Chemical diffusion in borosilicate glasses of nuclear interest
Description
Chemical diffusion is a key-phenomenon during nuclear glass synthesis. At high temperature, diffusion leads to homogenization of the melt contributing to the transformation of heterogeneous waste and vitreous precursors to a homogeneous glass after cooling. In contrast, in the supercooled liquid, diffusion is a critical factor affecting phase separation and/or crystallization processes that must be avoided when producing a high quality final product.In this manuscript, the impact of chemical diffusion on crystallization and liquid homogenization is studied for a simplified sodium borosilicate glass between its glass transition temperature and its synthesis temperature. For this kind of system, qualified as multicomponent, the description of diffusive phenomena requires the calculation of a diffusion matrix that takes into account diffusive couplings between species. These couplings can be written in the form of diffusive mechanisms or 'diffusive exchanges' that are invariant with temperature. The activation energies associated with these exchanges are close to the activation energy of shear viscosity which suggests that viscous flow and chemical diffusion are driven by a single mechanism related to the frequency of Si-O and B-O bond breaking. It is also highlighted that in the supercooled liquid, the principal diffusive exchange (SiO2-Na2O) and the secondary diffusive exchange (SiO2-B2O3) play a significant role on the kinetics and direction of growth of crystalline phases which are formed in our system. These results are used to rationalise the evolution of compositional gradients in the vicinity and far from crystals. In the last part of this work, a complexification of the glasses was initiated by adding lanthanum to simulate one of the main lanthanides of the R7T7 nuclear glass composition. The data collected reveal diffusive couplings between lanthanum and silicon. These couplings, combined with the other results explain the formation of a lanthanum borosilicate phase (LaBSiO5). (author)
Abstract (French)
La diffusion chimique est un phenomene cle dans l'elaboration des verres d'interet nucleaire. A haute temperature, dans le liquide, elle permet l'homogeneisation des flux de matiere (precurseurs vitreux et dechets) et conduit a la formation d'un verre homogene apres refroidissement. A contrario, dans le liquide surfondu, elle peut etre a l'origine de processus de separation de phase ou de cristallisation qui doivent etre controles pour le bon fonctionnement du procede. Dans cette these, l'influence de la diffusion chimique sur les processus de cristallisation et d'homogeneisation du liquide est etudiee pour un verre simplifie de type borosilicate de sodium entre sa temperature de transition vitreuse et sa temperature d'elaboration. Pour ce type de systeme, qualifie de multicomposants, la description des phenomenes diffusifs necessite le calcul d'une matrice de diffusion prenant en compte la diffusion couplee des especes. Ces couplages sont retranscrits au travers de mecanismes de diffusion ou 'echanges diffusifs' qui sont invariants avec la temperature. Les energies d'activation associees a ces echanges sont proches de l'energie d'activation de l'ecoulement visqueux ce qui montre que le flux visqueux et la diffusion chimique sont pilotes par un seul et meme mecanisme en lien avec la frequence de rupture des liaisons Si-O et B-O. Nous mettons egalement en evidence que dans le liquide surfondu, les echanges diffusifs primaire (SiO2-Na2O) et secondaire (SiO2-B2O3) jouent un role preponderant sur la cinetique de cristallisation et la direction de croissance des phases cristallines (cristobalite et tridymite) formees dans nos systemes. Ces resultats permettent de justifier l'evolution des gradients de compositions a proximite et loin des cristaux. Dans la derniere partie du manuscrit, une complexification des verres a ete initiee en ajoutant du lanthane pour simuler un des lanthanides majoritairement presents dans la composition du verre nucleaire de reference R7T7. Les donnees obtenues ont revele un couplage diffusif entre le lanthane et le silicium qui entre en competition avec les autres couplages mis en evidence dans le ternaire SiO2-Na2O-B2O3. Ce couplage, combine aux autres resultats de la these, permet d'expliquer la formation d'une phase de type borosilicate de lanthane (LaBSiO5). (l'auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Diffusion chimique dans les verres borosilicates d'interet nucleaire
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 221 p.
- Report number
- FRCEA-TH--10072
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 50020465
- Subject category
- S36: MATERIALS SCIENCE; S37: INORGANIC, ORGANIC, PHYSICAL AND ANALYTICAL CHEMISTRY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- BOROSILICATE GLASS; COUPLING; CRYSTAL GROWTH; CRYSTAL STRUCTURE; DIFFUSION; SODIUM COMPOUNDS; VISCOSITY
- Descriptors DEC
- ALKALI METAL COMPOUNDS; GLASS
Optional Information
- Notes
- 136 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses