Synthèse et évaluation de complexants aqueux pour la séparation américium/curium

par Simon Chapron

Thèse de doctorat en Chimie séparative, matériaux et procédés

Sous la direction de Stéphane Pellet-Rostaing.

Soutenue le 21-11-2014

à Montpellier 2 , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; ...-2014) , en partenariat avec Institut de Chimie Séparative de Marcoule (laboratoire) .

Le président du jury était André Ayral.

Le jury était composé de Stéphane Pellet-Rostaing, André Ayral, Alexandre Chagnes, Véronique Hubscher-Bruder, Cécile Marie, Giuseppe Modolo, Fabien Burdet, Guilhem Arrachart.

Les rapporteurs étaient Alexandre Chagnes, Véronique Hubscher-Bruder.


  • Résumé

    Le combustible nucléaire usé, après avoir été débarrassé de l'uranium, du plutonium et potentiellement du neptunium par le procédé PUREX, est encore constitué d'environ la moitié des éléments du tableau périodique. Au sein de ceux-ci, l'américium est majoritairement responsable des émissions thermiques à long terme des colis de déchets. En le recyclant, la compacité des sites de stockage pourrait être significativement améliorée. Le procédé d'extraction liquide-liquide EXAm, dont l'étape clé est la séparation Am/Cm, a donc été développé afin de séparer l'Am seul. Pour ce faire, un mélange d'extractants est utilisé conjointement au TEDGA (N,N',N,N'-tétraéthyl-diglycolamide), un complexant aqueux. Ce dernier permet en effet d'améliorer la séparation Am/Cm en maintenant préférentiellement le curium en phase aqueuse, mais sa relation structure sélectivité est encore mal comprise. Ces travaux de thèse concernent donc la synthèse et l'évaluation d'analogues structuraux du TEDGA afin de mieux comprendre l'influence de sa structure sur la sélectivité Am/Cm dans le procédé EXAm. Durant cette étude, 14 analogues du TEDGA ont été synthétisés et 17 molécules ont été évaluées en extraction liquide-liquide. Plusieurs modifications structurales ont été étudiées : la longueur et l'encombrement stérique des chaines alkyle portées par les azotes, la taille de l'espaceur, ainsi que l'utilisation d'amides secondaires. Ainsi, ces travaux ont montré qu'à partir des chaines tétrabutyle, il n'est plus possible de maintenir les molécules en phase aqueuse et que l'ajout d'encombrement stérique sur les chaines alkyles ou la modification de la balance hydrophilie/lipophilie diminue systématiquement la sélectivité des ligands. L'introduction d'amides secondaires (-CONHR) donne des ligands extractibles par le solvant (formation de liaison hydrogène avec les extractants) ce qui les rend inutilisables dans le procédé EXAm. Quant à l'espaceur, il joue un rôle prépondérant sur la sélectivité : le raccourcir (malonamides) entraine la disparition du caractère complexant de la molécule à forte acidité, et l'allonger entraine une préférence du ligand pour l'Am au lieu du Cm (inversion de sélectivité). L'ensemble de l'étude met en lumière la particularité de la sélectivité apportée par le TEDGA face aux autres diglycolamides ainsi que la difficulté d'améliorer le procédé en utilisant cette famille de molécules. Néanmoins la meilleure compréhension de sa chimie a permis d'affiner sa modélisation dans le procédé et l'étude de sa relation structure sélectivité montre qu'une amélioration de la sélectivité des ligands pourrait encore être envisagée en rigidifiant l'espaceur.

  • Titre traduit

    Synthesis and evaluation of aqueous complexing agents for the americium/curium separation


  • Résumé

    After the reprocessing of uranium, plutonium and eventually neptunium by the PUREX process, the spent fuel is still composed of half of the periodic table. Among these elements, the main responsible for the heat of the wastes is americium. Its reprocessing could allow improving the compactness of deep geological storage of the wastes. Thus the liquid-liquid extraction process called EXAm was developed in order to recover the americium alone. The key step of the process is the Am/Cm separation. An extractant mixture is used with an aqueous complexing agent: TEDGA (N,N',N,N'-tetraethyl-diglycolamide). It allows to enhance the Am/Cm separation by keeping preferentially curium in the aqueous phase, but its structure selectivity relationship is not well known yet. Therefore, the purpose of this thesis is to synthesize and evaluate some structural analogues of TEDGA, in order to better understand the impact of its structure on the Am/Cm selectivity in the EXAm process.During this study, 14 analogues of TEDGA were synthesized and 17 molecules were evaluated in liquid-liquid extraction. Several structural modifications were studied: length and steric hindrance of the N-alkyl chains, size of the spacer, and the introduction of secondary amide functions. This work shows that it is not possible to maintain the ligand in the aqueous phase from tetrabutyl derivatives, and the addition of steric hindrance, or modification of hydrophilicity/lipophilicity balance, systematically decreases the selectivity of ligands. The addition of secondary amide functions (-CONHR) makes the molecules extractible by the solvent (formation of hydrogen bonds with the extractants), therefore they are unsuitable to be used in the EXAm process. The spacer has the main impact on the selectivity: the complexation capacity in high acid medium disappears when it is shortened (malonamide), whereas the ligand has a preference for Am instead of Cm (inversion of selectivity) when it is lengthen (TEDOODA and TETOUDA derivatives).This whole study shows the peculiar selectivity given by the TEDGA in comparison with other diglycolamides, and the difficulties to enhance the process using this family of ligands. Nevertheless, a better understanding of its chemistry has allowed to define more clearly its modeling in the process and the studying of its structure/selectivity relationship has shown that the enhancing of the ligands selectivity probably requires spacer preorganization.


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