Radiolyse alpha de solutions aqueuses d'acide nitrique

par Guillaume Garaix

Thèse de doctorat en Chimie et physicochimie des matériaux

Sous la direction de Philippe Moisy.

Soutenue le 09-12-2014

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


  • Résumé

    L'acide nitrique est largement utilisé dans le procédé de retraitement du combustible nucléaire usé, le procédé PUREX (Plutonium and Uranium Refining by EXtration). Ce procédé est fondé sur l'extraction liquide-liquide de l'uranium et du plutonium aux degrés d'oxydation (+VI) et (+IV) respectivement. Le plutonium est ensuite désextrait, et ainsi séparé de l'uranium par ajout d'uranium (+IV) stabilisé en milieu acide nitrique par des ions hydrazinium (N2H5+). Or, la radiolyse de l'acide nitrique, inhérente à la présence d'émetteurs α dans ces solutions, génère des espèces radicalaires et moléculaires susceptible de modifier, d'une part, le comportement redox des actinides et, d'autre part, de réagir avec les ions hydrazinium. Le but de ce travail est de mieux maîtriser les paramètres chimiques et physico-chimiques susceptibles de modifier les degrés d'oxydation de l'uranium et du plutonium dans les solutions d'acide nitrique. Parmi ces paramètres, le rôle de l'acide nitreux et du peroxyde d'hydrogène, générés par radiolyse de l'acide nitrique, est primordial. L'objectif est de repréciser les cinétiques de formation du peroxyde d'hydrogène et de l'acide nitreux par radiolyse alpha des milieux acide nitrique / nitrate de sodium en fonction des paramètres : acidité, concentration des ions nitrate et transfert d'énergie linéique du rayonnement ionisant.Il a été montré que la formation de peroxyde d'hydrogène diminue avec l'augmentation de la concentration des ions nitrate et augmente fortement avec l'acidité de la solution, jusqu'à atteindre une valeur stationnaire pour une acidité proche de 0,2 mol L-1. Pour sa part, la formation de l'acide nitreux est favorisée par l'augmentation de la concentration des ions nitrate. Il a été observé que G(HNO2) évolue selon deux tendance distincte, la première dans les solutions diluées d'ions nitrate et la seconde dans les solutions concentrées d‘ions nitrate. Ces deux variations traduisent des phénomènes radiolytiques directs et indirects modifiant les mécanismes de formation de HNO2. L'étude de l'acidité des solutions irradié a montré que la formation de H2O2 et de HNO2 est favorisé avec l'augmentation de la concentration des ions hydronium, jusqu'à atteindre une valeur stationnaire pour une acidité proche de 0,2 - 0,5 mol L-1.Par ailleurs, les effets induits par la nature du rayonnement ionisants (,,,…), sur les rendements de formation de H2O2 et HNO2, ont été étudiés. Il a été montré que le transfert d'énergie linéique (TEL), compris entre 0,2 keV µm-1 (caractéristique d'un rayonnement gamma) et 130 keV µm-1 (caractéristique d'un rayonnement alpha émis par la décroissance radioactive d'un actinide), a une influence significative sur les rendements de formation de H2O2 et de HNO2. Il a été observé que l'impact des ions nitrate sur le rendement de formation de H2O2 devient plus marqué, lorsque le TEL augmente. A contrario, l'impact des ions nitrate favorisant le rendement de formation de HNO2, diminue lorsque le TEL augmente. Sur la base des résultats acquis durant cette étude et des données présentes dans la littérature, deux équations paramétriques ont été développées. L'intérêt de cette paramétrisation des effets est de prédire les rendements radiolytiques de formation de H2O2 et de HNO2 selon les conditions chimique du milieu ([NO3-] ≤ 4 mol L-1 et 10-5 mol L-1 ≤ [H+] ≤ 4 mol L-1) et selon la nature du faisceau (TEL compris entre 0,2 – 130 keV µm-1).La finalité de cette étude serait de prédire les quantités de H2O2 et de HNO2 formés par radiolyse de HNO3/NaNO3 dans les étapes du procédé de retraitement des combustibles nucléaires.

  • Titre traduit

    Alpha radiolysis of aqueous nitric acid solutions


  • Résumé

    Nitric acid is widely used in spent nuclear fuel reprocessing, especially in PUREX process (Plutonium and Uranium Refining by Extraction). This process is based on liquid-liquid extraction of Uranium (+VI) and Plutonium (+IV). Plutonium is separated from Uranium by addition of Uranium (+IV) in nitric acid, stabilized by hydrazinium ion (N2H5+). However, the radiolysis of nitric acid, result of the presence of alpha emitting radionuclides, generates in solutions free radicals and molecular species. These species are capable of modifying the redox state of actinides and reacting with hydrazinium ions.The aim of this work is to reveal the chemical and physical-chemical parameters that may modify the oxidation states of Uranium and Plutonium in nitric acid solutions. Among these parameters, the role of nitrous acid and hydrogen peroxide, generated by radiolysis of the nitric acid, is very important. The objective is to redefine the kinetics of formation of hydrogen peroxide and nitrous acid during alpha radiolysis of nitric acid / sodium nitrate, as a function of three parameters: acidity, nitrate concentration and the linear energy transfer of ionizing radiation.It was shown that the formation of hydrogen peroxide decreases with increasing nitrate ions concentration and increases greatly with the acidity of the solution (until it reaches a stationary value for an acidity of 0.2 mol L-1). The formation of nitrous acid is promoted by the increase the nitrate ions concentration. It was observed that G(HNO2) varies according to two trends. The first one in dilute nitrate solutions and the second in concentrated nitrate solutions. These two trends reflect the direct and indirect radiolytic phenomena, modifying the mechanisms of formation of HNO2. The study of acidity has showed that the formation of H2O2 and HNO2 is promoted by increasing the concentration of hydronium ions, until it reaches a steady state value for an acidity close to 0.2-0.5 mol L-1.Furthermore, the effects induced by ionizing radiation (,,,…) on formation yields of H2O2 and HNO2 were studied. It has been shown that the linear energy transfer (LET), between 0.2 keV µm-1 (characteristic of a gamma radiation) and 130 keV µm-1 (characteristic of the alpha radiation emitted by radioactive decay of actinides), has a significant influence on formation yield of H2O2 and HNO2. It was observed that the impact of nitrate ions on the formation yield of H2O2 becomes more pronounced when the LET increases. Conversely, the impact of nitrate ions which promote the formation of HNO2, decreases when the LET increases.Based on these results, two parametric equations were developed. The advantage of this parameterization is to predict the radiolytic yields formation of H2O2 and HNO2 according to chemical conditions ([NO3-] ≤ 4 mol L-1 and 10-5 mol L-1 ≤ [H+] ≤ 4 mol L-1) and the nature of the beam (LET between 0.2 to 130 keV µm-1).The purpose of this study is to predict the quantity of H2O2 and HNO2 formed by radiolysis of HNO3/NaNO3, during the different steps of the nuclear fuel reprocessing.

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