Structural investigation of molten fluorides of nuclear interest by NMR and XAFS spectroscopies

Dans le cadre du renouvellement du parc nucléaire, six modèles de réacteurs de 4ème génération ont été proposés, dont le Réacteur à Sels Fondus. Ce réacteur a la particularité d’utiliser un combustible à base de fluorures fondus, type LiF-ThF4. Pour développer ce concept, il est important de caractériser d’un point de vue structural ces mélanges de fluorures fondus, pour remonter aux propriétés physico-chimiques du combustible et optimiser ce procédé. Les systèmes fondus MF-ZrF4 (M = Li, Na, K), choisis comme modèle des systèmes au thorium, ont été étudiés expérimentalement par Résonance Magnétique Nucléaire et Absorption des Rayons X à hautes températures, ainsi que par calcul de dynamique moléculaire, en s’intéressant plus particulièrement aux environnements locaux du fluor et du zirconium. Afin d’interpréter les données RMN recueillies dans les milieux fondus, une étude préliminaire sur des halogénures de zirconium et des fluorozirconates de terres rares et d’alcalins solides a été menée par RMN du zirconium 91Zr et des corrélations structures/ paramètres RMN ont été établies. A haute température, dans les systèmes MF-ZrF4 on montre la coexistence de différents complexes du zirconium, avec des coordinences comprises entre 6 et 8, leurs proportions évoluant en fonction de la teneur en ZrF4 du mélange, et du type de l’alcalin. En fonction de la teneur en fluorure de zirconium, nous avons mis en évidence le rôle du fluor dans le bain fondu : fluor libre à faible teneur, il intervient progressivement dans la formation des complexes pour devenir pontant à plus haute teneur. Cette approche originale et innovante des systèmes fluorés fondus, combinant RMN et EXAFS à haute température, avec les calculs de dynamique moléculaire, s’avère particulièrement efficace pour leur description structurale, permettant ainsi de remonter à des données fondamentales, telles que leur spéciation ou leur fluoroacidité.In the frame of the renewal of the different nuclear plans, the molten salt reactor is one of the six concepts of reactors of IVth generation. This reactor has the particularity to use a liquid fuel based on LiF-ThF4 mixtures. In order to develop and to optimize this concept, it is important to characterize the structure of the melt and to describe its physical and chemical properties. Our work has been based on the study of the system MF-ZrF4 (M = Li, Na, K) selected as a model of ThF4 based systems. We have combined two spectroscopic techniques, the Nuclear Magnetic Resonance and the X-ray Absorption at high temperature, with molecular dynamics calculations. We particularly focused on the local environnements of the fluorine and the zirconium. In order to interpret the NMR data obtain in the molten state, we performed a preliminary study on zirconium halides and rare earth and alkali fluorozirconates using the 91Zr solid-state NMR at very high magnetic fields. New correlations between structural parameters and NMR data have been established. At high temperature, in MF-ZrF4 melts we have shown the coexistence of three different kind of Zr-based complexes with different proportions depending on the amount of ZrF4 and on the nature of the alkali. Depending on the ZrF4 content, three kinds of fluorine have been characterized: form free fluorines at low amount of zirconium fluorides, fluorines involved in Zr-based complexes and bridging fluorines at higher ZrF4 content. This original and innovative approach of molten fluorides mixtures, combining NMR and EXAFS at high temperature with molecular dynamics calculations, is very efficient to describe their speciation and thus their fluoro-acidity