A laboratory scale study was carried out on a set of 6 borosilicate waste glasses made from simulated high-level nuclear waste. The test matrix was designed to explore the composition region suitable for the long-term geologic disposal of high-temperature-and high-waste-containing glasses. The glass compositions were selected to achieve maximum waste loading without a sacrifice in glass durability. The relationship between glass composition and chemical durability was examined. The qualitative effect of increasing B2O3 content on the overall waste glass leaching behavior has also been addressed. The glass composition matrix was designed by systematically varying the factors: %waste loading and (SiO2+Frit):B2O3 ratio, with (SiO2:Frit) ratio being held constant. In order to assess the chemical durability, the Product Consistency Test (ASTM C-1285) was performed. Under PCT protocol, crushed glass was allowed to react with ASTM type I water under static conditions. All leachate solutions were analyzed by the technique; Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES). A statistical regression technique was utilized to model the normalized release of the major soluble elements, Na, Si, and B, as a function of the individual as well as interactive chemical effects (B2O3, Al2O3, Fe2O3, MnO, SiO2, SrO, Na2O, B2O3*SiO2, B2O3*Al2O3, Fe2O3*Na2O, Al2O3*Na2O, and MnO*SiO2). Geochemical modeling was performed using the computer code EQ3/6 to: (1) determine the saturation states of the possible silicate minerals, a-cristobalite and chalcedony; and (2) predict the most stable mineral phase based on the mineral thermodynamic data. Mineral/water interactions were analyzed by representing the resultant glass data on a Na-Al-Si-O-H stability diagram.

Dans le cadre du concept français de stockage géologique profond des déchets radioactifs, ilest envisagé de stocker les colis vitrifiés de déchets de Moyenne Activité à Vie Longue au sein de surconteneurs en béton. La chimie de l'eau interstitielle étant susceptible de modifier la durabilité chimique des matrices vitreuses, cette étude a été menée afin d'appréhender la phénoménologie d'altération du verre au contact d'eaux cimentaires. Des solutions représentatives des deux premiers stades de dégradation d'un ciment Portland et d'un ciment bas pH ont été étudiées. Les conditions dans lesquelles le rapport S/V (surface de verre sur volume de solution) et la chimie de la solution pilotent les mécanismes d'altération du verre sont clairement établies.Si le flux d'éléments relâchés par le verre est suffisant pour atteindre et maintenir un état de sursaturation qui permette la nucléation de phases secondaires (C-S-H et zéolithes), alors la précipitation de ces phases pilote la dissolution du verre. Les rôles antagonistes du calcium ont été mis en évidence en fonction du régime d'altération du verre. A faible rapport S/V, l'incorporationdu calcium au sein de la pellicule d'altération augmente ses propriétés passivantes. A l'inverse, àfort rapport S/V, le calcium précipite sous forme de phases cimentaires consommatrices d'élémentsréticulants de la pellicule d'altération, ce qui engendre le maintien d'une vitesse d'altération élevée.Le rôle bénéfique d'un ciment bas pH vis-à-vis de l'altération du verre est expliqué à partir de cesrésultats. Ce travail constitue une première étape visant à la compréhension fine des mécanismesd'altération du verre en milieu cimentaire. / In the French deep geological repository concept, intermediate-level vitrified wastepackages could be disposed of concrete medium. Chemical composition and pH of the interstitialleaching water are expected to influence the chemical durability of glass. Investigations have thusbeen carried out to study glass dissolution mechanisms and kinetics in contact with cement waters.Three cement pore waters were studied: the first two correspond to two stages of the Portlandcement aging and the third corresponds to equilibrium with a low pH concrete. The S/V ratio(glass-surface-area-to-solution-volume ratio) and the chemistry of cement waters are the two mainparameters that control glass alteration mechanisms.If the leaching flow from the glass allows a degree of supersaturation to be reached and maintainedwhich leads to nucleation of secondary phases, then precipitation of these phases drives glassdissolution. At a very low S/V ratio, the calcium uptake into the alteration layer increases itspassivating properties. Conversely, at a high S/V ratio, the calcium precipitates as cementitiousphases consuming elements which form the alteration layer. The glass dissolution is maintained ata high rate.This study contributes to highlighting the beneficial role of low pH cement in glass alteration, andis a first step towards understanding the mechanisms between the glass and the cement medium.

Materials derived from chicken feathers could be used advantageously in composite building material applications. Such applications could potentially consume the five billion pounds of feathers produced annually as a by-product of the U.S. poultry industry. To aid the development of successful applications for chicken feather materials (CFM), the physical and mechanical properties of processed CFM have been characterized in this research. Results describing the moisture content, aspect ratio, apparent specific gravity, chemical durability, Youngs modulus, and tensile strength for processed CFM and specifically their fiber and quill components are presented herein. Processed chicken feather fiber and quill samples were found to have similar moisture contents in the range of 16 - 20%. The aspect ratio (i.e., length/diameter) of samples were found to be in the range of 30 - 50, and the fiber material was found to have a larger aspect ratio than the quill material. A comparison with values in the literature suggests that different processing regimes produce CFM with higher aspect ratios. Samples were found to have apparent specific gravities in the range of 0.7 - 1.2, with the fiber material having a higher apparent specific gravity than the quill material. A comparison with values in the literature suggests that apparent specific gravity results vary with fiber length and approach the value for keratin as fiber length decreases and internal voids become increasingly accessible. Chemical durability results showed that CFM rapidly degrade in highly alkaline (pH=12.4) environments and are, thus, likely incompatible with cement-based materials without special treatment. The Youngs modulus of processed chicken feather materials was found to be in the range of 3 - greater than 50 GPa and, thus, comparable to the Youngs moduli of other natural fibers. The tensile strength of oven-dried samples was found to be in the range of 10 - greater than 70 MPa. In agreement with results in the literature, the fiber material was found to have a greater tensile strength than the quill material. Finally, a simplified approach for comparing the effective Youngs moduli and effective tensile strengths of various processed CFM samples was introduced.

Ces travaux proposent une nouvelle approche pour appréhender la durabilité chimique de matrices de conditionnement de déchets radioactifs partiellement cristallisées. Dans le cadre des études menées sur le stockage en formation géologique profonde, les études de comportement à long terme se sont jusqu’alors focalisées sur des matrices vitreuses homogènes. Cependant, les phases cristallines peuvent être à l’origine de modifications de composition chimique des matrices vitreuses et de leurs propriétés : la description et la compréhension de leur influence sur la durabilité chimique sont alors de première importance. Un protocole d’étude de la durabilité de matrices hétérogènes modèles d’intérêt nucléaire contenant des phases cristallines de différentes natures a donc été développé. Il s’appuie sur une description détaillée de la morphologie, microstructure et structure des matrices vitreuses et des phases cristallines ainsi que sur l’étude de différents régimes d’altération. Trois phases cristallines susceptibles de se former lors d’une augmentation du taux d’incorporation en déchet au sein des verres de conditionnement de type Uranium Oxyde ont été étudiées : les molybdates d’alcalins et d’alcalino-terreux, les silicates de terres rares et l’oxyde de ruthénium.Les résultats acquis ont mis en évidence que la composition et la structure du verre englobant sont les paramètres qui pilotent les cinétiques d’altération des matrices vitreuses partiellement cristallisées. Ce comportement est identique quelle que soit la nature des phases cristallines tant qu’elles n’induisent pas de gradient de composition et qu’elles ne percolent pas au sein de la matrice vitreuse. Fort de ces enseignements, une méthodologie d’étude de matrices partiellement cristallisées sans gradient de composition est proposée. Son développement clé réside dans l’évaluation en première approche du comportement des matrices partiellement cristallisées au travers de l’étude expérimentale de la matrice vitreuse englobante dans les différents régimes d’altération. Cette méthodologie pourrait être adaptée aux cas de nouvelles formulations de verres de compositions plus complexes (p. ex. verre à haut taux d’incorporation) pouvant contenir des cristaux formés au cours du refroidissement. / This work describes a new approach to help understand the chemical durability of partially crystallized nuclear waste conditioning matrices. Among the studies carried out on nuclear waste deep geological disposal, long-term behavior studies have so far been conducted on homogeneous glassy matrices. However, as the crystalline phases may generate modifications in the chemical composition and properties of such matrices, the description and a better understanding of their effects on the chemical durability of waste packages are of primary importance.A protocol to study the durability of heterogeneous model matrices of nuclear interest containing different types of crystalline phases was developed. It is based on a detailed description of the morphology, microstructure and structure of the glassy matrix and crystalline phases, and on the study of various alteration regimes. Three crystal phases that may form when higher concentrations of waste are immobilized in Uranium Oxide type conditioning glasses were studied: alkali and alkaline earth molybdates, rare earth silicates and ruthenium oxide.The results highlight the roles of the composition and the structure of the surrounding glassy matrix as the parameters piloting the alteration kinetics of the partially crystallized glassy matrices. This behavior is identical whatever the nature of the crystalline phases, as long as these phases do not lead to a composition gradient and do not percolate within the glassy matrix. Given these results, a methodology to study partially crystallized matrices with no composition gradient is then suggested. Its key development lies firstly in the evaluation of the behavior of partially crystallized matrices through the experimental study of the residual glassy matrix in various alteration regimes. This methodology may be adapted to the case of new glass formulations with more complex compositions (e.g. highly waste-loaded glass), which may contain crystals formed during cooling.

L'optimisation de la composition des vitrifiats de REFIOM en les rendant alcali-résistants en vue de leur conférer une bonne durabilité chimique en milieu alcalin pour être ensuite utilisés dans les matrices cimentaires a été étudiée. La méthodologie suivie consiste à étudier le comportement à la lixiviation en mode statique de verres modèles alcali-résistants de type CEMFIL et de vitrifiats de REFIOM auxquels on a rajouté SiO2, Na2O et ZrO2 pour leur conférer un caractère alcali-résistant. Les tests de lixiviation menées à 90°C et à différents temps (de 6 heures à 28 jours) ainsi que les autres techniques d'analyse chimique (ICP-AES, MEB-EDS, SIMS, ERDA, RBS, PIXE) sur ces verres ont montré que ce sont les vitifiats de REFIOM dont la composition a été optimisée qui présentent la meilleure durabilité chimique quelque soit le pH / The main goal of this research work is to optimize the composition of vitrified REFIOM into alkali-resistant glasses in order to enhance their durability and in alkaline media. The expected industrial application deals with the use of these glasses associated with concrete in composite materials. The experimental approach is based on static leaching tests of model alkali-resistant glasses and vitrified REFIOM in witch we have added SiO2, Na2O et ZrO2 in order they become alkali-resistant vitrified REFIOM. The leachates have been analysed by ICP-AES and the solid surfaces characterized by scanning electron microscopy, electron microprobe analysis, secondary ion mass spectrometry depth profiling, and synchrotron radiation spectroscopies. All those analysis showed that alkali-resistant REFIOM are the best durability in every media

Cette thèse est dédiée à la compréhension de l’impact des irradiations alpha sur la stabilité mécanique et la durabilité chimique du verre nucléaire. Des irradiations externes aux ions He et aux ions Au ont été réalisées sur le verre SON68 afin de simuler l’effet des particules alpha et des noyaux de reculs. L’effet simultané des deux types de particules a été étudiée avec des irradiations à double faisceau He+Au. Pour comprendre les mécanismes fondamentaux à l'origine des modifications des propriétés physico-chimiques, les irradiations ont également été réalisées sur un verre borosilicaté à 6 oxydes appelé ISG, sur le verre à vitre Planilux et sur la silice vitreuse Spectrosil 2000. Les résultats obtenus révèlent que les deux types d’irradiation ont un impact sur la dureté, le module d’Young réduit et la densité des verres. La structure des échantillons irradiés a été analysée par RMN, Ramanet XPS. L’effet des irradiations sur la durabilité chimique a été mesuré avec des tests de lixiviations en mode statique dans une eau ultra-pure portée à 90°C. Les solutions de lixiviations ont été prélevées à intervalles de temps réguliers puis analysées par ICP-MS. L’altération chimique des échantillons a été caractérisée par la perte de masse normalisée des éléments traceurs B, Li, Si, Mo, Cs relâchés en solution. La couche d’altération a été caractérisée par imagerie MEB et par spectroscopie EDX. / Borosilicate glasses are intended to be used for the long-term confinement of high-level nuclear wastes. Alpha particles from the minor actinides induce modifications of the glass structure which could deteriorate the efficiency of the confinement. External irradiation with 1 MeV He ions and 7 MeV Au ions were performed in the SON68 glass in order to simulate effect of alpha particles and recoils nucleus. Dual beam irradiations composed by He+Au ions were also investigated in order to simulate both effects of those two kind of particles. To understand the fundamental origin in physico-chemical properties, irradiation were also carried out on a 6 oxides borosilicate glass called International Simplified Glass (ISG) and two commercially available glass Planilux and Spectrosil 2000, both from Saint-Gobain. The mechanical properties and chemical durability of each glass were studied as a function of the cumulated dose. Results show that both alpha particles and heavy ions lead to variation in hardness, reduced Young’s modulus and density. Characterization techniques such as Raman, RMN, and XPS spectroscopy were used to analyze structural modifications induced by radiations. Chemical durability of pristine and irradiated glasses was determined by monitoring the release of glass alteration elements B, Li, Si, Mo and Cs. The alteration layer was characterized by SEM imaging and EDX spectroscopy.

Une étude en deux parties a été effectuée sur la préparation et la caractérisation de céramiques de ZnSe et de verres de phosphate à des fins optiques. Pour préparer des poudres de ZnSe, deux voies de synthèse ont été utilisées: i) hydrothermales; ii) le broyage à billes. La taille des particules ainsi que leur morphologie a été analysée par différentes techniques (DRX, MEB…). Ensuite, deux technologies de frittage, pressage à chaud (HP) et frittage flash (SPS), ont été mises en œuvre pour obtenir des échantillons massifs de ZnSe optiquement transparents. La meilleure transmission obtenue dans le domaine du moyen infrarouge, pour les échantillons HP et SPS, est supérieure à 50% et 40% respectivement. Pour obtenir des verres de phosphate avec une grande durabilité chimique, des cations avec une intensité de champ élevée tels que Nb5+ et Ti4+ ont été incorporés dans un verre de phosphate. La transparence dans le domaine du visible a été obtenue en utilisant de petites quantités d'agents d'oxydation tels que les sulfates ou les nitrates. L’utilisation de la spectroscopie par réflectance diffuse a permis de déterminer les coordonnées chromatiques afin d’évaluer le bénéfice de ces ajouts. / A two-part study was conducted on the preparation and characterization of ZnSe ceramic and phosphate glasses for optical applications in the visible and infrared range. To prepare ZnSe powders, two synthetic routes were used: i) hydrothermal; ii) ball milling. The size and morphology of synthesized powders were analyzed using different techniques (XRD, SEM…). Then two sintering technologies, hot pressing (HP) sintering and spark plasma sintering (SPS) sintering have been implemented to obtain optically transparent ZnSe bulk samples. The best transmission obtained in the mid-infrared range, using HP and SPS, is greater than 50% and 40% respectively. To synthesize phosphate glasses with a high chemical durability, cations with high field strength such as Nb5+ and Ti4+ were incorporated into a phosphate matrix. The transparency in the visible range was obtained using small amounts of oxidation agents such as sulfates or nitrates. The use of diffuse reflectance spectroscopy led to determination of the chromaticity coordinates to evaluate the benefit of these additions.