Behavior of mesoporous silica under ionic irradiation
Comportement des silices mésoporeuses sous irradiations ioniques
Résumé
In the search of new solutions to treat radioactive effluent, the so-called “separation-conditioning” strategy, which consists of implementing a functionalized porous matrix for the radionuclide adsorption, is an interesting alternative way. Such porous matrix could even act as a long term conditioning matrix in the second step. For this purpose, mesoporous silica presents several advantages like enormous fonctionalisable surface, possibility to prepare at low temperature and pore closure which favors long term conditioning. During its working process and with the presence of radionuclide, the mesoporous structure will be exposed to self-irradiation. This is why it’s important to know the structure evolution under such conditions.The objective of this thesis is to compare different mesoporous structures under various irradiation conditions which induce two major effects, the ballistic (nuclear) effect and the inelastic (electronic) effect. In order to achieve these objectives and thanks to their several advantages, external irradiations with heavy ions were used to simulate self-irradiation processes. Adapted post-irradiation characterizations, like X-ray reflectivity and gas adsorption, were carried out. In the ballistic regime, a total compaction due to mesopore collapse is observed at a dose about ~1025 eV/cm3 (~10 dpa). In the electronic regime, ions of stopping power inferior to 1keV/nm do not present obvious effect on the mesoporous structure evolution. Only the Ni-638 MeV with stopping power ~5 keV/nm shows significant collapse effect but no total compaction was observed until the maximum studied dose about Eelec.=1025 eV/cm3. These results indicate a good resistance of these structures against irradiation damage.The origin of these structural behaviors has not been clearly understood. Thermal effect, considered as secondary irradiation effect, cannot be referred to because a comparative study showed completely different densification process. Additionally, a trial with classic Molecular Dynamics modelling for purely ballistic effects was undertaken. It allows to successfully reproduced mesopore collapse and to set foot on the explanation in case of ballistic regime. In the electronic regime, the results are compatible with literatures.
Dans le cadre de la recherche de nouvelles solutions pour le traitement des effluents radioactifs, la stratégie dite « séparation – conditionnement » qui consiste à mettre en oeuvre un support poreux fonctionnalisé pour la sorption des radionucléides, qui pourrait également être un matériau précurseur pour l’élaboration d’une matrice de conditionnement, est une alternative qui présente des perspectives intéressantes. Dans ce contexte, la silice mésoporeuse est un matériau qui présente plusieurs atouts : une grande surface spécifique fonctionnalisable, une élaboration à basse température et enfin, la possibilité de confiner le radionucléide par fermeture de la porosité via l’application d’une contrainte chimique, mécanique, thermique… Au cours de ces différentes étapes, du fait de la présence de radionucléides, la structure mésoporeuse serait soumise à l’auto-irradiation, c’est pourquoi il est important de connaitre l’évolution d’une telle structure dans ces conditions.L’objectif de cette thèse était donc de comparer les comportements de différentes silices mésoporeuses sous des conditions d’irradiations variées qui donnent lieu à deux effets principaux, l’effet balistique (nucléaire) et l’effet inélastique (électronique). Pour atteindre cet objectif, les irradiations externes par des ions lourds ont été utilisées pour simuler les processus d’auto-irradiation. Les techniques de caractérisation post-irradiation (réflectivité des rayons-X, adsorption gazeuse) ont été mises en œuvre. Une compaction totale de la structure mésoporeuse a été observée en régime balistique pour une dose d’environ ~1025 eV/cm3 (~10 dpa). Lors des irradiations en régime électronique, les ions présentant un pouvoir d’arrêt inférieur à 1keV/nm n’ont pas d’effet important sur l’évolution de la structure mésoporeuse, seuls les ions présentant un pouvoir d’arrêt élevé (Ni-638 MeV, dE/dx~5 keV/nm), supérieur au seuil de formation des traces dans la silice thermique, induisent une densification de la structure. Jusqu’à une dose Eélec.=1025 eV/cm3 le phénomène de saturation n’a pas été observé. Aucune différence importante n’a été observée entre les différentes silices mésoporeuses étudiées. Ces résultats indiquent une bonne résistance de ces structures aux dommages créés par l’irradiation.L’origine de ces comportements n’a pas été clairement établie. Les effets purement thermiques des irradiations ne peuvent pas être invoqués car une étude comparative a montré les processus de densification étaient totalement différents. Une approche de modélisation par Dynamique Moléculaire classique a permis de reproduire avec succès l’effondrement des mésopores, ce qui apporte un début d’explication dans le cas de l’endommagement en régime balistique. En régime électronique, les résultats obtenus sont cohérents avec les résultats bibliographiques.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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