Synthèse par voie solide et frittage de céramiques à structure monazite : application au conditionnement des actinides mineurs

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Technologie (Sciences appliquées),

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

déchets, terres rares, frittage, substances radioactives, phosphates

Mots-clés

Monazite - Propriétés thermiques - Thèses et écrits académiques,

Monazite - Propriétés mécaniques - Thèses et écrits académiques,

Synthèse en phase solide - Thèses et écrits académiques,

Frittage (métallurgie)Frittage (métallurgie) -- Thèses et écrits académiques,

Microstructure (physique) - Thèses et écrits académiques,

Actinides - Thèses et écrits académiques

Dans le cadre de la loi de 1991 concernant la gestion des déchets nucléaires en France, plusieurs études sont menées pour mettre au point des matrices cristallines spécifiques de conditionnement. La monazite, un orthophosphate de terre rare (TR³⁺) de formule TR³⁺PO₄, est un minéral naturel contenant très souvent des quantités non négligeables de thorium et d'uranium. Les qualités de résistance de ce matériau vis-à-vis des irradiations et de l'altération aqueuse en font un candidat pour le conditionnement spécifique des actinides mineurs (Np, Am et Cm). Il est important désormais de vérifier la conservation de ces propriétés sur des matériaux de synthèse, ce qui sous-entend de parfaitement maîtriser toutes les étapes de l'élaboration de pièces de monazite, de la synthèse des poudres jusqu'à l'élaboration par frittage de pastilles à microstructure contrôlée. C'est dans ce cadre-là que s'intègre le travail présenté dans ce document. La première partie de la thèse traite de l'étude par voie solide de la synthèse de TR³⁺PO₄ (TR = La³⁺ à Gd³⁺, Pu³⁺ et Am³⁺). Les réactions intervenant lors de la calcination des réactifs sont décrites dans le cas de monazites à un seul ou à plusieurs cations, permettant d'établir un protocole de synthèse. L'incorporation de cations tétravalents (Ce⁴⁺, U⁴⁺ et Pu⁴⁺) dans la structure monazite a également été étudiée. La deuxième partie traite de l'élaboration de pièces de monazite à densité et microstructure contrôlées ainsi de leurs propriétés mécaniques et thermiques associées. L'étude du broyage et du frittage, peu abordée jusqu'alors, est présentée. Les résultats expérimentaux sont confrontés à des modèles théoriques afin d'en déduire les mécanismes de densification et de grossissement de grains. Par la compréhension des différents phénomènes physico-chimiques se produisant lors des différentes étapes d'élaboration (synthèse, broyage, frittage), ce travail a permis la mise au point d'un protocole de fabrication de pièces de monazite TR³⁺PO₄ à microstructure contrôlée. Les relations qui existent entre les différentes étapes du processus d'élaboration du matériau ont pu être mises en évidence.