Caractérisation et comportement sous irradiation de phases powellites dopées terres rares : applications au comportement à long terme de matrices de confinement de déchets nucléaires

par Clément Mendoza

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Dominique de Ligny et de Gérard Panczer.

Soutenue le 28-09-2010

à Lyon 1 , dans le cadre de École Doctorale des Matériaux (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire de physico-chimie des matériaux luminescents (laboratoire) .

Le président du jury était Nathalie Moncoffre.

Le jury était composé de Daniel Caurant, Marie-France Joubert, Sylvain Peuget, Lutz Nasdala.

Les rapporteurs étaient Xavier Deschanels, Patrick Simon.


  • Résumé

    Ce travail porte sur le comportement sous irradiation d’une vitrocéramique élaborée par traitement thermique d’une version riche en molybdène du verre de confinement de déchets nucléaires R7/T7 et plus particulièrement de la phase cristalline. Des terres rares (Nd3+ et Eu3+) sont utilisées à la fois comme simulants des produits de fission et des actinides mineurs et comme sondes structurales luminescentes. La phase cristalline présente dans ce type de vitrocéramique est un molybdate de calcium de type powellite CaMoO4 ayant incorporé divers éléments dont des terres rares. Les propriétés cristallochimiques de la phase powellite ont été étudiées notamment par spectroscopie Raman et photoluminescence grâce à divers échantillons naturels et céramiques de compositions allant de CaMoO4 à une modèle proche de celle des cristaux de la vitrocéramique : Ca0,76Sr0,1Na0,07Eu0,01La0,02Nd0,02Pr0,02MoO4. La largeur à mi-hauteur de la bande Raman à 880 cm-1 augmente linéairement en fonction du taux d’incorporation sur le site calcium, incorporation qui influe également sur les paramètres de maille. Le volume intrinsèque de la maille augmente ainsi de 2 %. L’étude d’analogues naturels contenant de l’uranium ainsi que de céramiques et vitrocéramiques irradiées aux ions hélium, argon et plomb a permis de montrer que la structure powellite était très résistante aux dégâts causés. Sous irradiation, le signal de luminescence de Eu3+ des différents échantillons tend à s’uniformiser. Cette uniformisation du signal se retrouve également en spectroscopie Raman. Alors qu’elle peut varier entre 6 et 12 cm-1 pour des céramiques saines, la largeur à mi-hauteur de la bande Raman à 880 cm-1 devient identique, de l’ordre de 18 cm-1, à partir de 10 dpa. Le désordre créé par les irradiations prend le pas sur celui créé par l’incorporation d’éléments dans la structure. Cependant, la spectroscopie Raman et la diffraction des rayons X montre que la structure reste cristalline, au moins partiellement. Sous irradiations, le gonflement de la powellite est en moyenne de 5 % mais est très hétérogène.

  • Titre traduit

    Characterisation and behaviour under irradiation of rare-earth doped powellite phases : application to the long term behaviour of nuclear waste matrixes


  • Résumé

    This work deals with the behaviour under irradiation of a glass-ceramic made after heat treatment of a molybdenum rich R7/T7 type glass. Rare earth elements (Eu3+ and Nd3+) are used as surrogates of minor actinides and fission products as well as structural luminescent probes. We will focus on the behaviour of the crystalline phase which is a powellite type calcium molybdate that incorporated other elements including rare earth elements. In order to determine the crystalline-chemical properties of the powellite structure, Raman spectroscopy and photoluminescence analyses are led on natural powellite samples and synthetic ceramics with compositions from pure CaMoO4 to Ca0.76Sr0.1Na0.07Eu0.01La0.02Nd0.02Pr0.02MoO4, a model composition of the crystalline phase of the glass-ceramic. The analyses of synthetic samples irradiated with He, Ar and Pb ions compared to the behaviour of a natural powellite sample that contains uranium indicate that powellite resist strongly to irradiation and never reach the amorphous state.


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