Effets cumulatifs et compétitifs des éléments chimiques sur l’altération des verres nucléaires

Cumulative and competitive effects of chemical elements on nuclear glass alteration

• Auteur / Autrice : Hélène Arena
• Direction : Renaud Podor, Diane Rebiscoul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie séparative, matériaux et procédés
• Date : Soutenance le 26/02/2016
• 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 : Nicolas Dacheux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Podor, Diane Rebiscoul, Nicolas Dacheux, Lucile Broussous, Philippe Dillmann, Nicole Godon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucile Broussous, Philippe Dillmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Biodégradation

Déchets radioactifs -- Vitrification

Mots clés libres

Verres nucléaires

Altération

Effets de certains éléments chimiques

Comportement à long terme

Nuclear glass

Alteration

Effect of chemical elements

Long-Term behavior

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans l’étude du comportement à long terme des verres nucléaires en conditions de stockage. Son objectif est de déterminer, de comprendre et de comparer les effets de certains éléments chimiques présents dans la composition du verre et/ou dans le milieu de stockage (Zn, Mg, Ni, Co, Fe, Ca, Gd, Ce, K, Cs, Cr et Ag) sur les différents processus mis en jeux lors de l’altération aqueuse des verres nucléaires. Dans ce cadre, une attention particulière a été portée sur le caractère cumulatif ou compétitif des effets de ces éléments chimiques. Pour cela, un verre simple à 6 oxydes (ISG) a été altéré pendant plus de 500 jours dans une solution contenant un ou plusieurs des éléments chimiques d’intérêt. Les éléments Zn, Mg, Ni, Co et Fe augmentent l’altération du verre en formant des phases secondaires de même structure (smectites tricotaédriques) et de même stœchiométrie (à l’élément près). Leur précipitation consomme des éléments chimiques du milieu (Si, Al) et induit une diminution de pH. Ce processus se maintient jusqu’à l’atteinte d’un pH limite propre à chaque phase secondaire, au-dessous duquel leur précipitation est inhibée. Par la suite, ces éléments peuvent s’intégrer dans le gel d’altération en remplacement du Ca rendu plus soluble par la baisse du pH. Tant qu’ils forment des phases secondaires, les effets de ces éléments sont cumulatifs. Les terres rares Gd et Ce augmentent aussi l’altération du verre en formant des phases secondaires mais leurs effets sont plus faibles car elles sont moins silicatées. Ces éléments, ne s’intègrent pas dans le gel. Le Cr précipite avec le Ca pour former une phase qui appauvrit le gel en Ca, entraine une diminution du pH et augmente l’altération du verre. Les éléments K, Cs et Ca limitent l’altération du verre en s’intégrant dans le gel et en ralentissant les phénomènes de transport en son sein. Cette intégration est compétitive : l’ordre d’intégration (quantité et efficacité sur la limitation de l’altération) est le suivant Ca >> Cs > K. L’élément Ag précipitant sous forme d’AgCl, n’a pas d’effet sur l’altération du verre : cette phase ne modifie ni le milieu, ni le développement de la pellicule d’altération. Ainsi, l’augmentation de l’altération pourrait être proportionnelle à la quantité d’éléments favorisant la précipitation de phases secondaires, mais la diminution de pH qui l’accompagne limite ce processus. Les effets des éléments qui diminuent l’altération du verre en s’incorporant dans le gel, sont limités en quantité par la composition du gel et sa capacité à les recevoir, et en qualité par la nature même des éléments.

This work takes place in the context of the long-term behavior of nuclear glasses under repository conditions. The main objective is to identify, understand and compare the effects of some chemical elements present in the glass composition and/or in the repository media (Zn, Mg, Ni, Co, Fe, Ca, Gd, Ce, K, Cs, Cr and Ag) on the processes involved in glass alteration by water. The cumulative or competitive nature of the effects of these chemical elements was determined. To reach this goal, a 6 oxides simple glass (ISG) has been altered for more than 500 days in a solution containing one or more of the chemical elements of interest.The results indicated that Zn, Mg, Ni, Co and Fe elements increase glass alteration forming secondary phases with the same structure and stoichiometry (trioctahedral smectites). To form, these silicates consume chemical elements (Si, Al) from the environment and induce a pH decrease until a limiting value of pH. Beyond this pH the precipitation of secondary phases is inhibited and these chemical elements can be integrated into the gel, replacing Ca whose solubility increases at lower pH. As long as they form secondary phases, the effects of these elements are cumulative. Rare earths Gd and Ce also increase glass alteration forming secondary phases but their effects are lower as they contain less silicon. These elements are not integrated in the gel. Chromium increases glass alteration by precipitating with Ca and leading to a less protective gel, depleted in Ca. Silver precipitates as AgCl and has no effect on the alteration of the glass.The chemical elements K, Cs and Ca limit glass alteration by integrating into the gel and slowing down the transport phenomena therein. This integration is competitive: the order of integration (quantity and effectiveness glass alteration limitation) is the following Ca >> Cs > K. Thus, the increase of glass alteration may be proportional to the quantity of elements promoting the precipitation of secondary phases, but the pH decrease limits the process. The effects of the elements that reduce glass alteration by incorporating into the gel, are quantitatively limited by the gel composition and its ability to incorporate them, and qualitatively by the nature of the elements.