Influence des dégâts d'irradiation sur les minéraux analogues

Influence of radiation damage on analogue minerals

• Auteur / Autrice : Messaoud Harfouche
• Direction : François Farges
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géomatériaux
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Université de Marne-la-Vallée (1991-2019)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets des rayonnements

Minéraux

Cristallochimie

Spectrométrie EXAFS

Dynamique moléculaire

Déchets radioactifs

Résumé

L’étude qui est faite ici aborde le problème du stockage des déchets radioactifs à haute activité. Une attention particulière est portée aux matrices de confinement. Les premiers déchets radioactifs ont été incorporés dans le verre de la nephiline de Chalk River, Canada. Les déchets sont incorporés dans des verres durables, et pour lesquels la vitrification à une échelle industrielle est faisable. En France (comme pour la plupart des nations), les verres borosilicatés sont à nos jours les compositions de choix pour le stockage des déchets radioactifs à haute activité. Les minéraux naturels ayant reçu de très petites doses de radiation durant des centaines de millions d’années ont l’avantage de représenter les effets de radiations à long terme. Ces minéraux, analogues aux céramiques irradiées offrent la possibilité d’étudier l’effet réel « in-situ » des dégâts d’irradiation en particulier l’évolution de la structure des céramiques recevant de fortes doses d’irradiation. Les minéraux analogues tels que zircon, monazite, zirconolite et titanite, dans cette étude, subissent des dégâts d’irradiation. Ces dégâts sont dus à la présence d’actinides naturels (U et Th) dans les minéraux pendant une longue période (~10 [puissance 9] ans). Le phénomène de l’irradiation est bien connu, mais ce que l’on ignore est l’effet de cette radiation sur la structure cristalline des minéraux. Les minéraux métamictes sont des minéraux ayant accumulés de fortes doses de radiation dues aux désintégrations α (en majeure partie) β et issus des actinides naturels U et Th dans la structure. Ces minéraux cristallins à l’origine se trouvent, généralement, dans une large gamme allant de l’état cristallin à complètement métamicte (amorphe ou apériodique). Il est évident que la compréhension des effets d’irradiation et les mécanismes d’endommagements, à travers les minéraux naturels et les phases synthétiques correspondantes, peut aider à évaluer et à modéliser le comportement à long terme (jusqu’à 10 [puissance 6] ans) des matériaux de stockage des déchets nucléaires. Des échantillons de différentes localités à travers le monde ont été sélectionnés et caractérisés par microsonde électronique et DRX. La spectroscopie des rayons X (XAFS) sur ces échantillons, appuyée par la simulation théorique (dynamique moléculaire) des dégâts d’irradiation dans le zircon, ont permis d’étudier l’environnement structural dans les céramiques à travers les minéraux analogues. Nous avons pu montrer que l’effet immédiat de l’incorporation des actinides par substitution engendre soit une expansion de la structure locale autour de ces actinides (zircon) soit une contraction (zirconolite et titanite) soit la structure reste pratiquement inchangée comme dans le cas de monazite. Après avoir subi des dommages d’irradiation la structure des minéraux devient plus complexe. On note des distorsions dans la structure avec changement de coordinence de certains éléments (exemple [8]Zr → [7]Zr) ainsi que la polymérisation des tétraèdres de Si dans le zircon et P dans la monazite