Présentation
RÉSUMÉ
Cet article présente les mécanismes d’altération par l’eau de verres silicatés avec un focus particulier sur ceux développés pour le confinement des déchets nucléaires. Il détaille l’influence de différents paramètres clés, comme la température, le pH, les variations de composition du verre et de la solution, sur ces mécanismes et explique comment la compétition entre les divers mécanismes d’altération conduit à des cinétiques qui peuvent varier sur plusieurs ordres de grandeur. Sont également présentées les méthodes expérimentales utilisables pour quantifier l’altération des verres.
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleAuteur(s)
-
Stéphane GIN : Directeur de recherche - Laboratoire d’Étude des Matériaux en Environnement complexe, CEA, Bagnols-sur-Cèze, France
INTRODUCTION
En France, comme dans de nombreux autres pays, le verre constitue la solution de référence pour le conditionnement des déchets radioactifs à vie longue. En effet, c’est un matériau amorphe qui peut incorporer de très nombreux éléments chimiques. Il est donc bien adapté pour les solutions de produits de fission issues du traitement des combustibles usés des centrales nucléaires. De plus, le verre est un matériau relativement facile à élaborer : les procédés de vitrification des déchets solides ou liquides ne nécessitent pas un nombre important d’étapes ni de transferts de matière ; le verre peut être coulé directement dans un conteneur de stockage. C’est le seul procédé de solidification compatible avec des niveaux élevés de radioactivité qui ait abouti sur le plan industriel, quand, dans les années 1960, divers procédés de solidification ont été envisagés. Enfin, le verre est un matériau durable, à la fois vis-à-vis des effets de l’irradiation et de l’altération par l’eau. Sur ce dernier point en particulier, la nécessité de quantifier l’évolution à très long terme des capacités de confinement des produits de fission dans la matrice vitreuse a conduit à développer une solide connaissance des mécanismes d’altération de ces verres malgré la difficulté inhérente à la mesure de très faibles vitesses d’altération.
Après avoir rappelé quelques caractéristiques de base des verres silicatés, et en particulier celles des verres alumino-borosilicatés dont la composition est adaptée au conditionnement des déchets nucléaires, cet article présente la phénoménologie générale observée lors de l’altération aqueuse de ces matériaux, puis détaille les mécanismes en jeu en soulignant l’influence des différents paramètres (température, pH, composition des verres et des solutions altérantes). Il explique enfin comment la compétition entre les divers mécanismes d’altération conduit à des cinétiques d’altération qui, suivant les conditions, peuvent varier sur plusieurs ordres de grandeur. Sont également présentées les méthodes expérimentales utilisables pour caractériser les mécanismes et quantifier les cinétiques d’altération des verres ainsi que les principaux modèles.
Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95 % à découvrir.
Déjà abonné ? Se connecter
MOTS-CLÉS
VERSIONS
- Version archivée 1 de déc. 2014 par Isabelle RIBET, Nicole GODON
DOI (Digital Object Identifier)
CET ARTICLE SE TROUVE ÉGALEMENT DANS :
Accueil > Ressources documentaires > Matériaux > Verres et céramiques > Sciences et technologies du verre > Altération par l’eau des verres silicatés - Exemple des verres nucléaires > Phénoménologie générale de l’altération des verres par l’eau
Accueil > Ressources documentaires > Matériaux > Corrosion Vieillissement > Matériaux : résistance à la corrosion et au vieillissement > Altération par l’eau des verres silicatés - Exemple des verres nucléaires > Phénoménologie générale de l’altération des verres par l’eau
Présentation
Mécanismes d’altération des verres par l’eauArticle inclus dans l'offre
"Génie nucléaire"
(171 articles)
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques.
Quiz, médias, tableaux, formules, vidéos, etc.
Opérationnels et didactiques, pour garantir l'acquisition des compétences transverses.
Un ensemble de services exclusifs en complément des ressources.
2. Phénoménologie générale de l’altération des verres par l’eau
Du fait du désordre structural figé à haute température, le verre est un solide métastable qui, au contact de l’eau, s’altère de manière irréversible. En s’altérant, l’énergie interne du système verre/fluide diminue. Mais l’atteinte d’un équilibre thermodynamique entre le verre et la solution n’est pas possible car des phases secondaires se forment et contrôlent la composition de la solution loin de l’équilibre. La question fondamentale qui se pose dès lors est de savoir suivant quels mécanismes et à quelle vitesse le verre s’altère.
Considérons un échantillon de verre nucléaire sain placé dans de l’eau désionisée en système fermé. L’hydratation, phénomène correspondant à la diffusion de l’eau, dissociée ou non, dans le réseau vitreux est extrêmement lente et peut être négligée. L’altération est donc un phénomène affectant les premières couches atomiques en surface du matériau. La première étape, généralement de très courte durée (quelques secondes pour le verre SON68 d’après la figure 2) correspond à l’interdiffusion – ou relâchement préférentiel des éléments modificateurs de réseau – entraînant la formation d’une couche hydratée et désalcalinisée (équation (1)).
Suivant...
Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 93 % à découvrir.
Déjà abonné ? Se connecter
Phénoménologie générale de l’altération des verres par l’eau
Article inclus dans l'offre
"Génie nucléaire"
(171 articles)
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques.
Quiz, médias, tableaux, formules, vidéos, etc.
Opérationnels et didactiques, pour garantir l'acquisition des compétences transverses.
Un ensemble de services exclusifs en complément des ressources.
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ZARZYCKI (J.) - Les Verres et l’état Vitreux. - Masson, Paris (1982).
-
(2) - GIN (S.), DELAYE (J.), ANGELI (F.), SCHULLER (S.) - Aqueous alteration of silicate glass: state of knowledge and perspectives. - NPJ Mater. Degrad., 5 (2021).
-
(3) - GRAMBOW (B.) - Nuclear waste glasses – How durable? - Elements, 2, p. 357-364 (2006).
-
(4) - BUNKER (B.C.), ARNOLD (G.W.), DAY (D.E.), BRAY (P.J.) - The effect of molecular structure on borosilicate glass leaching. - J. Non-Cryst. Solids, 87, p. 226-253 (1986).
-
(5) - ZAPOL (P.), HE (H.), TAN (X.) - First-principles study of barriers for hydrolysis reactions in silicate minerals and glasses. - Abstr. Pap. Am. Chem. Soc., 245 (2013).
-
(6) - FERRAND (K.), ABDELOUAS (A.), GRAMBOW (B.) - Water...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Caractérisation des déchets — Méthodologie pour la détermination du comportement à la lixiviation d’un déchet dans des conditions spécifiées - NF EN 12920+A1 - 2008
-
Énergie nucléaire — Test de durabilité chimique en mode Soxhlet — Application aux matrices vitrifiées des déchets radioactifs de haute activité - ISO 16797 - 2004
ANNEXES
Logiciels
Logiciels CHESS et HYTEC (code géochimie – transport), développé par l’école des mines de Paris, J. van der Lee, L. De Windt, V. Lagneau, P. Goblet, Comput. Geosci., 29 (2003), p. 265 à 275 https://chess.geosciences.mines-paristech.fr/
Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Service d’Etude des Matériaux et de l’Etanchéité, CEA Marcoule, Bagnols-sur-Cèze, France
HAUT DE PAGE
Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 94 % à découvrir.
Déjà abonné ? Se connecter
Article inclus dans l'offre
"Génie nucléaire"
(171 articles)
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques.
Quiz, médias, tableaux, formules, vidéos, etc.
Opérationnels et didactiques, pour garantir l'acquisition des compétences transverses.
Un ensemble de services exclusifs en complément des ressources.
QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
Entraînez-vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
L'expertise technique et scientifique de référence
Article inclus dans l'offre
"Génie nucléaire"
(171 articles)
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques.
Quiz, médias, tableaux, formules, vidéos, etc.
Opérationnels et didactiques, pour garantir l'acquisition des compétences transverses.
Un ensemble de services exclusifs en complément des ressources.
