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RÉSUMÉ
Cet article présente les mécanismes d’altération par l’eau de verres borosilicatés, il détaille l’influence des différents paramètres, comme la température, le pH, les variations de composition des verres et des solutions altérantes, sur ces mécanismes et explique comment la compétition entre les divers mécanismes d’altération conduit à des cinétiques d’altération différentes dépendant de la chimie et des taux de renouvellement des solutions. Sont également présentées les méthodes expérimentales utilisables pour quantifier les cinétiques d’altération des verres.
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Isabelle RIBET : Ingénieur général des Mines, docteur en sciences - Chef du projet Comportement à Long Terme des verres, Département d'étude du Traitement et du Conditionnement des Déchets, CEA Marcoule, Bagnols-sur-Cèze, France
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Nicole GODON : Docteur en sciences de la terre - Chercheur au Laboratoire d'étude du Comportement à Long Terme, CEA Marcoule, Bagnols-sur-Cèze, France
INTRODUCTION
Le verre constitue la solution de référence pour le conditionnement des déchets de haute activité à vie longue. En effet, c'est un matériau amorphe qui peut incorporer dans une matrice homogène de très nombreux éléments chimiques avec des stœchiométries très variables, ce qui est en particulier le cas 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 soixante, 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 bonne connaissance des mécanismes d'altération de ces verres malgré la difficulté inhérente à la quantification expérimentale de très faibles vitesses d'altération.
Après avoir rappelé quelques caractéristiques de base des verres, et en particulier les verres borosilicatés dont la composition est adaptée au conditionnement des déchets nucléaires, cet article présente donc la phénoménologie générale observée lors de l'altération à long terme de verres borosilicatés par des eaux naturelles, puis détaille les mécanismes d'altération par l'eau de ces verres en soulignant l'influence des différents paramètres (température, pH, variations de composition des verres et des solutions altérantes) sur ces mécanismes. Il explique enfin comment la compétition entre les divers mécanismes d'altération conduit à des cinétiques d'altération différentes et représentatives des taux de renouvellement des solutions. Sont également présentées les méthodes expérimentales utilisables pour caractériser les mécanismes et quantifier les cinétiques d'altération des verres.
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Mécanismes d'altération des verres par l'eau
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2. Phénoménologie générale de l'altération des verres par l'eau
D'une manière générale, après que l'eau a pénétré dans le verre (hydratation) et après une étape initiale très courte marquée par une interdiffusion prépondérante (relâchement préférentiel des éléments modificateurs de réseau, entraînant la formation d'une couche hydratée), la dissolution du verre devient congruente pour les éléments majeurs (Si, B, Al…) et est dominée par la réaction d'hydrolyse du réseau silicaté. C'est la phase durant laquelle le verre se dissout à sa vitesse initiale V 0 ; cette phase, mesurée en eau pure, est caractéristique de la stabilité intrinsèque de la matrice. Pour le verre SON68, la vitesse initiale V 0 à 90 oC et à pH neutre est de 0,32 μm/j (environ 0,9 g · m–2 · j–1).
Cette phase, courte en milieu statique, est suivie par une phase intermédiaire durant laquelle les concentrations en solution augmentent plus lentement compte tenu d'un ralentissement souvent notable de la vitesse d'altération du verre. Cette période est appelée « chute de vitesse ». Cette chute de la vitesse d'altération, longtemps associée à la seule approche d'un équilibre thermodynamique (affinité) entre le verre et la solution, est aussi associée à la formation d'une pellicule d'altération qui joue un rôle de barrière diffusive, et a donc un rôle protecteur. Cette pellicule d'altération est constituée d'une couche de verre hydraté, d'un gel formé notamment par la recondensation d'une partie du Si hydrolysé et de phases secondaires néoformées. Elle piège par sorption et coprécipitation une partie des radioéléments initialement retenus dans le verre altéré. La zone de cette pellicule d'altération représentant un frein au transport pour les espèces réactives est appelée « IRP » (interphase réactive passivante). Le rôle passivant de l'IRP est d'autant plus efficace qu'elle est dense et peu poreuse. La formation d'une IRP efficace est favorisée par l'augmentation des concentrations élémentaires en solution (notamment en silicium) et la présence d'éléments peu solubles apportés par le verre (notamment l'aluminium, le zirconium ou même le calcium).
La durée de cette période de chute de vitesse et son amplitude dépendent donc de la composition...
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Phénoménologie générale de l'altération des verres par l'eau
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ZARZYCKI (J.) - Les verres et l'état vitreux. - Masson, Paris (1982).
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(2) - GRAMBOW (B.) - Nuclear waste glasses – How durable ?, Elements 2. - p. 357-364 (2006).
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(3) - BUNKER (B.C.), ARNOLD (G.W.), DAY (D.E.), BRAY (P.J.) - The effect of molecular structure on borosilicate glass leaching. - Journal of Non-Crystalline Solids, 87, p. 226-253 (1986).
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(4) - FERRAND (K.), ABDELOUAS (A.), GRAMBOW (B.) - Water diffusion in the simulated french nuclear waste glass SON 68 contacting silica rich solutions : experimental and modeling. - Journal of Nuclear Materials, 355, p. 54-67 (2006).
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(5) - OJOVAN (M.I.), PANKOV (A.), LEE (W.E.) - The ion exchange phase in corrosion of nuclear waste glasses. - Journal of Nuclear Materials, 358, p. 57-68 (2006).
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(6) - McGRAIL (B.P.), ICENHOWER...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
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/
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AFNOR X30-407 – ENV 12920 (10-06), Methodology for the determination of the leaching behaviour of waste under specified conditions
AFNOR NF M 60-313 [NF M 60-313] (12-06), Technologie du cycle du combustible nucléaire déchets-test de durabilité chimique en mode Soxhlet. Application aux matériaux issus des procédés de vitrification
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