bitume pur et d'enrobés bitumineux monosels à base de nitrates. L’objectif de cette recherche s’est articulé autour de deux axes complémentaires : expérimental et numérique. Dans un premier temps, le comportement de thermolyse du bitume pur et de deux enrobés de sels de nitrates modèles (nitrate de magnésium hydraté et nitrate de sodium) a été étudié à l’échelle de la matière à l’aide de la thermogravimétrie couplée à l’analyse thermique différentielle. Un modèle DAEM (Distributed Activation Energy Model) a été proposé pour décrire leur décomposition thermique selon un profil temporel de température donné. Dans un deuxième temps, l’analyse a été étendue à l’échelle du matériau, en étudiant la combustion forcée des matériaux considérés à l’aide d’un calorimètre à cône, dans des conditions bien ventilées et en atmosphère appauvrie en oxygène. L’influence de la concentration en oxygène et du flux thermique incident sur les phases condensées et gazeuses a ainsi été évaluée. Enfin, un modèle de pyrolyse a été développé et implémenté en couplant le DAEM à un modèle de transfert thermique, afin de démontrer son potentiel de changement d’échelle et de permettre la prédiction numérique de la décomposition du bitume sous calorimètre à cône.

 Les résultats enrichissent les connaissances sur le comportement thermique et la combustion du bitume et des enrobés bitumineux. Les observations expérimentales permettent d’identifier les principaux processus thermochimiques, tandis que le modèle DAEM décrit avec succès la décomposition thermique et présente une bonne capacité prédictive. Son intégration dans un modèle de pyrolyse unidimensionnel conduit à des prédictions satisfaisantes.

Title: Thermal decomposition of bitumen and nitrate-based bituminous mixes: anexperimental–numerical study demonstrating the predictive potential of a kinetic model (DAEM

Abstract:

In the 1960s, bitumen was chosen by the French nuclear industry as a matrix for immobilizing low- and intermediate-level radioactive products generated during nuclear fuel reprocessing. Currently, in France, storage facilities temporarily house several thousand tons of bituminized waste, awaiting final disposal. Their management raises safety questions regarding the thermal behavior of bitumen, which is flammable, and the possible interactions between bitumen and embedded salts (especially nitrates). These concerns are currently being addressed through a safety procedure led by French BWP producers, including the French Atomic Energy Commission (CEA) and the industrial partner ORANO, to ensure the safety of storage and disposal facilities and mitigate fire hazards. The main safety concerns are associated with low temperatures below decomposition temperatures. Studies conducted to understand thermal degradation and burning characteristics of bituminous mixes are useful for consolidating our understanding of physicochemical mechanisms above those temperatures, yet such studies remain limited.

This is the reason why a study was conducted to assess the thermal and combustion behavior of pure bitumen and model nitrate-based bituminized mixes. The objective of this research study is structured around two approaches: an experimental axis and a numerical axis, and has been divided into the following tasks: Initially, the study investigated the thermolysis behavior of pure bitumen, and two model nitrate-based mixes (magnesium nitrate hydrate and sodium nitrate) at matter scale using thermogravimetry coupled with differential thermal analyses, and distribution activation energy model (DAEM) was proposed to describe their thermal decomposition at any temperature-time profiles. Subsequently, the analysis is extended to the material scale, where the burning behavior of the studied materials was investigated using a cone calorimeter under well-ventilated and oxygen-depleted conditions, assessing the effects of varying oxygen concentrations and external heat fluxes on both their condensed and gaseous phases. Finally, a pyrolysis model was proposed and implemented by coupling the kinetic sub-model (DAEM) with a heat transfer model to demonstrate its upscaling potential, enabling the numerical prediction of bitumen decomposition under a cone calorimeter.

The results provide a comprehensive analysis of the thermal and combustion behavior of bitumen and bituminized mixes under different scenarios. Experimental observations enable an in-depth understanding of the key thermo-chemical processes. The kinetic parameters were successfully described using DAEM, demonstrating excellent predictive accuracy across the investigated conditions at the matter scale. The model effectively captures the complexity of the thermal decomposition behavior of the studied materials and shows good predictions when implemented within a one-dimensional pyrolysis model.