Multi-scale simulations of carbon behaviour at the zirconia/water interface : release and speciation

Dans cette étude, nous nous intéressons au relâchement du carbone dans les CSD-C (Colis Standard de Déchets Compactés) par simulation atomique. Le carbone 14 peut atteindre la surface de la zircone par deux mécanismes : la migration par diffusion interstitielle et/ou la migration dans les porosités. La migration dans les porosités a été modélisée par une migration sur une surface anhydre de zircone. Le coefficient de diffusion est égal à 10⁻¹⁵ cm²/s à la température d’étude de 50 °C. Cela représente une migration de l’ordre du mm sur 100 000 ans (échelle de temps considérée). La migration interstitielle a été étudiée par les sauts au voisinage de la subsurface. L’épaisseur de la subsurface correspond aux 2 couches (0.7 nm) pour lesquelles l’énergie d’interaction du carbone est différente de celle en volume. La migration du carbone est préférentielle vers la surface dans cette zone. Nous avons également analysée l’hydratation de la surface par l’eau qui pourraient arriver dans le site de stockage. Une nouvelle configuration de la monocouche d’hydratation de la surface est proposée dont la stabilité en température a été étudiée par dynamique moléculaire. La monocouche d’hydratation reste inchangée en présence d’eau. Des mécanismes associées à la spéciation une fois que le carbone est sur la surface hydratée ont été simulés. Les conditions basiques ont été prise en compte. La désorption de CO et de CO₂ nécessite des énergies d’activation accessibles de 0.40 eV au maximum. La désorption de CH₄ semble plus difficile. Le carbone pourrait aussi être piégé sur la surface.In this study, we are interested in the release of carbon in CSD-C (Standard Package of Compacted Waste) by atomic simulation. Carbon 14 can reach the surface of zirconia through two mechanisms: pore diffusion and/or migration in porosities. Migration in porosities was modelled by migration on an anhydrous zirconia surface. The calculated diffusion coefficient is equal to 10⁻¹⁵ cm²/s at the study temperature of 50 °C. This represents a migration in the order of mm per 100 000 years (time scale considered). Interstitial migration was studied by jumps in the vicinity of the subsurface. The thickness of the subsurface corresponds to the 2 oxide layers (0.7 nm) for which the interaction energy of carbon is different from bulk. Carbon migration is preferred towards the surface in this area. We have also analyzed the hydration of the surface with water that could arrive in the storage site. A new configuration of the surface hydration monolayer is proposed whose temperature stability has been studied by molecular dynamics. The hydration monolayer remains unchanged in the presence of water. Mechanisms associated with speciation once the carbon is on the hydrated surface have been simulated. The basic conditions have been taken into account. The desorption of CO and CO₂ requires accessible activation energies of up to 0.40 eV. Desorption of CH₄ seems more difficult. Carbon could also be trapped on the surface