Published November 21, 2011 | Version v1
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Long term alteration of glass/iron systems in anoxic conditions: contribution of archaeological analogues to the study of mechanisms

Description

The knowledge of glass alteration mechanisms arouses a great interest over the last decades, particularly in the nuclear field, since vitrification is used to stabilize high-level radioactive wastes in many countries. In the French concept, these nuclear glasses would be stored in geological repositories. This multi-barrier system (glass matrix, stainless steel container, low carbon steel over-container, geological barrier) must ensure the durable confinement of radionuclides. But laboratory experiments do not permit to predict directly the behaviour of these materials over typically a million-year timescale and the extrapolation of short-term laboratory data to long time periods remains problematic. Part of the validation of the predictive models relies on natural and archaeological analogues. Here, the analogues considered are vitreous slags produced as wastes by a blast furnace working during the 16. century in the iron making site of Glinet (Normandy, France). The choice of these specific artefacts is due to the presence of particular interface between corrosion products and glass matrix inside the blocks. Thus, they can help us to understand the influence of iron corrosion products from the steel containers on the glass alteration mechanisms and kinetics. A first part of this work concerns the characterization of the archaeological artefacts especially the interfacial area between glass and corrosion products inside cracks using micro and nano-beam techniques (μRaman spectroscopy, FEG-SEM, TEM, STXM...). This study has enabled to suggest an alteration process with different geochemical steps that leads to alteration profile observed. One of these steps is the precipitation of an iron silicate phase. In a second time, leaching experiments were set up on a synthetic glass of similar composition than the archaeological one to understand the first stages of alteration with and without iron. Two phenomena can be observed: silicon sorption and precipitation of iron silicate phase, the latter having a great impact on short term alteration kinetics. All these data underlines the importance of this iron silicate phase that seems to have a significant effect on long term alteration kinetics. In the context of nuclear glass alteration, the precipitation of this phase must be taken into account to predict long term behaviour, as it can maintain high rate of dissolution for a long time. (author)

Abstract (French)

La comprehension des mecanismes d'alteration du verre suscite l'interet de la communaute scientifique notamment de l'industrie nucleaire, depuis que la vitrification est utilisee dans de nombreux pays pour stabiliser les dechets radioactifs de haute activite obtenus apres le retraitement des combustibles uses. En France, on envisage de les stocker dans les argilites du Callovo-oxfordien de l'Est du bassin parisien. Il s'agit d'un stockage base sur un concept multi-barriere (matrice vitreuse, conteneur en acier inoxydable, surconteneur en fer non allie et barriere geologique) dans le but de confiner de facon durable les radionucleides. Comme les experiences en laboratoire ne permettent pas de predire directement le comportement de ces materiaux sur des echelles de temps de l'ordre du million d'annees et que l'extrapolation ou la modelisation des phenomenes sur des periodes aussi longues, a partir de donnees a court terme, reste assortie d'incertitudes, la communaute scientifique s'oriente vers des travaux complementaires destines a valider ces differentes approches tels que l'etude d'analogues naturels et archeologiques aux verres nucleaires. Pour cette raison, des laitiers de haut-fourneaux provenant d'un site siderurgique du XVIe (Glinet, Normandie) sont etudies dans le cadre de cette these. Ils comportent en leur sein des zones vitreuses dans lesquelles on observe des inclusions de fonte, corrodees en presence de l'eau qui sature leur milieu d'enfouissement. L'apport de ce travail reside dans la comprehension de l'influence du fer sur les mecanismes et les cinetiques d'alteration du verre. Pour atteindre ce but, une premiere etape a consiste a caracteriser les objets archeologiques, particulierement les interfaces entre le verre et les produits de corrosion, au sein des fissures, en utilisant des techniques d'analyses chimiques et structurales (microspectroscopie Raman, microscopie electronique a balayage ou a transmission, et microscopie par absorption de rayons X sur faisceau synchrotron...) qui permettent de les etudier de l'echelle microscopique a l'echelle nanometrique. Cette etude a permis de proposer un scenario d'alteration comportant differents mecanismes qui seraient a l'origine des facies d'alteration observes. La precipitation d'une phase de ferrosilicate a notamment pu etre mise en evidence. Dans un deuxieme temps, des experiences d'alteration sur des verres de synthese de composition et de structure similaires aux verres archeologiques ont ete menees afin de comprendre les premiers stades de l'alteration en presence ou non de fer. Deux phenomenes ont ete mis en evidence: la sorption du silicium sur les phases a base de fer et la precipitation de ferrosilicates. Ce dernier semble avoir un impact plus important sur les cinetiques d'alteration a court terme. L'ensemble de ces donnees indique que, malgre le colmatage precoce des fissures par des carbonates de fer, la presence de fer dans le milieu, rendu soluble par les conditions anoxiques et reductrices qui regnent dans le site, a conduit a augmenter significativement l'alteration du verre sur le long terme, principalement en raison de la formation de ferrosilicates. Les observations faites sur les laitiers ont ete croisees avec les donnees recentes issues des travaux sur les interactions entre le verre nucleaire, le fer et l'argilite du Callovo-Oxfordien. Il en ressort que la precipitation de ferrosilicates pourrait conduire a des effets similaires a ceux observes sur les laitiers. Une meilleure comprehension du processus en jeu, pourrait permettre d'evaluer l'impact sur la durabilite des colis et, si necessaire, proposer des solutions pour s'affranchir des effets penalisants

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Original title (French)
Alteration pluriseculaire des systemes verre/fer en milieu anoxique: apport des analogues archeologiques a la comprehension des mecanismes

Publishing Information

Imprint Pagination
321 p.
Report number
FRCEA-TH--3551

Optional Information

Notes
refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/contacts/
Secondary number(s)
CEA-R--6297