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Matrices Céramiques



Matrices céramiques et conditionnements spécifiques

Conditionnements sur mesure
Les matrices céramiques sont des matériaux capables d'immobiliser des actinides et quelques produits de fission à vie longue. Ces éléments, obtenus sous forme chimiquement pure, grâce à la séparation poussée, seraient alors incorporés dans ces céramiques adaptées à leurs propriétés physiques et chimiques. Les matériaux doivent être stables et résister à la dissolution de l'eau sur de très longues durées. Les apatites seraient utilisées pour l'iode, le césium et les actinides, la zirconolite pour les actinides et la hollandite pour le césium
CEA/E.Joly et Th.Foulon.

Dans le combustible des réacteurs, les noyaux d'uranium qui subissent une fission donnent naissance à une trentaine ou davantage d'espèces chimiques, auxquels s’ajoutent les actinides formés par capture de neutrons. Toutes ces espèces chimiques, sauf l’uranium et le plutonium quand ils sont retirés, se retrouvent dans les déchets.

Les verres borosilicates R7T7 de la Hague, dans lesquels sont actuellement incorporés les produits de fissions et les actinides mineurs issus du combustible usé, possèdent une souplesse chimique suffisante pour s’accommoder de cette trentaine d’espèces chimiques tout en conservant d’excellentes propriétés de confinement.

Toutefois, le conditionnement d’éléments radioactifs s’avère plus efficace si l'on a affaire à une seule espèce chimique. On peut alors choisir un matériau adapté, une « matrice », capable d'immobiliser l'élément radioactif sous la forme d'un composant solide, insoluble, stable et résistant aux radiations. D’autres matrices de conditionnement que le verre ont été étudiées dans le cadre de la loi de 1991.

Les plus recherchées sont les matrices céramiques qui, choisies en fonction du radioélément, offrent des confinements parmi les meilleurs. Ces céramiques permettent de confiner sur de très longues durées lors d’un stockage les radioéléments qui auraient été l’objet d’une séparation poussée et qui ne seraient pas transmutables. Des matrices métalliques ont fait l’objet de recherches pour le technétium.

Procédés de fabrication par frittage
Céramique obtenue par des procédés de fusion haute température à Marcoule. Le protocole de synthèse de ces matrices par frittage, devant être mis en œuvre dans un milieu hautement radioactif, comprend 4 étapes : 1) synthèse des précurseurs par voie sèche, humide ou procédés sol-gel ; 2) calcination des poudres entre 950 et 1450°C, l’insertion éventuelle d’actinides se faisant au cours de cette étape, voire parfois lors de la première ; 3) Broyage puis pastillage de la poudre ; 4) frittage naturel sous air à haute température (de 950 et 1475°C).
CEA/Th.Foulon

Ces matériaux doivent répondre à trois impératifs. Leur structure peut-elle accepter 5 à 10 % de radioéléments ? Le procédé de fabrication (généralement par frittage) est-il transposable en milieu radioactif ? Les matrices conservent-elles leur stabilité chimique et leur capacité de confinement malgré l’irradiation interne à laquelle elles seront soumises ?

Les espèces chimiques concernées sont les produits de fission ayant des isotopes radioactifs à vie longue comme l’iode-129, le césium-135 et le technétium-99 ainsi que les actinides mineurs (neptunium, américium et le curium) s’ils ne sont pas transmutés. Les tonnages d'éléments à conditionner sont de l’ordre de la tonne pour les 1200 tonnes annuelles de combustible usé produites par les centrales françaises (cf.note) .

Après une étape dite de faisabilité scientifique, l’étape de faisabilité technique a été engagée en 2002. Le critère le plus contraignant, celui de la durabilité chimique, nécessite la prise en compte des dégâts d’irradiation et du dégagement gazeux d’hélium provenant des désintégrations radioactives.

Des céramiques été développées pour les produits de fission : iodoapatite pour l’iode, hollandite pour le césium. Des matrices métalliques ou des matrices oxyde du type « rutile et spinelle » sont préconisées pour le technétium. Du côté des actinides, la zirconolite pourrait convenir pour le plutonium et le neptunium; la britholite pour l'américium et du curium.

Ces diverses matrices paraissent prometteuses. Elles nécessitent toutefois des développements complémentaires notamment sur leur comportement à long terme sous irradiation et leur aptitude à l’industrialisation, avant que l’on puisse juger de leur intérêt par rapport aux colis de déchets vitrifiés produits actuellement.


Voir aussi :

Tenue des verres R7T7