Etude de la réactivité chimique entre les précurseurs lors de l’élaboration de verres nucléaires enrichis en molybdène

Nuclear waste glasses are produced by chemical reactions between a solid waste (calcine) and a glassy precursor (glass frit) through a high-temperature vitrification process. The waste is first dried and calcined (to lose water and nitrogen respectively), then mixed with the glass frit. A succession of physicochemical processes of impregnation, diffusion, crystallization and dissolution is involved in order to incorporate the radioactive elements within the glassy network. These reactions, which are dependent on the precursor composition and the synthesis conditions, must be complete to ensure the homogeneity of the glass and to guarantee its long-term behavior. The aim of this work is to determine the chemical reactions between the precursors and to quantify the reaction kinetics in order to identify the processes responsible for their limitation. A simplified system consisting of a sodium-aluminum borosilicate glass frit and a calcine containing sodium nitrate and aluminum oxide (the principal oxides present in complex calcines) is progressively complexified to determine the influence of low solubility elements initially present in the fission product solutions to be vitrified. The cases of molybdenum and neodymium oxides are the focus of attention. The formation conditions (time, temperature) of crystalline molybdates (sodium, calcium) and aluminates (sodium, neodymium) and their range of stability in the calcines are determined. The dissolution kinetics of these phases in the glass frit is modeled. It is shown that the dissolution of molybdenum, as Na2MoO4, is controlled by the thermodynamic solubility of MoO3 in the glass. It is independent of the sodium aluminate dissolution. For both, Na2MoO4 and sodium aluminates, dissolution reactions present an Arrhenian behaviour and the activation energies are close to that of the viscous flow. This work also describes the formation mechanisms of intermediate phases which can lead to the crystallization of the "yellow phase" (enriched in molybdenum, alkali and alkaline-earth oxides) that can form in more complex glasses.Les verres nucléaires sont synthétisés par réactions chimiques à haute température entre un précurseur vitreux (fritte de verre) et un déchet calciné (calcinat) dans un procédé de calcination-vitrification. Le déchet est d’abord séché et dénitré (calcination) avant d’être mélangé à la fritte de verre (vitrification). Une succession de processus physico-chimiques d’imprégnation, diffusion, cristallisation et dissolution, est mise en jeu afin d’intégrer les éléments présents dans le calcinat au sein du réseau vitreux. Ces réactions, dépendantes de la composition des précurseurs et des conditions d’élaboration, doivent être complètes afin d’assurer l’homogénéité du verre et garantir son comportement à long terme. Ce travail a pour objectif de déterminer les réactions chimiques entre les précurseurs et de quantifier les cinétiques réactionnelles afin d’identifier in fine les processus responsables de leur limitation. Un système simplifié constitué d’une fritte de verre de type alumino-borosilicate de sodium et d’un calcinat contenant du nitrate de sodium et de l’oxyde d’aluminium (composés majeurs présents dans les calcinats complexes) est complexifié progressivement afin de déterminer l’influence des éléments de faible solubilité, présents initialement dans les solutions de produits de fission à vitrifier. Les cas des oxydes de molybdène et de néodyme sont en particulier étudiés. Les conditions de formation (temps, température) des phases cristallines de type molybdates (sodium, calcium) et aluminates (sodium, néodyme) ainsi que leur domaine de stabilité dans les calcinats sont déterminés. Les cinétiques de dissolution de ces phases dans la fritte de verre sont modélisées. Il est montré que la dissolution du molybdène, mis en évidence sous forme Na2MoO4, est contrôlée d’une part par la solubilité thermodynamique du MoO3 dans le verre, indépendamment de la dissolution des aluminates de sodium. D’autre part, les cinétiques de dissolution de Na2MoO4 et des aluminates présentent un comportement arrhénien avec la température dont les valeurs des énergies d’activation sont proches de celles de la viscosité du verre. Ces travaux décrivent également les mécanismes de formation d’intermédiaires réactionnels à l’origine de la cristallisation de la « yellow phase » (riche en oxydes de molybdène, d’alcalins et d’alcalinoterreux) pouvant se former dans des verres plus complexes