Cinétiques et mécanismes d’oxydoréduction dans les silicates fondus: Études expérimentales de verres nucléaires simplifiés et d’échantillons naturels

devant le jury composé de : M. Eric Chauvin, Ingénieur AREVA NC ..................... Invité M. Bertrand Guillot, Directeur de recherche, CNRS ....... Examinateur M. Grant Henderson , Professeur Université de Toronto ... Examinateur M. Guy Libourel, Professeur ENSG, INPM, Nancy ........... Rapporteur M. Mohammed Malki, Professeur Université d'Orléans ...... Rapporteur M. Daniel Neuville, Directeur de recherche, CNRS ........ Co-directeur de thèse M. Olivier Pinet, Ingénieur CEA ......................... Examinateur M. Pascal Richet, Physicien IPGP ........................ Co-directeur de thèse Résumé : Ce travail contribue à la compréhension des réactions et mécanismes d’oxydoréduction du fer dans les silicates fondus. Il a été réalisé à partir de compositions appartenant aux systèmes Na2O-B2O3-SiO2-FeO et Na2O-Al2O3-SiO2-FeO. L’influence des substitutions bore-sodium et aluminium-sodium et du taux de fer sur les propriétés et la structure des verres ainsi que sur les cinétiques d’oxydoréduction a été étudiée par spectroscopie Raman, Mössbauer et XANES aux seuils K du bore et du fer. Dans les borosilicates, une augmentation du taux de fer ou de l’état rédox Fe3+/?Fe entraîne un réarrangement structural des espèces BO4 au sein du verre alors que les proportions relatives de BO3 et BO4 sont très peu affectées. Dans tous les verres et silicates fondus étudiés, Fe3+ est un formateur de réseau en coordinence 4, sauf pour les aluminosilicates de rapport Al/Na>1 où il joue un rôle de modificateur de réseau en coordinence 5. Les cinétiques d’oxydoréduction sont contrôlées près de Tg par la diffusion des cations modificateurs de réseau, accompagnée d’un contreflux de trous électroniques. Aux températures proches du liquidus, la diffusion de l’oxygène est considérée comme le mécanisme gérant les processus d’oxydoréduction. Cette étude met en évidence le rôle joué par la polymérisation du réseau sur les cinétiques rédox. Dans les borosilicates fondus, les cinétiques rédox sont dépendantes de la spéciation du bore entre BO3 et BO4 qui elle-même dépend du taux de sodium. Par ailleurs, plus le rapport formateurs/modificateurs de réseau est important, plus la diffusivité de l’oxygène diminue et plus les vitesses de cinétiques rédox sont réduites. Les résultats obtenus ont permis de décrire les cinétiques rédox pour des compositions plus complexes de laves naturelles ou s’approchant de celles de verre de confinement de déchets nucléaires. Mots-clés : fer, alumino-borosilicate, oxydo-réduction, cinétique, diffusion, XANES, spectroscopie Raman Abstract : This work contributes to better understand iron redox reactions and mechanisms in silicate melts. It was conducted on compositions in both Na2O-B2O3-SiO2-FeO and Na2O-Al2O3-SiO2-FeO systems. The influence of boron-sodium and aluminum-sodium substitutions and iron content on properties and structure of glasses and on the iron redox kinetics has been studied by Raman, Mössbauer and XANES spectroscopies at the B and Fe K-edges. In borosilicate glasses, an increase in iron content or in the Fe3+/?Fe redox state implies a structural rearrangement of the BO4 species in the glass network whereas the BO3 and BO4 relative proportions remain nearly constant. In all studied glasses and melts, Fe3+ is a network former in tetrahedral coordination, unless for aluminosilicates of ratio Al/Na>1 where Fe3+ is a network modifier in five-fold coordination. Near Tg, diffusion of network modifying cations controls the iron redox kinetics along with a flux of electron holes. At liquidus temperatures, oxygen diffusion is considered to be the mechanism that governs redox reactions. This study shows the role played by the silicate network polymerization on the redox kinetics. In borosilicate melts, iron redox kinetics depends on the boron speciation between BO3 and BO4 that depends itself on the sodium content. Furthermore, an increase in the network-former/network-modifier ratio implies a decrease in oxygen diffusion that results in a slowing down of the redox kinetics. The obtained results allow a description of the iron redox kinetics for more complex compositions as natural lavas or nuclear waste model glasses. Keywords : iron, alumino-borosilicate, redox reactions, kinetic, diffusion, XANES, Raman spectroscopy