Etude de zirconates de structure pyrochlore en tant que matrice pour la transmutation ou le conditionnement des actinides mineurs

Study of pyrochlore-type zirconates as matrix for the transmutation or the storage of minor actinides

• Auteur / Autrice : Stéphanie Lutique
• Direction : Jean-Claude Krupa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Rayonnement et environnement
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Matrice inerte

Matrice de conditionnement

Déchets nucléaires

Résumé

La loi "Bataille" définit le cadre des études pour une gestion optimisée des déchets nucléaires, incluant la séparation des éléments les plus radiotoxiques pour les transmuter en élément moins radiotoxiques ou les stocker à long terme. Ces deux applications nécessitent l'utilisation d'une matrice répondant à plusieurs critères spécifiques. Ce travail effectué au cours de la thèse a pour but d'étudier une matrice potentielle pour la transmutation ou le stockage des actinides après leur séparation: le zirconate de type pyrochlore A2Zr2O7 (A est un lanthanide ou un actinide). Le développement d'un procédé de synthèse a conduit à la production de pastilles de zirconate de néodyme d'une densité de plus de 95 % de la densité théorique. La méthode d'infiltration de solution active dans un précurseur inactif a permis l'incorporation de plutonium et d'uranium et la production de pastilles denses de structure pyrochlore de type Nd(1,57)[Pu/U](0,43)Zr2O(7+y). A l'aide de trois techniques de calorimétrie, la capacité calorifique de zirconate de lanthanide à été déterminée dans l'intervalle de température 0,4 à 1400 K. La diffusivité thermique à été mesurée pour le zirconate de néodyme entre 400 et 1400 K et la conductivité thermique a été déduite. Une simulation numérique du comportement thermique sous irradiation d'un combustible à base de zirconate a été réalisée. La résistance à l'irradiation a été testée par implantation d'ions par accélérateur simulant les produits de fission et les noyaux de recul alpha. Enfin, après implantation d'ions d'hélium dans la matrice, le relâchement du gaz hélium a été contrôlé. Au vu de l'ensemble de ces résultats, il est apparu que les zirconates de type pyrochlore sont utilisables comme matrice pour la transmutation uniquement sous forme d'inclusions dans un composite. Une étude complémentaire du comportement de ce type de composé sous lixiviation est nécessaire pour apporter une conclusion quant à son usage comme matrice de conditionnement.

The "Bataille" law gives orientations for nuclear waste management optimisation, which includes the partitioning of the most radiotoxic elements (the actinides and some fission products) in order to transmute them into less radiotoxic elements or to store for long term. For both applications a matrix with specific criteria is needed to incorporate the radionuclides. The aim of this work was the study of a potential matrix for the transmutation or the storage of actinides after their partitioning: pyrochlore zirconate, which general formula is A2Zr2O7, where A is a lanthanide or a actinide. A fabrication process was developed leading to the production of neodymium zirconate with a density higher than 95 % of the theoretical density. The method of infiltration of active solution in an inactive precursor permitted to incorporate plutonium and uranium and to produce highly dense pellet with pyrochlore structure and general formula Nd(1,57)[Pu/U](0,43)Zr2O(7+y). Using three calorimetric techniques, the lanthanide zirconate heat capacity was measured in the temperature range [0. 4 -1400 K]. The thermal diffusivity of the neodymium zirconate was determined between 400 and 1400 K and its thermal conductivity was deduced in the same temperature range, yielding to the constant value of 1,33 W. M^(-1). S^(-l). Using this value, the thermal behaviour of a zirconate based fuel was numerically simulated. The radiation resistance of the neodymium zirconate was tested using ion implanted with several energy by accelerator in order to simulate fission products and alpha recoil atoms. Finally He ions were implanted in the matrix and their release was monitored using a Knudsen cell. Basis on all those results, it appears that pyrochlore zirconates could be used as inert matrix for the transmutation only as inclusions in composites. However, a complementary study of the compound behaviour against leaching is needed before to be able to conclude concerning it use as waste form for actinides storage.