Etude de la réactivité du dioxyde d'uranium monocristallin vis-a-vis des processus de dissolution en milieu acide cinétique et réactivité aux interfaces

S. Bertolotto (1)

1 CEA-DES (ex-DEN) - CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire)

En France, le recyclage du combustible nucléaire est assuré par le procédé hydrométallurgique PUREX à l’usine de retraitement de La Hague. L’une des premières étapes de ce procédé est la dissolution du combustible irradié au contact d’acide nitrique concentré à chaud. La réaction de dissolution repose sur l’oxydation de l’uranium (+IV) sous forme solide à l’interface solide/solution en U (+VI) sous forme de nitrate d’uranyle en solution. Cette réaction hétérogène est le siège de nombreux phénomènes. Du point de vue de la solution, le milieu nitrique présente un grand nombre d’espèces (HNO3, NO3-, HNO2, NO2…) dont certaines sont thermodynamiquement instables. Cette métastabilité complique l’identification des mécanismes réactionnels siégeant à l’interface solide/solution. De plus, en fonction des conditions hydrodynamiques, une couche de diffusion d’épaisseur variable s’établit à l’interface solide/solution au sein de laquelle les espèces réactives sont susceptibles de s’accumuler. Certaines d’entre elles, comme l’acide nitreux, ont un pouvoir oxydant élevé vis-à-vis de l’uranium (IV) conduisant à une accélération de la réaction de dissolution [1]. D’autre part, la formation de bulles est observée à l’interface. Ce phénomène implique non seulement l’évolution de la spéciation du milieu nitrique via des échanges liquide/gaz mais il complique aussi l’hydrodynamique à la surface du solide. Enfin, la structure et la microstructure de la matrice UO$_2$ a un impact sur la cinétique de dissolution. L’existence de sites d’attaque préférentielle, tels que les pores, les fractures ou les joints de grains a été démontrée [2]. La présence de défauts ponctuels ou de dislocation, ainsi que l’orientation cristalline peuvent également avoir un impact sur la cinétique de la réaction de dissolution de composés de structure fluorine [3]. La progression de la réaction de dissolution se traduit alors par une évolution de la surface réactive du solide [4]. En résumé, les contributions respectives de ces différents phénomènes sur la cinétique de dissolution de l’UO$_2$ en milieu nitrique n’ont pas été clairement identifiées et quantifiées. C’est pourquoi la modélisation de la cinétique de dissolution repose encore sur une approche semi-empirique.

Domaines: Physique Nucléaire Expérimentale [nucl-ex]; Physique Nucléaire Théorique [nucl-th]

S. Bertolotto. Etude de la réactivité du dioxyde d'uranium monocristallin vis-a-vis des processus de dissolution en milieu acide cinétique et réactivité aux interfaces. 18èmes Journées Scientifiques de Marcoule (JSM - 2018), Jun 2018, Bagnols Sur Cèze, France. ⟨cea-02338582⟩