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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

Une technique unique pour connaître le devenir du combustible nucléaire au contact des eaux souterraines

 

En simulant les conditions de stockage en site géologique du combustible usagé, des chercheurs du CEMHTI(*) viennent de caractériser l’altération des surfaces d’oxydes d’uranium s’ils venaient à être en contact avec les eaux souterraines. Pour cela, ils ont mis au point un montage expérimental unique au monde de mesure Raman in-situ pour observer, sous irradiation(**) et en temps réel, l’évolution de la surface du combustible.

 

Pour simuler les conditions de stockage en site géologique du combustible nucléaire usagé (uranium), au cas où le combustible viendrait à être en contact avec les eaux souterraines, on utilise un faisceau de particules He2+ qui simule l’émission de rayons α par les radio-isotopes du combustible usagé. Il est ainsi possible de travailler sur de l'oxyde d'uranium (UO2) appauvri, moins radioactif que le combustible nucléaire, et de simuler dans des temps courts ce qui correspond en réalité à de très longues durées d'irradiation. Les ions He2+ vont casser les molécules d'eau (radiolyse) et former des espèces très réactives, dont le peroxyde d'hydrogène H2O2. Ce sont ces espèces hautement réactives qui sont susceptibles d’altérer le solide.

L’objectif est de connaître le devenir de ce matériau durant son irradiation par un accélérateur de particules. Ceci est généralement réalisé par comparaison entre une analyse avant et après irradiation. Grâce à un suivi in situ de l’évolution des propriétés du matériau pendant l’irradiation, il est possible d’identifier des mécanismes d'endommagement sous faisceau de manière bien plus fine que ce que va donner l'analyse post-mortem. Mais ce type de diagnostic, pendant l'irradiation, est rendu très délicat à cause de l'environnement hostile entourant l'échantillon : présence de rayonnements ionisants mais aussi accès optique délicat et espace disponible réduit autour de la cellule échantillon.

Pour caractériser le combustible, les chercheurs ont choisi la spectrométrie Raman, technique d'analyse basée sur les vibrations atomiques et moléculaires, permettant de sonder solide ou liquide, molécule, phase cristalline ou amorphe. Grâce à l’expertise développée au CEMHTI dans le domaine des conditions extrêmes, ils ont mis au point un montage expérimental unique de spectrométrie Raman et l’ont installé sur une des lignes du cyclotron du CEMHTI qui va produire le faisceau d’ions. Il s'agit de la première installation d'un tel ensemble spectroscopique "en ligne" sur un dispositif d'irradiation. Ce dispositif a permis de réaliser les premières mesures Raman in situ dans ces conditions extrêmes.

Les chercheurs ont ainsi observé l’apparition et la croissance d’une couche d’altération du solide UO2 (studtite : UO4.4H2O et schoepite : UO3.2H2O) pendant et après l’irradiation. D’autre part, ils ont montré qu’une couche composée uniquement de studtite apparaît lorsque dans la même cellule échantillon, on met de l’eau oxygénée au contact de l’échantillon, sans irradiation. Une analyse fine des données a également permis de mettre en évidence des espèces moléculaires en solution, créées par l'irradiation, ensuite consommées par la formation de la couche d'altération.

Ces résultats constituent un premier pas dans le processus de compréhension de l’altération du combustible : ils montrent sans ambiguïté que  la radiolyse de l’eau,  induite par le rayonnement α et produisant de l’eau oxygénée est à l’origine de la formation de cette couche de studtite. Les chercheurs développent maintenant des techniques de diffusion Raman résolues en temps, jusqu'à la centaine de nanosecondes, qui pourront leur permettre d’accéder aux espèces transitoires créées lors de l'irradiation et accroître ainsi leurs connaissances sur ces espèces que peu de méthodes permettent actuellement de caractériser.

Cet ensemble instrumental est d'ores et déjà accessible à la communauté scientifique au sein du réseau national d'accélérateurs EMIR (Etude de Matériaux sous Irradiation).

 

(*) CEMHTI : Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation / CNRS

(**) L’irradiation par un faisceau de particules d’ions He2+ simule l’émission des rayons α  par les radio-isotopes du combustible usagé.

simon

Dispositif expérimental

© CNRS / N. Raimboux

 

 

Référence

A. Canizarès, G. Guimbretière, Y. A. Tobon, N. Raimboux, R. Omnée, M. Perdicakis, B. Muzeau, E. Leoni, M. S. Alam, E. Mendes, D. Simon, G. Matzen, C. Corbel, M. F. Barthea and P. Simon
In situ Raman monitoring of materials under irradiation: study of uranium dioxide alteration by water radiolysis
Journal of Raman Spectroscopy,14 mai 2012. DOI: 10.1002/jrs.4088

 

Contacts chercheurs 

Aurélien Canizarès, Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation – Orléans
Courriel : aurelien.canizares@cnrs-orleans.fr
Tél : 02 38 25 78 85

 

Patrick Simon, Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation – Orléans
Courriel : patrick.simon@cnrs-orleans.fr
Tél : 02 38 25 55 21

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

24 mai 2012

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