Apport de l'étude de matériaux modèles U1-xPuxO2 à la compréhension des mécanismes d'altération des combustibles UOx et MOx en stockage géologique

UOx and MOx fuels corrosion processes under geological conditions through the study of U1-xPuxO2 model materials

• Auteur / Autrice : Valentin Kerleguer
• Direction : Laurent de Windt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences et géoingénierie
• Date : Soutenance le 21/09/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de géosciences (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Moncoffre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent de Windt, Enzo Kurti, Christophe Jegou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Dacheux, Gilles Montavon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déchets radioactifs -- Élimination dans le sol

Combustibles nucléaires irradiés -- Stockage

Mots clés libres

Combustible nucléaire irradié

UOx

Stockage géologique

MOx

Uranium

Plutonium

Radiolyse

Stockage direct

Argilite

Modélisation

Transport réactif

HYTEC

Geological repository

Reactive transport

UOx fuel

MOx fuel

Spent nuclear fuel

Uranium

Plutonium

Radiolysis

Direct disposal

Claystone

Modeling

HYTEC

Résumé

L’influence des conditions environnementales du stockage géologique sur la lixiviation de la matrice des combustibles UOx et MOx a été étudiée selon une complexification progressive : eau carbonatée, eau synthétique de l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx), eau du Cox avec fer métal ou argilite. Deux matériaux modèles émetteurs alpha ont été sélectionnés : des pastilles de UO2 faiblement dopées en Pu et des pastilles homogènes de MOx U0.73Pu0.27O2. Les protocoles expérimentaux, spécifiquement développés, ne montrent pas un effet important de l’argilite sur l’altération de UO2. Le plutonium diminue la dissolution oxydante du MOx U0.73Pu0.27O2 et accentue la décomposition de H2O2 produit par la radiolyse de l’eau. La dissolution du MOx est réduite en eau du COx et très inhibée en présence de fer suite à la consommation de H2O2 par les ions Fe2+produits par la corrosion anoxique du fer, avec précipitation de magnétite sur les pastilles. Les modèles géochimiques (code CHESS) et du transport réactif (code HYTEC), développés pour l’altération du MOx homogène, simulent correctement les principaux résultats expérimentaux et mécanismes mis en jeu. Les processus d’altération des matrices de UOx et MOx sont très similaires en conditions environnementales.

The effects of the geological disposal environment on the leaching of the oxide matrices of UOx and MOx fuels were investigated following a step-by-step procedure: carbonated water, synthetic porewater of the Collovo-Oxfordian (COx) argillite, synthetic porewater in presence of iron or argillite samples. Two types of alpha-emitting materials were considered, UO2 pellets doped with a low Pu content, and pellets of homogenous U0.73Pu0.27O2 MOx fuel. The experimental protocols did not show any significant effect of the argillite on the UO2alteration. Plutonium decreased the oxidative dissolution of U0.73Pu0.27O2 and enhanced the disproportionation of the H2O2 produced by water radiolysis. The dissolution of the MOx matrix decreased in COx water. It was strongly inhibited in presence of iron which anoxic corrosion liberated Fe2+ in solution that fully reacted with the radiolytic H2O2, leading to magnetite precipitation on the pellet surface. Geochemical (CHESS code) and reactive transport (HYTEC code) models, which were developed for the homogeneous MOx alteration,correctly simulated the main experimental data and the underlying mechanisms. The alteration processes of UOx and MOx matrices were found to be very similar under the present environmental conditions.