Thèse soutenue

Synthèse et dissolution de matrices phosphatées de structure monazitique

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Auteur / Autrice : Clémence Gausse
Direction : Nicolas Dacheux
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Chimie séparative, matériaux et procédés
Date : Soutenance le 13/12/2016
Etablissement(s) : Montpellier
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Séparative de Marcoule
Jury : Président / Présidente : Jerzy Zając
Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Dacheux, Jerzy Zając, Nathalie Moncoffre, Christophe Den Auwer, Thomas Vercouter, Stephanie Szenknect, Stefan Neumeier
Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Moncoffre, Christophe Den Auwer

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Dans le cadre de la loi du 30 décembre 1991 relative à la gestion à long terme des déchets nucléaires, plusieurs matrices de confinement spécifique des actinides, dont la monazite et la solution solide monazite/chéralite associée ont été étudiées au cours de ce travail en vue de leur stockage en formation géologique profonde. Ainsi, différentes monazites LnPO4 (Ln = La → Gd) ont été préparées par conversion thermique de rhabdophanes, LnPO4 , 0,667H2O, précipitées à basse température. Sur la base d’expériences menées sous rayonnement synchrotron, la structure cristallographique de la rhabdophane a d’abord été résolue dans un système monoclinique (groupe d’espace C2) tout comme la monazite (groupe d'espace P21/n) puis sa conversion thermique en monazite a été étudiée. Une étude multiparamétrique de la vitesse de dissolution de la monazite LnPO4 (Ln = La → Gd) dans l’acide nitrique a été réalisée en conditions dynamiques. Les valeurs de vitesses de dissolution normalisées sont demeurées très faibles quelles que soient l'acidité du milieu, la température et la nature de l’élément lanthanide, confirmant l’excellente durabilité chimique des matériaux préparés. Des ordres partiels relatifs à l'activité du proton compris entre 0,7 ± 0,2 et 1,5 ± 0,3 ont été relevés. Parallèlement, la diminution de l’énergie d’activation apparente pour T ≥ 313 K a souligné une modification de l’étape cinétiquement limitante du mécanisme de dissolution, liée à l'impact de l’indice de saturation de la solution par rapport à la précipitation de la phase rhabdophane.Les produits de solubilité des rhabdophanes (La → Dy) ainsi que les grandeurs thermodynamiques associées ont été déterminés via des expériences de sur- et de sous-saturation. Le bon accord entre les valeurs obtenues par ces deux approches a confirmé la réversibilité de l’équilibre de solubilité associé à la rhabdophane. Une faible variation du produit de solubilité et des grandeurs thermodynamiques de formation de la rhabdophane a été observée le long de la série des éléments lanthanide (-2151±13 ≤ Df H^o (298K) ≤ -2130±12 kJ.mol-1, -2004±2 ≤ Df G^o (298K) ≤ -1984±2 kJ.mol-1 et -504±11≤ DS^o (298K)≤ -473±12 J.mol-1.K-1), à l’exception de l’europium qui présente des valeurs nettement supérieures d'énergie libre (-1896 ± 2 kJ.mol-1), d'enthalpie (-2057 ± 9 kJ.mol-1) et d'entropie (–538 ± 11 J.mol-1.K-1) de formation. Par ailleurs, une relation directe entre les enthalpies obtenues pour les rhabdophanes et les monazites a été démontrée ; les données associées aux rhabdophanes étant obtenues par simple ajout de la contribution de 0,667 molécule d'eau. Cette observation corrobore aussi bien la structure monoclinique de la rhabdophane que le nombre de molécules d'eau constitutionnelles.Parallèlement, l'évolution structurale et microstructurale de la surface de monazites frittées a été suivie en cours de dissolution par plusieurs techniques complémentaires (MEBE, AFM, XRR, et DRX en mode d’incidence rasante). La très bonne durabilité chimique de ces céramiques préparées a été confirmée : seulement 0,04% et 0,3% en masse de matériau ont été dissous après 300 jours de lixiviation, respectivement dans HNO3 0,1M et 0,25M à 363K. Des analyses de surface, il est apparu que les défauts préexistants (fissures, défauts liés au polissage, pores) constituaient des zones préférentielles de dissolution tandis qu’aucune phase secondaire n'a été clairement mise en évidence malgré un indice de saturation en solution traduisant un état proche de l'équilibre de précipitation de la rhabdophane.Enfin, un protocole original de synthèse d’échantillons de rhabdophane dopés en thorium (Nd1-2xCaxThxPO4 , 0,667H2O) par voie humide a été développé au cours de ce travail. Les premières expériences de solubilité, menées en conditions de sous-saturation dans HCl 0,25 M, ont conduit à une estimation des produits de solubilité apparents, lesquels présentent une faible variation sur l’intervalle de températures considéré.