Formulation et caractérisation de matériaux à base de liants hydrauliques utilisés dans les emballages de transport et de stockage de matières radioactives

Formulation and characterization of hydraulic binder based materials used for stockage and transport casks containing nuclear materials

• Auteur / Autrice : Jérémie Grandjean
• Direction : Agnès Smith, Benoît Nait-Ali, Nicolas Tessier-Doyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 28/02/2018
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Dominique Goeuriot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Smith, Benoît Nait-Ali, Nicolas Tessier-Doyen, Nathalie Sintes-Zydowicz, Thomas Garnier, Fabien Labergri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Goeuriot, Jacques Poirier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plâtre

Composites de ciment

Emballage

Substances radioactives

Bore

Mots clés libres

Béton de protection neutronique

Ciment sulfoalumineux

Analyse élémentaire

Neutron-shielding concrete

Calcium sulfoaluminate cement

Elemental analysis

Résumé

ROBATEL Industries conçoit et fabrique des emballages pour matières fortement radioactives. Des matériaux de protection neutronique et thermique (PNT) sont utilisés dans ces emballages afin d’assurer la capture des neutrons et de limiter l’augmentation de la température des matières radioactives en cas d’incendie. Ces PNT sont constitués d’une matrice cimentaire ou de plâtre auxquels sont ajoutées des charges minérales ou organiques. Une charge minérale, la colemanite, permet la capture des neutrons grâce à sa teneur élevée en bore, après que l’hydrogène contenu dans les PNT les ait ralentis.Le premier enjeu de cette thèse a été de mettre au point des méthodes d’analyse élémentaire afin de caractériser l’homogénéité chimique des PNT, qui est cruciale, notamment pour le bore. Une technique de mise en solution et deux techniques de dosages ont ainsi été développées. Une autre partie importante de la thèse concerne la caractérisation des propriétés thermiques et mécaniques des PNT. D’un point de vue thermique, des mesures de chaleur de réaction, de capacité calorifique et de conductivité thermique ont été menées pour déterminer la quantité de chaleur (enthalpie) absorbée par le matériau en cas d’incendie. D’un point de vue mécanique, des essais de compression et de flexion ainsi que des essais ultrasonores ont été réalisés afin d’évaluer les valeurs des contraintes à la rupture et les modules d’élasticité des PNT. Au-delà de ces caractérisations, l’amélioration des formulations des PNT existantes et surtout la mise au point de nouvelles formulations sont au coeur de ce travail. Deux plans de mélange ont ainsi été réalisés afin d’enrichir les PNT en bore et en hydrogène tandis qu’un autre a permis l’augmentation de la fluidité d’un PNT grâce à l’ajout d’un superplastifiant. La dernière partie de la thèse a concerné l’étude de nouveaux ciments, les sulfoalumineux, qui présentent des caractéristiques intéressantes étant donné que leurs hydrates sont riches en hydrogène. Pour ces trois nouvelles familles de PNT à base de sulfoalumineux, le retard de prise induit par le bore a été limité.

ROBATEL Industries company designs and products packages for highly radioactive materials. Neutron and thermal protection materials (PNT) are used in those packages to catch neutrons and to limit the increase of temperature due to radioactive materials in case of fire. These PNT are composed of a cement or a gypsum-based matrix with mineral or organic fillers. Once the neutrons have been slowed down by the hydrogen contained in the PNT, a mineral filler named colemanite enables the neutron capture thanks to its high content of boron.The first goal of this thesis is to develop analytical chemistry techniques to check the chemical homogeneity of the PNT, which is crucial, particularly for boron. A dissolution method and two determination techniques have been developed. Another important topic in this thesis is characterization of thermal and mechanical properties. Thermal characterizations include heat of reaction, heat capacity and thermal conductivity measurements to determine the total heat absorbed by the PNT in case of fire. Mechanical characterizations include compression, bending and ultrasonic tests in order to evaluate stress to rupture and elastic moduli of PNT. Beyond the characterizations, the aim of this thesis is to improve pre-existing formulas of PNT and most importantly to propose new formulas. Two mixture designs have been carried out to increase the boron and the hydrogen concentrations of PNT. Another mixture design allowed enhancing the fluidity of a PNT using a superplasticizer. The last part of the thesis deals with the study of new cements called sulfoaluminous that show interesting properties because their hydration products are rich in hydrogen. For these three new PNT families, the increase of the setting time of cement due to boron has been restricted.