Thèse soutenue

Conditionnement des déchets nucléaires de béryllium métallique : réactivité dans différentes matrices cimentaires et comparaison avec l’aluminium

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Auteur / Autrice : Pauline Bouhier
Direction : Sylvie DelpechChristian Grisolia
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Aval du cycle nucléaire, radioprotection et radiochimie
Date : Soutenance le 11/02/2022
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Frederico Garrido
Examinateurs / Examinatrices : Catherine A. Davy, Vincent Vivier, Sebastien Caes
Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine A. Davy, Vincent Vivier

Résumé

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Les travaux de recherche réalisés au cours de cette thèse portent sur l’évaluation de la compatibilité chimique du béryllium métallique avec différentes matrices cimentaires afin de proposer une stratégie de conditionnement des déchets produits par la future installation de réacteur nucléaire de fusion, ITER. En complément, du fait de la toxicité chimique du béryllium, la recherche d’un substituant chimique du béryllium a été réalisée.La corrosion d’un déchet métallique réactif par l’eau cimentaire est l’une des principales limites pour son conditionnement dans une matrice cimentaire, notamment à cause de l'hydrogène produit par la réduction de l’eau. L’étude du diagramme potentiel-pH du béryllium publié par Marcel Pourbaix en 1963 prévoit une passivation du béryllium sur un domaine de pH variant de 3 à 11,5 (pour une concentration de 10⁻⁴ mol.L⁻¹). L’état passif d’un élément métallique limite sa corrosion et par conséquent la production d’hydrogène. L’utilisation d’un ciment phosphomagnésien, dont la solution porale varie de 5 à 9 lors de son hydratation, semble être, au premier abord, une solution pertinente pour le conditionnement du béryllium car correspondant à son domaine de passivation. Des données thermodynamiques relatives au béryllium publiées récemment ont été utilisées pour calculer un diagramme potentiel-pH. Ce diagramme présente une zone de passivation comprise entre pH 5,5 et 13,5 pour une concentration de 10⁻⁴ mol.L⁻¹.Une étude expérimentale de la corrosion du béryllium a été réalisée en solution aqueuse et dans cinq matrices cimentaires différentes. L’électrochimie, qui est une méthode particulièrement bien adaptée aux études de corrosion a été utilisée, notamment la spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE) et la mesure du potentiel d’équilibre (OCP). Le comportement du béryllium a été suivi en fonction du temps par électrochimie, en solutions aqueuses (pour différents pH) et dans les différentes matrices cimentaires afin de déterminer lesquelles seraient les mieux adaptées à son conditionnement.Les mesures expérimentales ont mis en évidence une passivation du béryllium dans des milieux ayant un pH compris entre 9 et 13 confirmant les calculs thermodynamiques effectués avec les données les plus récentes. Une forte passivation du béryllium a été observée dans le ciment Portland et le ciment sulfoalumineux et une passivation plus lente dans le ciment phosphomagnésien. Par la suite, la modélisation des mesures de SIE enregistrées sur le béryllium dans les ciments Portland et phosphomagnésien ont permis de déterminer plus précisément le courant de corrosion du béryllium dans ces deux matrices et d’estimer les débits de dihydrogène produits par la corrosion du béryllium dans chaque matrice.La dernière partie de cette thèse a été consacrée à l’étude de la corrosion de l’aluminium dans les mêmes conditions que le béryllium afin de déterminer si ce métal pouvait être utilisé comme analogue chimique du béryllium. Les résultats montrent que l’aluminium se passive progressivement dans le ciment phosphomagnésien comme le béryllium mais se corrode fortement dans le ciment Portland. Les mesures de chromatographie en phase gazeuse montrent que les débits de H₂ produits par l’aluminium restent supérieurs aux débits calculés pour le béryllium même dans des conditions passivantes. La production d'hydrogène étant l’un des facteurs principaux sur le choix d’une matrice de conditionnement, l’aluminium n'est pas un bon analogue chimique du béryllium et ne pourra être utilisé pour prévoir la réactivité du béryllium.