Influence de la composition des verres nucléaires type AVM lors de son altération en phase vapeur

Influence of composition on vapor hydration of AVM nuclear glasses

• Auteur / Autrice : Sathya Narayanasamy
• Direction : Abdesselam Abdelouas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 20/11/2019
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Subatomique et des Technologies Associées (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : André Ayral
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Sterpenich, Stéphanie Rossano, Nadia Pellerin, Aurélie Verney-Carron, Patrick Jollivet, Nicole Godon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Sterpenich, Stéphanie Rossano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Détérioration

Hydratation

Verres borosilicatés

Déchets radioactifs -- Vitrification

Mots clés libres

Hydratation

Phase vapeur

Verres

Effet composition

Couche altérée

Mécanismes

Vapor hydration

Glasses

Composition

Gel layer

Mechanisms

Structure

Résumé

L’hydratation en phase vapeur des verres inactif (simples et complexes) du domaine AVM (Atelier de Vitrification de Marcoule) a été étudiée en se focalisant sur l’influence de la composition du verre. Dans la première partie, les échantillons de verre ont été altérés à 50°C et 95% d’humidité relative, et les couches altérées (gel) ont été caractérisés par SEM, TEM, XRD, ToFSIMS et SAXS. Les résultats montrent que la teneur en aluminium par rapport à celle des alcalino-terreux joue un rôle clé dans la durabilité du verre. Lorsque le rapport molaire Al2O3/MgO<1, la vitesse d’hydratation en phase vapeur est augmentée de 10 à 20 fois par la formation des précipités riches en Mg. Dans d’autres cas, l’hydrolyse du réseau vitreux a été identifiée comme le mécanisme contrôlant la vitesse d’hydratation en phase vapeur. Des études complémentaires sur l’effet de la température et de l’humidité relative ont montré que le mécanisme prédominant d’hydratation en phase vapeur varie en fonction de la température et de la composition du verre. Dans la deuxième partie, des expériences avec des verres hydratés en phase vapeur puis immergés dans de l’eau pure ont montré que le gel n’avait pas d’effet passivant vis-à-vis l’altération aqueuse et que des phases secondaires formées pendant l’hydratation en phase vapeur pouvaient être solubles. Deuxièmement, une étude comparative de la structure des gels enrichies en ¹⁷O formées lors d’hydratation en phase vapeur (à 90 °C) et de l’altération aqueuse à très fort S/V par la spectroscopie RMN a montré pour la première fois, de la recondensation du bore avec de l’oxygène provenant de la phase vapeur. Les résultats suggèrent que l’altération du verre en phase vapeur n’est pas équivalente à l’altération en milieu aqueux à très fort S/V.

The vapor hydration of inactive surrogates of AVM (Atelier de Vitrification de Marcoule) glasses (simple and complex) has been studied in this thesis work with a special focus on the influence of glass composition. In the first part of the thesis, multiple glass samples were altered at 50°C and 95% RH and the altered samples were characterized using SEM, TEM, XRD, ToFSIMS and SAXS to study the altered (gel) layer. The results show that aluminum plays a key role in glass durability under the given conditions, especially in relative proportions to alkaline-earth elements. When the molar ratio of Al2O3/MgO<1, the overall vapor hydration rate was accelerated by 10-20 times due to the formation of Mg-rich smectites. In other cases, network-hydrolysis was identified as the rate controlling vapor hydration mechanism for the first six months. Complementary studies on the effect of temperature and relative humidity gave further insights into secondary phase precipitation, behavior of elements in the gel layer and altered layer morphology. These studies show that the predominant vapor hydration mechanism varies with temperature and glass composition as well. In the second part of the thesis, aqueous alteration experiments are discussed in two contexts. First, vapor hydrated glasses immersed in pure water showed that the gel layer did not have a passivating effect against aqueous alteration and that some of the secondary phases formed during vapor hydration are readily soluble. Secondly, comparative structural study of ¹⁷O enriched gel layers that were formed during vapor hydration (at 90°C) and aqueous alteration at a very high SA/V ratio using NMR spectroscopy showed for the first time, evidence of recondensation of boron with oxygen from the vapor phase. The results suggest that glass alteration in vapor phase is not equivalent to alteration in aqueous medium at a very high SA/Vratio.