Motifs structuraux dans des verres modèles pour le stockage des actinides

Structural motifs in model aluminosilicate glasses for the storage of actinides

• Auteur / Autrice : Julien Hiet
• Direction : Dominique Massiot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Matériaux
• Date : Soutenance le 16/11/2009
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...)
• Jury : Président / Présidente : Georges Calas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Massiot, Georges Calas, Lionel Montagne, Thibault Charpentier, Michael Deschamps, Nadia Pellerin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thibaut Charpentier, Lionel Montagne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance magnétique nucléaire

Verre de silice

Stockage

Actinides

Déchets radioactifs

Mots clés libres

Verres aluminosilicatés

Couplage scalaire

Aluminosilicate glasses

Indirect scalar coupling

Résumé

Les matrices vitreuses aluminosilicatées de lanthanides {SiO2 –Al2O3 – (CaO) – Y2O3 – La2O3} constituent, une matrice potentielle d’intérêt nucléaire, dans le cadre du stockage des déchets des actinides. Alors que de nombreuses études sont encore menées pour établir leurs propriétés macroscopiques (durabilité, mécanismes de vitrification, etc…), nous nous sommes attachés à décrire l’environnement proche des noyaux qui composent le réseau, c'est-à-dire leur structure à une échelle locale. Les verres aluminosilicatés sont constitués de tétraèdres d’aluminium et de silicium. Plus précisément, ils sont constitués d’entités Qn(mAl) silicium et d’entités qn(mSi) aluminium. Cependant, il est rare d’aboutir à une description en ces termes. La Résonance Magnétique Nucléaire haute résolution solide (RMN MAS 27Al et 29Si) est un des moyens d’y parvenir. Nous proposons ici le développement de séquences d’impulsions permettant l’identification de ces unités puis la description de leurs connectivités via leurs liaisons chimiques, basées sur le filtrage des cohérences MultiQuanta associées aux couplages scalaires J2 (Si-O-Si) et J2 (Si-O-Al). Cette approche RMN permet donc d’affiner la compréhension des réseaux aluminosilicatés quels qu’ils soient. Couplé à la spectroscopie RAMAN, elle a pu ensuite nous servir comme référence pour établir la structure et le comportement à long terme de ces matrices, suite à des expériences de lixiviation statique et d’irradiation a pratiquées au cyclotron du CEMHTI.

Aluminosilicate glasses of rare earth {SiO2 –Al2O3 – (CaO) – Y2O3 – La2O3} can be considered like a potential matrix of nuclear waste. This type of glass appears to be suitable matrix for the specific immobilization of trivalent actinides. Whereas many studies dealt with the macroscopic properties of these matrix (durability, mechanism, etc…), we investigate here the local environment surrounding the nucleus constituting the vitreous network. Thus, we can say that we investigate the local structure of the glass. Aluminosilicate glasses are constituted with silicon and aluminium tetrahedra. They are more especially based on a mixture of silicon Qn(mAl) and aluminium qn(mSi) units. Up to now, few experiments allow to describe the vitreous network with this terminology. A solution is the High Resolution Solid State NMR : 27Al and 29Si 1D or 2D MAS NMR experiments. We proposed here to provide and improve NMR pulse sequence to evidence NMR signatures of chemically bounded Al-O-Si and Si-O-Si molecular motifs and to establish an approximate picture of medium range order, thanks to 27Al/29Si heteronuclear and 29Si/29Si homonuclear NMR experiments associated to MultiQuantum filtering based on indirect scalar coupling J2 Al-O-Si/J2 (Si-O-Si) and. Combining RAMAN spectroscopy, Spin counting and MultiQuantum filtering allow establishing an approximate and new picture of medium range order in aluminosilicate compounds. Thus, they offer a reference to describe the changes in the structure and the long term behavior of our aluminosilicate glasses of rare earth, induced by static lixiviation and a irradiation practiced to cyclotron in CEMHTI laboratory .