Published November 20, 2023 | Version v1
Report Restricted

Study of the mechanisms of production by hydrothermal process and of alteration in various media of reference actinide oxide particles

Description

I.A.E.A. (International Atomic Energy Agency) ensures the respect of the Nuclear Non-Proliferation Treaty by inspecting the nuclear facilities of signatory countries. The smears collected during these inspections are then sent to the Agency's support laboratories (including that of CEA/DAM) for isotopic analyses aiming to assess the nature of the facility's activities (civilian or military). However, the very small number of particles present on the smears (a few tens) and their size, generally less than one micrometer, represent an analytical challenge for the support laboratories. It is then essential to have reference particles whose chemical nature, isotopy, size and morphology are controlled, and which can be used for inter-comparison tests and for the development of the analytical techniques used, in particular LG-SIMS (Large Geometry Secondary Ion Mass Spectrometry). The work undertaken in the course of this thesis enabled us to consolidate the synthesis protocol for spherical uranium oxide particles of controlled size, based on the literature. Batch of particles with diameters ranging from 320 ± 20 nm to 2450 ± 220 nm were prepared. Several improvements were made to the initial protocol to adapt it to 235U-enriched isotopies. The synthesis was thus scaled down to reduce the amount of uranium used by a factor of 4. Also, different routes for using hexavalent uranium starting reagents were investigated, in particular the reduction of U(VI) by Ti(III) in the form of TiCl3. Unfortunately, this method was not found to be robust and needs to be improved. In addition, uranium-thorium mixed oxides microparticles were produced. SEM analysis confirmed the conservation of particle size and spherical morphology. XRD analysis demonstrated that heat treatment in a reducing atmosphere fixed the particles in the (U1-xThx)O2+δ form. Particles treated under an oxidizing atmosphere were in the U3O8:Th form up to a content of 2 mol%, and underwent demixing to form (U3O8 + AnO2) beyond. LG-SIMS analyses also showed a small dispersion in the 238U/232Th molar ratio between the individual particles of one batch. Finally, to envisage the particles storage as suspensions, UO2 and U3O8 particles alteration experiments were carried out in 10-2 M HNO3, water and ethanol. Experiments in nitric media showed greater alteration for UO2 particles than for U3O8 particles, with complete disappearance of the spherical morphology. Moreover, the dissolution kinetics of the particles are similar to the dissolution of bulk material. In aqueous media, UO2 and U3O8 particles showed a morphology transformation linked to the formation of schoepite as a secondary phase. In the case of ethanol-altered oxide particles, very little alteration was observed after more than 100 days, particularly for U3O8 particles, with preservation of structure, spherical morphology and 235U/238U isotopy. In conclusion, a storage in ethanol in the U3O8 form and in a dry atmosphere to avoid the formation of schoepite on the surface could be recommended over the long-term. (author)

Abstract (French)

L'A.I.E.A. (Agence Internationale de l'Energie Atomique) veille au bon respect du traite de non-proliferation des armes atomiques en inspectant les installations nucleaires des pays signataires. Les frottis collectes lors de ces inspections sont par la suite envoyes dans les laboratoires supports de l'Agence (dont celui du CEA/DAM) afin de realiser des analyses isotopiques permettant de determiner la nature des activites operees par l'installation (civile ou militaire). Cependant, la tres faible quantite de particules presentes sur les frottis (de l'ordre d'une dizaine) ainsi que leur taille, generalement inferieure au micrometre, constituent un defi analytique. Il est donc primordial de disposer de particules de reference dont la nature chimique, l'isotopie, la taille et la morphologie sont controlees, et qui pourront etre utilisees dans le cadre d'exercices d'inter-comparaison et pour le developpement des techniques analytiques utilisees, dont en particulier le LG-SIMS (Large Geometry Secondary Ion Mass Spectrometry). Les travaux entrepris au cours de ce travail de these ont tout d'abord permis de consolider le protocole de synthese de particules spheriques d'oxyde d'uranium de taille controlee, en se basant sur les travaux de la litterature. Des lots de particules de tailles comprises entre 320 ± 20 nm et 2450 ± 220 nm ont ainsi ete prepares. Plusieurs ameliorations ont ete apportees au protocole initial afin de permettre son adaptation a des isotopies d'uranium enrichies en 235U. Un changement d'echelle de la synthese a notamment ete opere de maniere a diminuer la quantite d'uranium utilisee d'un facteur 4. Differentes voies permettant l'emploi de reactifs de depart contenant de l'uranium hexavalent ont egalement ete etudiees, utilisant en particulier la reduction de U(VI) par Ti(III) sous forme de TiCl3. Malheureusement, cette methode s'est averee peu robuste et doit etre amelioree. Par ailleurs, des microparticules d'oxydes mixtes d'uranium et de thorium ont ete produites. Des analyses MEB ont permis de confirmer la conservation de la taille et de la morphologie spherique des particules. Les analyse DRX ont par ailleurs demontre qu'un traitement thermique sous atmosphere reductrice permet de fixer les particules sous la forme (U1-xThx)O2+δ. Les particules traitees sous atmosphere oxydante presente une forme U3O8:Th jusqu'a une teneur de 2 %molaire en thorium, puis subissent une demixtion en deux phases (U3O8 + AnO2) au-dela. Les analyses LG-SIMS ont egalement montre une faible dispersion du rapport isotopique 238U/232Th au sein d'un lot de particules. Enfin, de maniere a envisager le stockage des particules sous forme de suspensions, des experiences d'alteration des particules d'UO2 et d'U3O8 ont ete realisees dans HNO3 10-2 M, l'eau et l'ethanol. Les experiences en milieu nitrique ont montre une alteration plus importante pour les particules d'UO2 que pour les particules d'U3O8 avec une disparition complete de la morphologie spherique. De plus, la cinetique de dissolution des particules appara�t semblable a celle d'un materiau massif. En milieu aqueux, les particules d'UO2 et U3O8 ont montre un changement de la morphologie lie a la formation de schoepite en tant que phase secondaire. Dans le cas des particules d'oxydes alterees dans l'ethanol, une tres faible alteration a ete relevee apres plus de 100 jours, en particulier pour les particules d'U3O8, avec une conservation de la structure, de la morphologie spherique et de l'isotopie 235U/238U. Il semble ainsi preferable de stocker ces particules dans l'ethanol sous la forme U3O8, et sous atmosphere seche pour eviter la formation de schoepite en surface

Files

Restricted

The record is publicly accessible, but files are restricted to users with access.

Additional details

Additional titles

Original title (French)
Etude des mecanismes de formation par procede hydrothermal et d'alteration dans differents milieux de particules de reference d'oxydes d'actinides

Publishing Information

Imprint Pagination
194 p.
Report number
FRCEA-TH--17064

Optional Information

Notes
210 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses