Impact of ballistic effects on the gel layer properties of simplified nuclear glasses : a Monte Carlo simulation approach

par Amreen Jan

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Stéphane Gin.

  • Titre traduit

    Impact des effets balistiques sur les propriétés de la couche de gel des verres nucléaires simplifiés : une approche de simulation Monte Carlo


  • Résumé

    Après vitrification des déchets nucléaires de haute activité dans une matrice de verre borosilicaté, les conteneurs sont stockés dans un dépôt géologique en profondeur. Dans ce dépôt, le verre est exposé à une variété de radiations qui pourraient avoir un impact sur sa durabilité physique et chimique. Des expériences et des simulations ont confirmé que les dommages causés par des noyaux des recul (suite à la désintégration alpha), à travers des collisions balistiques, sera le mode dominant de dommages d’irradiation à long terme (à l’échelle géologique). L’eau présente dans le sous-sol est susceptible de percer les barrières de confinement et ainsi corroderait la matrice en verre, ce qui mènerait alors à la libération de radionucléides dans la biosphère. De plus, l’entrée en contact de la matrice en verre avec l’eau coïncide avec le phénomène de décroissance alpha. Il est donc important de comprendre comment les dommages causés par les du noyau de recul pourraient affecter le processus de corrosion du verre. La plupart des études menées dans le passé ont conclu que l’irradiation n’aura pas d’effet significatif sur la vitesse initiale d’altération du verre. Cependant, des études expérimentales récentes menées à l’aide de radiations externes, pour simuler les dommages causés par les noyaux de recul, sur les compositions de verre borosilicate, ont estimé une augmentation significative de la profondeur de la couche d’altération du verre corrodé (~4 fois supérieure). La raison principale de cette augmentation n’est pas encore connue, bien que deux hypothèses aient été proposées : les changements structuraux causés par les effets balistiques et, l’augmentation de la réactivité du verre due aux effets balistiques. Ils pourraient chacun être responsables de cette augmentation observée de la dissolution du verre. De nombreuses recherches ont été effectuées sur la compréhension de l’irradiation et de la corrosion aqueuse des verres, il n’existe pas d’études systématiques sur des séries de verres borosilicatés comprenant les deux aspects simultanément. Cependant, corréler ces deux paramètres semble indispensable pour pouvoir isoler l’effet de l’irradiation de l’effet de la structure. De plus, ceci est une étape clé dans le développement d’un modèle prédictif fiable pour la durabilité à long terme des verres.Ce travail a donc porté sur la compréhension de la synergie entre l’irradiation et la corrosion du verre sur une série de verres borosilicatés (avec et sans aluminium), en utilisant la modélisation à l’échelle atomique et l’expérimentation. Pour commencer, en utilisant la dynamique moléculaire classique (MD), l’effet de l’irradiation sur la série de verres borosilicates a été étudié en lançant des séries de cascades de déplacement (imitant les effets balistiques causés par du noyau de recul). Les modifications structurelles observées dans les verres irradiés, ont été extraites et étudiées avec la méthode Monte Carlo (MC) pour la dissolution du verre. En outre, des expériences de dissolution du verre ont été menées sur deux compositions de verre borosilicaté, irradiées et non irradiées. Ces expériences mettent en lumière le rôle de la composition, puis l’impact de l’irradiation sur la cinétique de la dissolution du verre.


  • Résumé

    After vitrification of high-level nuclear waste into a borosilicate glass matrix, the canisters will be stored in a deep geological repository. In this repository, the glass will be exposed to a variety of radiations that might impact its physical and chemical durability. Experiments and simulations have confirmed that the damage caused by recoil nuclei (due to alpha decay), through ballistic collisions, will be the dominant mode of irradiation damage on the long term (on geological time scale). Further, it is well known that water will eventually breach the confinement barriers and corrode the glass matrix, which might eventually lead into release of radionuclides in the biosphere. Arrival of water at the glass matrix is expected around the time, when alpha decay will be dominant. Thus, emphasizing the importance of understanding how damage caused by recoil nuclei might impact the corrosion process of glass. Most of the studies conducted in the past had concluded that irradiation will not have any significant effect on the initial glass alteration rate. However, recent experimental studies conducted using external radiations, to simulate damage caused by the recoil nuclei, on the borosilicate glass compositions have estimated an increase in the depth of the alteration layer of the corroded glass by multi-folds (~4 times). The core reason for this increase is not known yet, though two hypotheses have been presented. One, the structural changes caused by ballistic effects and second, the increase in the reactivity of the glass due to ballistic effects, might be responsible for this observed increase in the glass dissolution. Although, significant amount of research has been performed on understanding the effect of irradiation and aqueous corrosion of glasses separately, there are no systematic studies, on series of borosilicate glasses, studying both of them together. This appears to be necessary to isolate the effect of the glass structure (which also depends on glass composition) from the effect of irradiation on the glass dissolution. Which further, is a key step in the development of a reliable predictive model for long term durability of glass.With these things in mind, this work focused on understanding the synergy between irradiation and glass corrosion on the series of simple borosilicate glasses (with and without aluminum), using atomistic modelling and experiments. To begin with, using classical molecular dynamics (MD), effect of irradiation on the series of borosilicate glasses was studied by launching series of displacement cascades (mimicking the ballistic effects caused by recoil nuclei). The structural modifications observed in the irradiated glasses, as compared to their pristine counter parts, were extracted and studied with Monte Carlo (MD) code for glass dissolution. Further, glass dissolution experiments were conducted on two simple borosilicate glass compositions, irradiated and non-irradiated. These experiments were expected to shed light on the role of composition, followed by impact of irradiation on the kinetics of glass dissolution.

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