Réactivité de l’eau à la surface des oxydes mixtes (U,Pu)O2

Reactivity of water on the surface of (U,Pu)O2 mixed oxides

• Auteur / Autrice : Jérémy Gaillard
• Direction : Philippe Moisy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 30/10/2013
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Séparative de Marcoule
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Dacheux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Moisy, Nicolas Dacheux, Rémi Barillon, Stanislas Pommeret, Kastriot Spahiu, Rachel Calvet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rémi Barillon, Stanislas Pommeret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réactivité (chimie)

Chimie sous rayonnement

Adsorption

Oxydes mixtes

Eau -- Chimie

Mots clés libres

Oxyde mixte

Adsorption

Radiolyse

Eau

Sûreté

Mixed oxide

Adsorption

Radiolysis

Water

Safety

Résumé

L'interaction de l'eau avec les surfaces d'oxyde d'actinides demeure relativement peu étudiée. L'adsorption d'eau à la surface de PuO2 et (U,Pu)O2 conduit à la génération de H2 par radiolyse mais également à l'évolution de l'état de surface. L'étude de l'interaction de l'eau avec les surfaces d'oxydes mixtes (U,Pu)O2 requiert de mettre en œuvre des techniques d'analyses peu intrusives. L'étude de l'hydratation de la surface de CeO2 permet d'étudier la pertinence de différentes techniques d'analyses. Les résultats montrent que l'adsorption d'eau à la surface de CeO2 conduit à une évolution de l'état de surface et la formation d'une couche superficielle de type hydroxyde. La réactivité de l'eau à la surface de CeO2 dépend de la température de calcination du précurseur de l'oxyde. Le traitement thermique des surfaces hydratées permet de régénérer l'état de surface. Cette étude sur CeO2 souligne l'intérêt des techniques d'analyse mises en œuvre quant à l'étude de l'hydratation des surfaces. La génération de dihydrogène par radiolyse de l'eau adsorbée est étudiée par une méthode expérimentale fondée sur le renouvellement d'eau à la surface du matériau. L'accumulation de H2 est linéaire durant les premières heures puis tend vers un état stationnaire. Un mécanisme de consommation de H2 est proposé pour expliquer cet équilibre et également l'évolution des surfaces d'oxyde mixtes (U,Pu)O2 témoignée par l'évolution des cinétiques d'accumulation de H2. La cinétique d'accumulation dépend du débit de dose, de la surface spécifique de l'oxyde, de l'humidité relative de l'atmosphère en équilibre ainsi que du taux de plutonium et de l'état de surface.

The interaction of water with actinides oxide surfaces remains poorly understood. The adsorption of water on PuO2 surface and (U,Pu)O2 surface leads to hydrogen generation through radiolysis but also surface evolution.The study of water interaction with mixed oxide (U,Pu)O2 and PuO2 surfaces requires the implementation of non intrusive techniques. The study of the hydration of CeO2 surface is used to study the effectiveness of different techniques. The results show that the water adsorption leads to the surface evolution through the formation of a hydroxide superficial layer. The reactivity of water on the surface depends on the calcination temperature of the oxide precursor. The thermal treatment of hydrated surfaces can regenerate the surface. The study on CeO2 hydration emphasizes the relevancies of these techniques in studying the hydration of surfaces.The hydrogen generation through water radiolysis is studied with an experimental methodology based on constant relative humidity in the radiolysis cell. The hydrogen accumulation is linear for the first hours and then tends to a steady state content. A mechanism of hydrogen consumption is proposed to explain the existence of the steady state of hydrogen content. This mechanism enables to explain also the evolution of the oxide surface during hydrogen generation experiments as shown by the evolution of hydrogen accumulation kinetics. The accumulation kinetics depends on the dose rate, specific surface area and the relative humidity but also on the oxide aging. The plutonium percentage appears to be a crucial parameter in hydrogen accumulation kinetics.