Stabilité des scories de plasma
Évaluation de la sûreté des déchets conditionnés
L'organisme belge de gestion des déchets, l’ONDRAF, est chargé de divers flux de déchets. Certains d'entre eux sont des déchets historiques de faible et moyenne activité (DFMA) incorporés dans une matrice de ciment ou de bitume. Les propriétés physico-chimiques de ces déchets historiques ne sont pas toujours compatibles avec le stockage en surface auquel ils sont destinés. De plus, il est souvent très difficile, voire pratiquement impossible, de déterminer la composition chimique des déchets avec une précision suffisante. Depuis quelque temps, l’ONDRAF examine si l’incinération plasma associée à un bain de vitrification de ces déchets peut constituer une solution. Le produit final d’un tel traitement des déchets est ce que l’on appelle les scories de plasma, considérées comme des matériaux composites de verre (MCV). Les MCV sont des mélanges homogènes de phases cristallines incorporées dans une matrice de verre amorphe. Dans certains cas, en fonction de la composition chimique, les scories forment une matrice de verre presque entièrement amorphe.
Les MCV ne contiennent aucune matière organique et leur caractérisation physico-chimique et radiologique est relativement simple. La technologie plasma s'avère donc prometteuse pour le reconditionnement des déchets historiques, pour lesquels il est difficile, voire impossible, de démontrer la conformité aux critères physico-chimiques de l'installation de stockage en surface, où ils sont finalement destinés à être stockés. De plus, cette technologie pourrait également être appliquée aux déchets non traités et non conditionnés.
Un programme de recherche a été mis en place pour évaluer la stabilité de ces MCV dans les conditions de stockage. C'est là que le SCK CEN entre en jeu. Avec nos connaissances, notre expertise et notre infrastructure, l'équipe Déchets & Enfouissement est parfaitement équipée pour étudier ce type de déchet
🔗 Pour obtenir un aperçu général de la technologie plasma et de son utilisation prévue, veuillez consulter la page web de l'ONDRAF consacrée à la recherche sur le plasma.
Les MCV au microscope : gros plan sur la stabilité et la compatibilité avec le stockage final
Quelle est la stabilité à long terme des MCV ? Sont-ils adaptés à un stockage définitif dans un site de stockage en surface ? Examinons de plus près la stabilité de ces MCV.
La stabilité chimique et physique des MCV détermine comment et dans quelles conditions les déchets resteront confinés en toute sécurité à long terme dans le cas du stockage final. Le site de stockage en surface de Dessel (Catégorie A) prévoit l’utilisation de matériaux de construction classiques, principalement à base de ciment, et ces matériaux se caractérisent par des valeurs de pH élevées.
Comment ces MCV se comportent-ils donc dans un tel environnement alcalin riche en ciment sur des décennies, des siècles, voire des millénaires ? À quelle vitesse les radionucléides confinés seront-ils libérés ? Existe-t-il un risque que leur présence entraîne l’apparition de processus susceptibles d’influencer négativement les performances du site de stockage ? Ces questions de recherche sont abordées par une équipe d’experts.
En savoir plus sur le projet de recherche STAB‑SLAK
Dans le cadre de l'étude STAB-SLAK, nous avons cherché à identifier la plage de composition dans laquelle les MCV conservent suffisamment leur stabilité chimique et physique, c'est-à-dire une résistance suffisante à la dissolution et aux réactions indésirables.
Découvrez le projet STAB-SLAK : une initiative de recherche novatrice du SCK CEN et de l’ONDRAF qui étudie la stabilité à long terme des MCV dans des environnements cimentaires.
🔍 Plongez-vous dans les rapports techniques sur les essais de lixiviation et les études sur le comportement d'expansion afin de comprendre comment ces matériaux se comportent dans des conditions de stockage.
Comment évaluer la stabilité à long terme des MCV ?
Afin d'évaluer la stabilité à long terme des MCV issus du (re)traitement des déchets radioactifs, une série de tests sont effectués en laboratoire. Les conditions de ces tests sont définies de manière à fournir des informations sur le comportement des MCV dans les conditions d'un stockage en surface.
Tests de lixiviation
Des tests de lixiviation sont effectués afin de déterminer si ces formes de déchets retiennent les radionucléides et autres éléments toxiques et dans quelle mesure cela dépend de la composition du MCV. Si les MCV encapsulent ces éléments, la question clé est de savoir dans quelle mesure, suffisante ou non, ils le font et continuent de le faire dans des conditions de stockage pertinentes.
Les scories sont immergées à cet effet dans de l'eau interstitielle de ciment synthétique (eau IPM) à un pH de 12,5 afin de reproduire les conditions hautement alcalines attendues à l’endroit d’un site de stockage en surface où les MCV pourraient être placés. Pour accélérer le processus de dissolution sans introduire d'effets irréalistes, les tests sont effectués à une température de 40°C. Des tests de lixiviation statiques (sans renouvellement de l’eau), semi-dynamiques (avec renouvellement discontinu de l’eau) et dynamiques (avec renouvellement continu de l’eau) sont effectués afin d'évaluer le comportement de lixiviation de ces éléments solides dans un tel environnement.
Test de stabilité volumétrique
Un déchet conditionné est aussi un matériau fort et robuste.
Pour évaluer la stabilité physique des scories dans les matrices à base de ciment, les échantillons de scories granulées sont d'abord mélangés avec du ciment et de l'eau, puis durcis à 120°C sous la forme de prismes. Par la suite, le changement de longueur des prismes durcis fait l'objet d'un suivi pendant une période de 120 jours, au cours de laquelle les prismes sont stockés à une température de 60°C à un taux d'humidité relative très élevé. Cela permet d'évaluer si les scories ont tendance à se dilater dans un environnement de stockage et pourraient, le cas échéant, endommager les structures et systèmes environnants.
Analyse microstructurale
Pour obtenir une bonne caractérisation de la forme de déchet des scories, et mieux comprendre le comportement observé, une analyse microstructurale s'avère essentielle.
Au SCK CEN, nous faisons usage de la microscopie électronique à balayage avec spectroscopie à dispersion d'énergie (MEB-SDE) et de la diffraction des rayons X (DRX) pour examiner la structure interne des scories avant et après lixiviation. Ces analyses indiquent comment les différentes phases minérales se dissolvent, se transforment ou précipitent au fil du temps, fournissant ainsi un aperçu des processus sous-jacents. La MEB-SDE est également utilisée dans les mélanges ciment-laitier granulé après le test d'expansion de 120 jours, afin de pouvoir attribuer l'expansion observée, le cas échéant, à un mécanisme sous-jacent.
Résistance mécanique
Une autre façon d'évaluer si des processus se produisent dans les mélanges ciment-laitier granulé durcis pendant le test d'expansion consiste à mesurer la résistance à la flexion et à la compression des prismes au début et à la fin du test d'expansion. Une forte variation de la résistance pourrait indiquer une interaction des scories en contact étroit avec le ciment.
Vous voulez savoir comment cette recherche se traduit dans la pratique ?
Découvrez le projet STAB-SLAK et la façon dont nous étudions la stabilité des scories de plasma pour garantir la sûreté des déchets conditionnés.