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Introduction : Le défi du stockage à long terme des déchets nucléaires
L'isolement sécuritaire des déchets radioactifs de la biosphère demeure l'un des défis techniques les plus exigeants de l'ère nucléaire. Les déchets de haute activité (THA) provenant des opérations de combustible nucléaire usé et de retraitement contiennent un mélange de radionucléides à longue durée de vie qui doivent être contenus pendant des dizaines de milliers à des centaines de milliers d'années. Parmi les nombreux mécanismes de dégradation qui menacent l'intégrité des contenants de déchets, la décomposition des alphabets se distingue parce qu'elle génère continuellement des particules énergétiques qui peuvent modifier les propriétés physiques et chimiques des matériaux de confinement sur des échelles géologiques pertinentes.
Cette étude examine la physique fondamentale de la désintégration alpha, les mécanismes spécifiques par lesquels elle endommage les matériaux contenants, les variables qui contrôlent le taux et l'étendue de ces dommages, et les stratégies techniques en cours d'élaboration pour en atténuer les effets.
Les fondamentaux de Alpha Decay
Mécanisme et rejets d'énergie
La décomposition alpha est une transformation nucléaire spontanée dans laquelle un noyau parent instable émet une particule composée de deux protons et deux neutrons – essentiellement un 4Il a un noyau. Le noyau émetteur perd deux protons et deux neutrons, diminuant ainsi son nombre atomique de deux et son nombre massique de quatre. Par exemple, le plutonium‐239 se désintègre par émission alpha à l'uranium‐235:
239Pu → 235U + α
L'énergie cinétique de la particule alpha émise se situe généralement entre 4 et 9 MeV, valeur qui dépend de la différence de masse parent-fille. Cette énergie est des ordres de grandeur plus grands que les énergies de liaison des atomes dans les matériaux solides (habituellement quelques à des dizaines d'eV), de sorte que chaque particule alpha peut déplacer des milliers d'atomes le long de sa trajectoire. Le noyau recoillier de fillette, qui porte également une énergie cinétique significative (=100 keV), crée une cascade dense supplémentaire de déplacements atomiques dans le voisinage immédiat de l'événement de décomposition.
Pertinence pour les déchets nucléaires
Les radionucléides les plus abondants dans les déchets à haute teneur sont les isotopes du plutonium 238Pu, 239Pu, 240Pu, americium (241Am, 243Am), curium (]244Cm, 245Cm], et neptunium (237]Np). Leur demi-vie varie de plusieurs décennies ()]]238Pu, 87.7 ans) à des millions d'années Np].
Mécanismes de dommages alpha-décay dans les matériaux des conteneurs
Cascades de déplacement et de collision atomiques
Lorsqu'une particule alpha ou un noyau de recul lourd traverse un solide, il perd de l'énergie principalement par des interactions électroniques inélastiques (pour les alphas rapides) et des collisions nucléaires élastiques (pour les alphas lents et les reculs).Les collisions nucléaires transfèrent suffisamment de temps pour faire tomber les atomes de leurs sites de réseau, créant ainsi un sentier d'inoccupations et d'interstitiels (couples de Frenkel). Le noyau de recul, beaucoup plus lourd, produit une cascade de collision dense qui peut contenir des centaines à des milliers d'atomes déplacés dans un volume de quelques nanomètres cubes. Ces cascades se détendent en picosecondes, laissant derrière elles une région à forte concentration de défauts ponctuels, de petites boucles de dislocation et – dans des matériaux non métalliques – des zones amorphes.
Accumulation de l'hélium et formation de bulles
Chaque événement de dégradation alpha produit un atome d'hélium qui, une fois que la particule alpha perd son énergie cinétique, se repose comme un atome de gaz noble interstitiel. L'hélium étant essentiellement insoluble dans la plupart des solides, il diffuse et précipite éventuellement dans des bulles à l'échelle du nanomètre. Les bulles d'hélium exercent une pression interne sur la matrice environnante, et lorsqu'elles poussent ou se combinent, elles peuvent se relier à des microcracks. Dans les métaux et la céramique, la présence d'hélium à des concentrations de quelques centaines de parties atomiques par million peut réduire considérablement la dureté de la fracture et favoriser l'embrasure intergranulaire.
| Damage type | Energy transferred to lattice | Approximate number of displaced atoms |
|---|---|---|
| Alpha particle (5 MeV) | ~20 keV (electronic) + ~2 keV (nuclear) | 100–300 |
| Recoil nucleus (∼100 keV) | ∼95 keV (nuclear) | 1,000–2,000 |
| Helium atom | Stopped interstitially | 0 |
Amorphisation dans les récipients en verre et en céramique
De nombreux contenants de déchets proposés utilisent un système à barres multiples où la forme de déchets elle-même est une matrice vitrée (verre) ou cristalline (céramique). La décomposition alpha prolongée peut conduire ces matériaux à un état amorphe. Dans le verre borosilicaté – le milieu d'immobilisation des déchets le plus utilisé – l'accumulation de dommages alpha provoque des changements de volume (gonflement ou compactage), une densité accrue et une diminution de la durabilité chimique. Le taux de libération des radionucléides du verre peut augmenter d'un facteur de 10 à 100 à mesure que le verre devient plus perméable à l'eau. Dans les céramiques cristallines comme la zirconolite ou le pyrochlore, la décomposition alpha provoque d'abord un gonflement de l'accumulation de défauts ponctuels, entraînant éventuellement une perte complète de l'ordre à longue distance aux doses d'environ 1018–10]19] désintégrations par gramme.
Accélération de la corrosion
La radiolyse de l'eau produit des radicaux hydroxyles, du peroxyde d'hydrogène et des électrons solvatés qui peuvent accélérer la corrosion localisée des contenants métalliques (p. ex., cuivre, acier au carbone ou acier inoxydable). Même de petites concentrations de peroxyde d'hydrogène (micromolaire) peuvent accroître le potentiel électrochimique pour déclencher la fissuration par piqûre ou par corrosion du stress. Dans un dépôt où le contenant peut être exposé à de l'argile bentonite humide, la synergie entre la radiolyse induite par l'alpha et les eaux souterraines contenant du chlorure est particulièrement préoccupante pour les contenants de cuivre utilisés dans les concepts d'élimination scandinave.
Facteurs contrôlant la gravité des effets alpha-décay
Composition et microstructure des matériaux de contenant
- Métaux: Le cuivre est relativement résistant à l'embrasement par rayonnement en raison de son énergie élevée de gerbage et de sa capacité à absorber les défauts ponctuels. Cependant, la formation de bulles d'hélium aux limites des grains affaiblit encore le cuivre à de fortes doses.
- Glases: Les lunettes de borosilicate à teneur en silice plus élevée ont tendance à être plus résistantes aux rayonnements que celles à forte concentration en alcalin ou en alcalin.Le rôle des anciens réseaux (B, Si, Al) dans le contrôle de la mobilité des défauts est une zone d'étude active.
- Céramiques:[ Pyrochlore (A2B2O7) et zirconolite (CaZrTi2O7) peuvent accueillir des niveaux relativement élevés de dommages alpha avant l'amorphisation, surtout lorsque le cation du site A est grand et que la structure est déjà partiellement désordonnée.
Température et animation thermique
Dans les dépôts géologiques profonds, la température du paquet de déchets sera initialement élevée (50 à 100 °C au-dessus de l'environnement) en raison de la chaleur de décomposition. Dans ces conditions, les vacances et les interstitiaux peuvent se recombiner plus facilement, et les petites bulles d'hélium peuvent se grossir en moins de bulles plus grandes avec une pression interne plus faible. Cependant, si le paquet de déchets se refroidit en dessous d'un certain seuil (< 200 °C pour la plupart des verres et céramiques), le taux de recombinaison des défauts tombe sous le taux de nouvelle accumulation de dommages, entraînant une dégradation nette.
Taux de dose de rayonnement et dose totale
Le taux de dommages (décès par seconde par gramme) est important car un taux de doses très élevé peut produire des cascades de collisions qui se chevauchent et qui causent la saturation des concentrations de défauts et une amorphisation rapide. Un faible taux de doses donne plus de temps pour une récupération dynamique.Pour les verres à déchets nucléaires, la dose totale de désintégration alpha sur 10 000 ans est généralement de 5 à 10 × 1018] pour les désintégrations par gramme, qui est en dessous du seuil de défaillance mécanique majeure mais assez élevée pour entraîner une augmentation mesurable du taux de lessivage.
Stratégies techniques pour atténuer les dommages causés par l'alpha-décay
Alliages ionisants et barrières composites
Une des lignes de recherche est le développement d'alliages à haute entropie (AHE) qui contiennent plusieurs éléments principaux dans des rapports quasi-équimolaires. La composition complexe freine le mouvement des défauts ponctuels et supprime la croissance de bulles d'hélium. Par exemple, un AHE CoCrFeMnNi montre un gonflement significativement moins important sous irradiation par ion lourd que le nickel pur ou l'acier inoxydable 316L. Une autre approche consiste à utiliser une couche d'hydrogène-gettering (p. ex. Pd ou un Ti-alliage) à l'intérieur du contenant pour capturer l'hydrogène radiolytique, réduisant ainsi la pression interne et la force motrice de la fissuration par corrosion sous contrainte.
Compositions optimisées des formulaires de déchets
L'ajout de petites quantités de métaux nobles (p. ex. Pd) à des bulles d'hélium nucléées dans une morphologie dispersée fine qui ne se connecte pas. Dans la céramique, le remplacement par des cations plus petits (p. ex. Zr4+4+) augmente la dose critique d'amorphisation. Le U.S. Department of Energy supporte une vaste R&D sur des composites verre-céramique sur mesure qui combinent la commodité de traitement du verre avec la cristallinité ionisante d'une phase céramique.
Amélioration du système de barrières techniques
Au lieu de se fier uniquement au matériau du conteneur, la conception du dépôt peut empêcher les déchets de causer des dommages :
- Augmentation de l'épaisseur de la couche de tolérance à la corrosion (p. ex. suremballage en acier surdimensionné).
- Utiliser un remblayage compacté en argile bentonite qui se scelle automatiquement et limite l'accès aux eaux souterraines.
- Utiliser des systèmes d'anode sacrificiel ou une protection cathodique pour contrer la corrosion radiolytiquement améliorée.
- Conception du réservoir avec des capacités internes de ventilation de l'hélium (décharge de gaz contrôlée par un filtre à catalyseur à sens unique).
Modélisation prédictive du rendement à long terme
Les modèles qui permettent de réaliser le transport par rayonnement en couple (par exemple, à l'aide de simulations SRIM/TRIM) avec des mécanismes de dommages continus et une cinétique de corrosion chimique sont essentiels. Les NRC=1 doivent être représentés par tous les mécanismes de dégradation importants, y compris le gonflement alpha-décay, l'emfreinage induit par l'hélium et la radiolyse.
Études de cas et orientations de la recherche
Performance du verre borosilicaté
Des expériences accélérées d'irradiation utilisant des bombardements d'ions lourds (p. ex., 1 MeV Kr2+ ions) simulent les dommages causés par des millions d'années de décomposition alpha en quelques jours. De telles expériences montrent que le verre borosilicate à une dose de 5 × 1018] désintègre par gramme une augmentation du taux de lixiviation par un facteur de 5 à 10 dans des conditions alcalines. Cependant, des analogues naturels à long terme (p. ex., des verres volcaniques anciens) qui ont subi un rayonnement naturel pendant 10]5]–10]7]] années suggèrent que le taux de lixiviation peut être transitoire et que le verre atteint finalement un taux de corrosion à l'état stable.
Formulaires de déchets céramiques pour l'élimination du plutonium
Les pays qui envisagent de se débarrasser directement du plutonium de qualité supérieure examinent des céramiques telles que le pyrochlore (Gd2Ti2O7) et le monazite (LaPO[4. Sous la décomposition alpha de 239Pu, le pyrochlore conserve sa structure jusqu'à une dose de -4 × 10]18], mais au-delà de laquelle il commence à se transformer. Le monazite montre une résistance à l'amorphisation plus élevée et une plus faible diffusion de l'hélium, réduisant la coalescence à bulles.
Conteneurs métalliques: cuivre et acier
Dans le concept suédois KBS‐3 les conteneurs en cuivre d'une épaisseur de 5 cm sont conçus pour résister à 100 000 ans de corrosion. Bien que l'alpha-radiolyse puisse accélérer légèrement la corrosion, le faible débit de dose (<1012] se désintègre par gramme par an sur la surface du contenant) et la surcapacité élevée en cuivre laissent une marge de sécurité importante. En revanche, la conception américaine Yucca Mountain utilise une coque extérieure en alliage de nickel (Alloy 22) avec une doublure intérieure en acier inoxydable épaisse.
Conclusion
La décomposition alpha exerce une influence persistante et complexe sur la longévité des contenants de déchets nucléaires. Les particules énergétiques et l'hélium produits pendant la décomposition créent des déplacements atomiques, une amorphisation et des espèces radiolytiques qui améliorent la corrosion et qui peuvent dégrader à la fois les matrices de forme de déchets et les barrières métalliques.
Les recherches actuelles – des alliages à haute entropie avancés aux composites à autoguérisons en verre-céramique – montrent que les impacts de la désintégration alpha peuvent être atténués par une ingénierie soignée. Les systèmes multibarriers, les modèles prédictifs et les études d'analogue naturel convergent tous à la conclusion qu'un dépôt bien conçu peut contenir des déchets à haute teneur pendant la période réglementaire requise.