Étude des mécanismes de volatilité dans les procédés de calcination-vitrification

Study of the volatilization phenomena in the process of nuclear waste calcination & vitrification

• Auteur / Autrice : Thomas Charpin
• Direction : Dominique Thomas, Frédéric Poineau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 30/09/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Cécile Vallières
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Thomas, Evelyne Gonze, Nadia Pellerin, Caroline Michel, Carole Coufort
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Evelyne Gonze, Nadia Pellerin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Granulométrie

Simulation, Méthodes de

Aérosols radioactifs

Déchets radioactifs -- Vitrification

Déchets radioactifs -- Incinération

Mots clés libres

Volatilité

Technétium

Césium

Vitrification

Aérosol

Rhénium

Cesium

Rhenium

Volatility

Technetium

Aerosol

Vitrification

Résumé

Le procédé français de traitement des déchets nucléaires en deux étapes, calcination et vitrification, permet d’immobiliser les radio-isotopes dans une matrice vitreuse. Les hautes températures mises en œuvre, supérieures à 1000°C, génèrent la volatilisation du produit de fission Cs radioactif, sous la forme d’un aérosol solide. Cette volatilité est accrue en présence du produit de fission Tc (simulé par le Re). L’objectif de ces travaux a été de caractériser les mécanismes de volatilité et la rétention des éléments volatils dans le procédé, dans le but de maitriser la volatilité directement à sa source. Une première approche a visé à comprendre le comportement des éléments chimiques dans les fontes verrières, leur mode de transport jusqu’à la phase vapeur, puis la condensation des aérosols. Cette approche est passée par le dopage de verres simplifiés, élaborés dans une maquette, avec du Cs et du Re dans le but d’en évaluer l’effet sur les volatilités. Elle a été couplée au traitement de données d’un panel d’essais de vitrification sur prototype, mettant en jeu des conditions de concentrations élémentaires variées, dans le but d’évaluer l’extrapolation des phénomènes. Cela a permis de déterminer que l’essentiel de la volatilité Cs-Re provient du four de vitrification, et d’émettre une hypothèse sur le mécanisme de volatilité du CsReO4. Une deuxième approche a été de caractériser l’évolution de la granulométrie des aérosols tout au long du procédé, et d’évaluer la capture des particules par un dépoussiéreur « type » de prototype. Une campagne de mesures a été conduite à l’aide d’un impacteur cascade ELPI+ sur le prototype pendant une élaboration verrière, et a indiqué que la granulométrie dans le four est centrée à 1 µm. En outre, des analyses MEB-EDS des particules prélevées ont révélé qu’il s’agissait de perrhénates d’alcalins solides couplés avec du Mo, ce qui renforce la proposition de mécanisme de volatilité présentée. En parallèle, la caractérisation du dépoussiéreur, à partir d’un aérosol simulé d’alumine centré à 1 µm, a révélé que la rétention est maximale pour des particules microniques au-dessus de 2,5 µm.

The 2-step French process of nuclear waste treatment, which consists in calcining and vitrifying, enable integrating the radio-isotopes into a glassy matrix. The high temperatures involved (above 1000°C) provoke the volatilization of the fission product Cs, in the form of a solid aerosol. Its volatility is increased by the presence of the fission product Tc (simulated by Re). The goal of the work was to characterize the volatilization mechanisms and the retention of the main volatile chemicals in the vitrification process, in order to monitor the volatility from its origin. The first approach was to understand the behavior of the volatile elements in the glass melt, then the transport phenomena to the gas phase, and finally the formation of aerosols. This approach consisted in spiking simplified glass matrices elaborated in a mock-up, with Cs and Re in order to evaluate the effect on volatility. Data treatment was also performed on a series of glass elaborations in a pilot-scale process with diverse elemental concentrations, in order to evaluate the scale-up effects. That led to the conclusion that the Cs-Re volatility comes from the furnace, and to hypothesize about a CsReO4 volatilization mechanism. A second approach was to characterize the evolution of aerosol size distribution throughout the process, and to evaluate the particle capture by a typical dust scrubber. A measurement campaign was performed using an ELPI+ cascade impactor during a glass elaboration on the pilot-scale process. It showed that the aerosol size distribution in the furnace is 1-µm centered. Moreover, MEB-EDS analyses on the particles sampled showed that they are made of solid alkali perrhenates coupled with Mo, that confirm the volatilization mechanism hypothesis. Meanwhile, the characterization of the dust scrubber, with a 1-µm centered simulated alumina aerosol, revealed that the retention is maximized for micronic particles above 2.5 µm.