Vers l’évaluation des performances des formes avancées de déchets nucléaires : dépendance en température de la dissolution du verre borosilicaté aux lanthanides

Pourquoi un stockage plus sûr des déchets nucléaires est important

Les réacteurs nucléaires modernes et les conceptions avancées à venir peuvent produire de l’électricité sans émissions de carbone, mais ils génèrent aussi des déchets fortement radioactifs qui doivent être isolés des personnes et de l’environnement pendant des milliers d’années. L’une des voies les plus prometteuses consiste à verrouiller ces déchets dans un verre spécialement conçu, puis à stocker ce verre en profondeur sous terre. Cette étude pose une question simple mais cruciale : comment un type avancé de verre de déchets nucléaires se comporte-t-il dans de l’eau chaude sur de longues durées, et peut-on quantifier ce comportement suffisamment pour faire confiance à nos modèles d’un futur site de stockage ?

Verrouiller la radioactivité dans le verre

Les déchets hautement radioactifs ne sont pas stockés sous forme de poudre libre ou de liquide. Ils sont généralement fondus dans un verre résistant qui retient de nombreux éléments chimiques dans un réseau solide et désordonné. Les plans de sûreté internationaux s’appuient sur plusieurs barrières : les déchets sont d’abord immobilisés dans un verre durable, scellés dans des conteneurs robustes, puis placés dans des massifs rocheux soigneusement choisis, en profondeur. Pour prévoir l’efficacité de ce dispositif sur des centaines de milliers d’années, les scientifiques développent des modèles d’évaluation des performances qui simulent la vitesse à laquelle les atomes radioactifs pourraient s’échapper du verre si de l’eau venait à l’atteindre. Ces modèles ne valent que par la qualité des données qui les alimentent, en particulier les données sur l’effet de la température et de la chimie de l’eau sur la corrosion du verre.

Un nouveau regard sur un verre de déchets avancé

La recherche se concentre sur le verre borosilicaté aux lanthanides (LaBS), une famille de matériaux conçue pour contenir de fortes teneurs en éléments difficiles comme le plutonium, l’américium et le curium. Les verres LaBS sont plus robustes et plus résistants à la chaleur que les verres de déchets plus courants utilisés pour les réacteurs actuels, et ils peuvent incorporer de plus fortes concentrations de métaux radioactifs parce que leur structure contient déjà de nombreux lanthanides qui absorbent les neutrons. Les auteurs étudient un échantillon bien caractérisé nommé AmCm2-19, développé initialement pour immobiliser des déchets riches en américain et curium, et comparent son comportement dans l’eau à celui d’un verre de référence largement utilisé, connu sous le nom d’International Simple Glass-1 (ISG-1). Les deux verres sont exposés à de l’eau pure à des températures allant du tiède (50 °C) au très chaud (250 °C) selon un essai de durabilité standardisé.

Comment la chaleur modifie la réaction verre–eau

Quand le verre est immergé dans l’eau, certains de ses atomes constitutifs migrent lentement dans le liquide. En mesurant la vitesse à laquelle des éléments clés comme le bore et le silicium quittent le verre, l’équipe suit son taux de dissolution. Pour le verre AmCm2-19, ces vitesses de relargage augmentent avec la température de l’eau puis s’atténuent autour de 150 °C. Cet aplatissement suggère que l’eau devient saturée : elle ne peut plus dissoudre davantage de ces éléments, et un état protecteur subtil est atteint, impliquant possiblement une fine couche d’altération ou la formation de phases minérales microscopiques. Fait intéressant, ce verre LaBS avancé sature l’eau à des concentrations dissoutes bien plus faibles que le verre de référence, ce qui indique la formation probable de types différents de composés secondaires dans chaque système.

Observer le verre et quantifier sa résistance

Pour obtenir des valeurs utilisables par les modélisateurs, les auteurs ajustent leurs données dépendantes de la température à une relation d’Arrhenius, qui relie la vitesse de réaction à la température. En n’utilisant que les conditions antérieures à la saturation (50 et 100 °C), ils dérivent des énergies d’activation qui décrivent la sensibilité du taux de dissolution à la température. Pour AmCm2-19, ces valeurs sont modestes, de l’ordre de 15–25 kilojoules par mole, et similaires à celles observées pour quelques compositions LaBS antérieures. En revanche, les verres de déchets nucléaires plus conventionnels présentent souvent des énergies d’activation bien plus élevées, ce qui signifie que leurs taux de réaction varient plus fortement avec la température. L’équipe étudie aussi l’échappement des différents éléments lanthanides du verre et trouve que les lanthanides légers se lixivient davantage que les plus lourds, reflétant la force avec laquelle ils sont liés au réseau vitreux.

Vérification des dommages cachés

Parce que les essais à haute température suggèrent que l’eau atteint la saturation, les chercheurs réalisent une expérience séparée, plus extrême, destinée à favoriser l’apparition de produits d’altération visibles. Ils exposent une poudre fine du verre AmCm2-19 à de l’eau chaude à 200 °C pendant plus de deux semaines, puis examinent le matériau par diffraction des rayons X sur poudre et microscopie électronique. Ces méthodes peuvent révéler de nouveaux cristaux ou des couches formées à la surface du verre. Les mesures montrent seulement des changements mineurs : une petite phase cristalline préexistante semble diminuer, et aucun nouveau cristal évident ni revêtement de surface épais n’est détecté. La cartographie élémentaire des surfaces du verre avant et après lixiviation montre également des compositions pratiquement identiques, ce qui suggère que toute couche d’altération protectrice, si elle existe, est extrêmement mince.

Ce que cela signifie pour les futurs sites de stockage

D’un point de vue non spécialiste, le message clé est que ce verre de déchets nucléaires avancé reste assez stable même dans de l’eau très chaude, et que sa détérioration ralentit une fois que le liquide environnant est saturé en composants dissous. L’étude fournit certaines des premières valeurs détaillées dépendantes de la température pour la dissolution d’un verre LaBS, donnant aux analystes de sûreté de meilleurs outils pour prévoir son comportement à long terme en subsurface. Bien que de nombreuses compositions et conditions doivent encore être explorées, ce travail rapproche le domaine de formes de déchets et de modèles en qui l’on peut avoir confiance pour maintenir la radioactivité enfermée profondément dans la Terre sur des échelles de temps bien au-delà de tout horizon de planification humaine.

Citation: McLachlan, J.R., Stanley, D.A., Garcia, J.A. et al. Toward the performance assessment of advanced nuclear waste forms: temperature dependence of lanthanide borosilicate glass dissolution. npj Mater Degrad 10, 44 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00756-1

Mots-clés: verre de déchets nucléaires, borosilicate aux lanthanides, rejet géologique, corrosion du verre, déchets hautement radioactifs