Interactions de radionucléides et de CO2 avec les argiles : mécanismes à élucider à l’échelle nanométrique

par Wei Yang

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Ali Zaoui.

Soutenue le 05-05-2014

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire de génie civil et géo-environnement (LGCgE) (laboratoire) .


  • Résumé

    Afin de prévoir et réglementer l'impact environnemental des activités humaines telle que l'exploitation minière de l'uranium et des déchets radioactifs, il est nécessaire de comprendre le comportement des actinides, la migration des radionucléides dans l'environnement et analyser leur interaction avec l'argile minérale. Le comportement des actinides dans le sol concerne principalement les interactions et les adsorptions dans les surfaces qui changent les formes des éléments radioactifs et réduisent la mobilité des actinides dans les systèmes naturels. Par conséquent, il est important de comprendre comment les actinides interagissent avec l'argile minérale et étudier le processus fondamental de précipitation de surface.L'uranium est la teneur en métal lourd la plus prépondérante des déchets ultimes dans le cycle du combustible nucléaire ( > 95 % de UO2 ). En outre, l'uranium est un contaminant majeur dans le sol, le sous-sol et les eaux souterraines en raison de l'activité humaine. Dans des conditions environnementales standards, la forme chimique la plus stable de U ( VI ) est l' ion uranyle UO22+, qui est potentiellement très mobile et se combine facilement avec la matière organique et inorganique.D’un autre côté, le dioxyde de carbone est un important gaz à effet de serre, réchauffant la surface de la terre à une température plus élevée en réduisant vers l'extérieur le rayonnement. Toutefois, des problèmes peuvent se produire lorsque la concentration atmosphérique des gaz à effet de serre augmente. Des quantités importantes d'émissions de dioxyde de carbone ont été produites depuis la révolution industrielle, ce qui est derrière l’important réchauffement climatique et l’augmentation du niveau de la mer. Les minéraux argileux sont d'une grande importance pratique, particulièrement dans le stockage du dioxyde de carbone en raison de sa perméabilité hydraulique et sa capacité de conserver les particules mobiles. Nous avons choisi la kaolinite et la montmorillonite comme des prototypes de minéraux argileux de type 1:1 et 2:1. Les méthodes de Monte Carlo (MC) et la dynamique moléculaire (MD) ont été utilisées dans ce travail afin de comprendre le comportement d'adsorption des radionucléides et de dioxyde de carbone à la surface des argiles. Dans cette thèse, nous étudierons d'abord l'adsorption de l’uranyle à la surface de la kaolinite par le biais de la dynamique moléculaire et de la Monte Carlo. Plusieurs sites d'adsorption ont été modélisés en considérant des défauts de surface dans le but d'avoir des complexes inter ou externe-sphère. Ensuite, les adsorptions des particules d'uranyle sur des surfaces de la montmorillonite en présence des différents ions seront effectuées. L'énergie d'interaction entre des feuilles de montmorillonite et le travail d'adhérence entre le radionucléide et surface MMT seront également discutés. Enfin, nous présenterons l’étude du comportement d'adsorption de dioxyde de carbone dans le MMT, en détaillant au passage les propriétés thermodynamiques, structurales et dynamiques.

  • Titre traduit

    Interactions of radionuclides and CO2 with clays : molucidating mechanisms at nanoscale level


  • Résumé

    In order to predict and regulate the environmental impact of human activities such as uranium mining and radioactive waste disposal, it is necessary to understand the behavior of actinides in the environment because their interaction with clay mineral is an important factor to control the migration of radionuclide in the environment. The behavior of actinides in the soil is mainly the surface adsorption interactions, which change the forms of radioactive elements and reduces the mobility of actinides in the natural systems. Therefore, it is important to search how the actinides interact with clay mineral such as the fundamental process of surface precipitation. Uranium is the predominant heavy metal content of the final waste in the nuclear fuel cycle (>95% UO2). In addition, uranium is a major contaminant in the soil, subsurface and groundwater as a result of human activity. Under standard environmental conditions, the most stable chemical form of U(VI) is the uranyl ion UO22+, which is potentially very mobile and readily complexates with organic and inorganic matter. On the other hand, Carbon dioxide is an important greenhouse gas, warming the earth’s surface to a higher temperature by reducing outward radiation. However, problems may occur when the atmospheric concentration of greenhouse gases increases. Amounts of carbon dioxide were produced since the industrial revolution, which is behind the significant global warming and rising sea level. Clay minerals are of great practical importance here, in storage of carbon dioxide due to its hydraulic permeability and ability to retain mobile species. We have chosen kaolinite and montmorillonite as prototypes of clay minerals of 1:1 and 2:1. Classical Monte Carlo (MC) and molecular dynamics (MD) methods have been used in this work in order to understand the adsorption behaviour of radionuclide and carbon dioxide in clays surface. In this thesis, we will investigate –first- the adsorption of uranyl on kaolinite surface by means of Monte Carlo and Molecular Dynamics simulation methods. Several adsorption sites have been modeled by considering surface defects in order to have inner or outer-sphere complexes. Then, the adsorptions of uranyl species onto Montmorillonite surfaces in the presence of different counterions will be performed. Interaction energy between Montmorillonite sheets and work of adhesion between the radionuclide and MMT surface will be discussed as well. Finally, we will study the adsorption behavior of carbon dioxide in MMT, and investigate at the same time thermodynamics, structural and dynamical properties.


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