Nuclear glass alteration under alpha-irradiation and environmental conditions
Description
This work intends to provide a better understanding of the alteration of R7T7-type nuclear waste glass in a complex environment such as the deep geological repository. This approach aims to progressively complexify the glass leaching environment in order to better understand the mechanisms involved on the alteration of a radioactive glass in contact with the Callovo-Oxfordian groundwater (COx groundwater) and an iron source, simulating the glass carbon steel overpack. First, the study focusses on the impact of groundwater on the glass alteration under the residual rate regime at 70 C. Results show that magnesium present in the Callovo-Oxfordian groundwater contributes, over a pH threshold, to the precipitation of magnesium phyllosilicates consuming the passivating gel and thus increasing the glass alteration. This work confirms previous studies and brings new data at 70 C. Thereafter, an iron source was introduced in the leaching environment (glass - COx groundwater) in order to simulate the carbon steel overpack. The experiments were performed in an anoxic environment with a glass monolith and an iron foil, facing each other with an 80 μm gap, and then immersed in the COx groundwater at 70 and 90 C. On these conditions, a weak impact of the temperature was perceived on the kinetics and the reactions controlling glass alteration. The iron corrosion led mainly to the precipitation of siderite (an Fe2+-carbonate) and aragonite (a calcium carbonate). Furthermore, an increase of glass alteration was observed while using an iron foil. The main cause explaining this phenomenon is the formation of iron silicates, as seen with magnesium silicates, precipitating at the expense of the passivating gel. These phases were identified mainly at the oxidation state III, indicating an iron oxidation near the glass. It should be noted that in this case, magnesium precipitation is suppressed and only iron silicates precipitate. Finally, the influence of irradiation on glass alteration was studied. Water radiolysis induces the production of oxidizing species such as H2O2 at the glass/water interface. Therefore, a first study focused on glass alteration in the COx groundwater in the presence of H2O2 under the residual rate regime. Results showed that this specie decomposition was higher at the surface of the glass grains and seemed to have a very local impact, favouring the magnesium silicate precipitation and the enhancement of glass alteration. This prompt effect was only observed locally on grains at the surface of the reactor. However, globally, the data showed that H2O2 does not have a significant impact on glass alteration in this residual rate regime and this geometry. At last, this work came to experiments using a radioactive glass, doped with 238Pu, altered in the COx groundwater at 70 C in the presence of an iron source, and using the same geometry than the one conducted with the non-radioactive glass. The glass characteristics allowed us to focus only on the α-dose rate effect. Comparing with the non-radioactive reference, a higher iron oxidation was noticed, with the precipitation of iron oxides at the oxidation state III, such as goethite and ferrihydrite. This can be explained by the reaction between H2O2 and iron, favouring the oxidation of Fe2+ to Fe3+. From solution analysis and the first SEM observations, it seems that globally, the glass alteration thickness is the same regardless the α-irradiation field. Nevertheless, supplementary data on solid characterisations must be performed in order to understand and be conclusive about the mechanisms involved on the glass alteration mechanisms under these conditions. (author)
Abstract (French)
Ce travail de these s'interesse a l'alteration des verres nucleaires, et plus precisement a la durabilite du verre de reference SON68, dans un systeme complexe simulant les conditions du stockage geologique profond. L'approche repose sur une complexification progressive du systeme afin de mieux comprendre les mecanismes regissant l'alteration du verre irradiant au contact de l'eau du site (eau du Callovo-Oxfordien) et en presence de fer simulant le surconteneur. Dans un premier temps, l'etude se focalise sur l'effet de l'eau souterraine sur l'alteration du verre de reference non radioactif dans le regime de vitesse residuelle a 70 C. Les resultats montrent que le magnesium present dans l'eau contribue, au-dessus d'un pH seuil, a former des phyllosilicates magnesiens au detriment du gel passivant, ce qui induit une augmentation de l'alteration du verre. Cette etude confirme des travaux anterieurs et apportent de nouvelles donnees a 70 C. Par la suite, une source de fer est introduite dans le systeme (verre non radioactif - eau du COx) afin de simuler la presence du surconteneur. Les experiences sont menees en milieu anoxique sur des monolithes de verre et de fer, mis en regard et separes d'environ 80 μm, puis immerges dans l'eau du COx a 70 et 90 C. Dans ces conditions, il est observe que la temperature n'induit qu'un faible impact sur les cinetiques et les reactions qui controlent l'alteration du verre. La corrosion du fer conduit principalement a la precipitation de siderite (carbonate de fer au degre d'oxydation II) et d'aragonite (carbonate de calcium). Par ailleurs, une alteration du verre plus importante en presence de fer est observee. La cause la plus probable est la precipitation de silicates de fer, qui, comme les silicates magnesiens, se forment au detriment du gel passivant. Ces phases ont ete identifiees principalement au degre d'oxydation III, indiquant ainsi une oxydation du fer proche du verre. Dans ce cas, la precipitation de silicates magnesiens est inhibee et seuls des silicates de fer precipitent. Enfin, l'influence de l'irradiation sur le comportement du verre a ete etudiee. La radiolyse de l'eau devant produire des especes oxydantes comme H2O2 a l'interface verre/eau, une premiere etude s'est focalisee sur l'alteration du verre dans l'eau du COx en presence de H2O2 dans le regime de vitesse residuelle. Les resultats montrent que la decomposition de cette espece a la surface des grains de verre semble avoir un impact local en favorisant la precipitation de silicates magnesiens et, par consequent, en augmentant l'alteration du verre. Cet effet est immediat et ne se produit que tres localement sur les grains en surface du reacteur. Mais, globalement, les donnees montrent que cette espece n'a pas un impact significatif sur l'alteration du verre dans le regime cinetique residuel et pour la geometrie consideree. Ce travail s'acheve par la realisation de deux experiences d'alteration d'un verre radioactif, dope en 238Pu, et altere dans l'eau du COx a 70 C en presence de fer, en suivant une geometrie similaire a celle conduite sur le verre non radioactif. Les caracteristiques du verre permettent de s'interesser a l'effet du debit de dose α. Par rapport aux temoins non radioactifs, une plus forte oxydation du fer est mise en evidence, avec principalement des precipites de goethite et de ferrihydrite, oxydes de fer au degre d'oxydation III. Cette precipitation de phases oxydees peut s'expliquer par la reaction entre H2O2 et Fe qui favoriserait l'oxydation du Fe2+ en Fe3+. Sur la base des analyses de solution et des premieres observations par MEB, il semble que les epaisseurs de verre altere soient globalement similaires en presence d'un champ d'irradiation α et dans le milieu non radioactif temoin. Neanmoins, des caracterisations complementaires du solide devront etre realisees afin de mieux comprendre les processus limitants
Files
Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Etude des mecanismes d'alteration des verres nucleaires sous radiolyse alpha et en conditions environnementales
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 261 p.
- Report number
- FRCEA-TH--10343
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 51097770
- Subject category
- S36: MATERIALS SCIENCE; S12: MANAGEMENT OF RADIOACTIVE WASTES, AND NON-RADIOACTIVE WASTES FROM NUCLEAR FACILITIES;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ENVIRONMENT; GLASS; GROUND WATER; HYDROLYSIS; IRON; KINETICS; LEACHING; POTENTIOMETRY; RADIOLYSIS; SCANNING ELECTRON MICROSCOPY; TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY; UNDERGROUND STORAGE
- Descriptors DEC
- CHEMICAL ANALYSIS; CHEMICAL RADIATION EFFECTS; CHEMICAL REACTIONS; DECOMPOSITION; DISSOLUTION; ELECTRON MICROSCOPY; ELEMENTS; HYDROGEN COMPOUNDS; LYSIS; METALS; MICROSCOPY; OXYGEN COMPOUNDS; QUANTITATIVE CHEMICAL ANALYSIS; RADIATION EFFECTS; SEPARATION PROCESSES; SOLVOLYSIS; STORAGE; TITRATION; TRANSITION ELEMENTS; VOLUMETRIC ANALYSIS; WATER
Optional Information
- Notes
- 256 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses
- Secondary number(s)
- CEA-R--6538