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Utilisation de matériaux poreux de type MetalOrganic Framework (MOF) pour l’adsorption de molécules gazeuses (I2, RuO4) dans le contexte d’un accident de réacteur nucléaire


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Maëva LELOIRE a soutenu sa thèse le vendredi 29 janvier 2021à Vileneuve d'Ascq.

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Unité de recherche > IRSN/PSN-RES/SEREX/L2EC

Auteurs > LELOIRE Maëva

Date de publication > 29/01/2021

Résumé

Les isotopes radiotoxiques de l'iode et du ruthénium, tels que 129I, 131I, 103Ru et 106Ru, sont produits en quantité significative durant la fission nucléaire. Après un accident de réacteur nucléaire, ces éléments peuvent être rapidement disséminés dans l’environnement, sous la forme d’espèces gazeuses très volatiles comme l'iode moléculaire (I2) ou le tétraoxyde de ruthénium (RuO4). Afin de limiter la dispersion de ces produits de fission en cas d’accident, des filtres composés de matériaux poreux (zéolites ou charbon actifs) peuvent être employés. Cependant, de tels solides poreux présentent des limitations dans le contexte d'accident nucléaire. En effet, la présence d'espèces empoisonnantes (par exemple NOx, H2O, COx) peut inhiber la capture d’espèces radiotoxiques. De plus, leur relative faible porosité n’est souvent pas adaptée au bon piégeage d’espèces volumineuses comme RuO4. Sur la base de ces limites, une classe récente de matériaux poreux appelés Metal-Organic Frameworks (MOFs) pourrait s’avérer être un substitut efficace. En effet, les composés MOFs sont des matériaux hybrides cristallisés, constitués de clusters inorganiques liés les uns aux autres par des ligands organiques. Cette organisation peu dense offre une porosité importante et des surfaces spécifiques élevées (jusqu'à 7000 m2.g-1), nettement supérieurs à celles des solides poreux habituels.  

Afin de renforcer nos connaissances sur les composés MOFs pour une potentielle utilisation en sureté nucléaire, ce travail de thèse s’est intéressé à leur efficacité pour la capture de I2 et RuO4 volatils dans certaines matrices poreuses modèles (type UiO-66). Nous avons mis en évidence l'importance de la fonctionnalisation du ligand espaceur et du confinement de l’iode au sein du réseau poreux. Ainsi, l’iode créé une interaction forte avec le ligand des MOFs pour former d’autres espèces iodées de type Ix-. Cette transformation a notamment été analysée par spectroscopie RAMAN.
Suite à cette première étude, nous avons sélectionné le solide UiO-66_NH2 comme matériau de filtration de référence pour réaliser un essai dans l’installation EPICUR de l’IRSN. Celle-ci permet l’étude du confinement de l’iode radioactif (131I) au sein de la charpente poreuse en conditions accidentelles (radiation, température, vapeur d’eau). Ce travail a nécessité, en amont, d’élaborer un protocole de mise en forme, afin de produire un matériau MOF avec une granulométrie sphérique millimétrique. En parallèle, un travail sur la résistance de ce matériau sous irradiation gamma a également été entrepris, dans l’installation IRMA de l’IRSN. Cette étude a confirmé l’excellente efficacité du UiO-66_NH2 dans le contexte choisi.
Enfin, le matériau UiO-66_NH2 a également été le candidat choisi pour la capture de RuO4 gazeux. Les différentes analyses (MET, RMN) ont permis de quantifier le RuO4 au sein des pores et de proposer des mécanismes réactionnels expliquant sa très bonne adsorption.