Cinétiques de dissolution des cristaux dans les silicates fondus - contexte des verres nucléaires

par Judith Renaud (Fournier)

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Olivier Pinet et de François Faure.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec LCLT - Laboratoire d'étude du Comportement à Long Terme des matériaux de conditionnement - CEA Marcoule (laboratoire) depuis le 03-11-2014 .


  • Résumé

    Le confinement des déchets nucléaires via leur vitrification est réalisé par le mélange, à haute température, d'un précurseur vitreux (appelé « fritte ») et d'un composé complexe contenant les radionucléides issus du retraitement des combustibles usagés (appelé « calcinat »). La formulation et les procédés d'élaboration des verres de confinement doivent permettre de maîtriser les phénomènes de cristallisation qui peuvent intervenir tout au long du procédé de vitrification. Les conditions d'apparition et de croissance de ces cristaux ont déjà fait l'objet de nombreuses études. Cependant, la compréhension de la dissolution de ces cristaux dans les fontes verrières est à approfondir. Cette thèse a pour objectif d'acquérir les éléments de connaissance pour décrire les mécanismes et les cinétiques intervenant lors de la dissolution des cristaux afin de les modéliser. Dans ce but, deux compositions de verres, cristallisant des silicates de terres rares de type Ca2TR8(SiO4)6O2, ont été sélectionnées pour l'étude : un premier verre simplifié analogue du verre de confinement actuel, et un verre enrichi en Nd présentant des taux de cristallisation conséquents. Du fait de la volatilité de B et Na dans nos systèmes, les études se font à l'aide de techniques ex-situ en système fermé après traitement thermique. L'acquisition d'images au MEB couplée à de l'analyse d'images permet de suivre la dissolution des cristaux au cours du temps pour différentes températures. En compléments, des analyses par microsonde sont réalisées. Toutes ces techniques permettent de comprendre la phénoménologie et en particulier, les cinétiques et mécanismes de la dissolution.

  • Titre traduit

    Dissolution kinetics of crystals in silicate melts - context of nuclear glasses


  • Résumé

    In France, the vitrification of High Level radioactive waste consists in the incorporation of a complexed compound made of radionuclides (called “calcinate”) coming from nuclear spent fuel treatment in a glass melt (named “fritte”) at high temperature. In order to obtain the glass homogeneity, crystallized phases formed at different stages of the melting process have to be dissolved. Nucleation and growth of these phases have already been studied. But, to date, few studies on their dissolution in nuclear glass melt have been performed. The goal of this PhD work is to acquire knowledge on mechanisms and kinetics which play roles during the crystals dissolution with the aim of modelling them. In order to do this, two glass compositions which crystallize rare earth silicates of formula Ca2TR8(SiO4)6O2, were selected. The first one called “simplified UOx” is a simplified analogue of the current nuclear glass. The second one is a Nd-enriched glass which presents high crystallization rates. Because of the high volatility of B and Na at high temperature, experiments were made with ex-situ technics, after thermal treatment in closed systems. The crystals dissolution according to time and temperatures is obtained thanks to SEM coupled with image analysis. Chemical analyses are made by microprobe to complete the study. By all these methods, it is possible to understand the phenomenology of the dissolution and in particular the kinetic, thermodynamic and chemical properties.