Vitrification (recyclage)

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La vitrification est un procédé de transformation par solidification, ou par mélange avec un additif, d'un matériau en un solide amorphe, semblable à du verre et dépourvu de toute structure cristalline. Par exemple quand le saccharose est refroidi lentement il devient du sucre cristallisé, ou du sucre candi, alors qu'un refroidissement rapide le transforme en un sucre sirupeux, avec lequel on confectionne des sucettes ou de la barbe à papa.

Ayant comme matériau de départ un solide, la vitrification exige généralement que l’on chauffe les substances à très haute température : la céramique est fabriquée de cette façon. La vitrification peut aussi se produire naturellement, comme quand la foudre tombe sur du sable : la chaleur intense et brutale peut créer une cavité, de forme tubulaire, appelée fulgurite. Elle a aussi lieu sur le béton du pas de tir de fusées.

Vitrification des déchets[modifier | modifier le code]

C'est une technique de traitement (et rarement de valorisation) de déchets dangereux ; elle consiste à brûler (si le déchet comprend une fraction organique ou organométalliques) et à fondre le déchet à très haute température par divers moyens possibles de chauffage dont une (ou plusieurs) torche à plasma[1]) pour obtenir un « vitrifiat »[2]. Le plasma thermique est généralement créé à pression atmosphérique et à forte intensité, pouvant localement dépasser 4 000 °C. C'est une alternative à l'inertage dans une matrice hydraulique (de type ciment)[3] et elle est adaptée à l'amiante/déchets amiantifères[4], aux cendres volantes, à divers déchets métallurgiques[5], déchets miniers[5], déchets radioactifs...) mais avec l'inconvénient d'être très consommatrice d'énergie.

On ignore encore le devenir à très long termes de divers types de déchets vitrifiés (Refioms par exemple[6],[7],[8]), mais on sait qu’ils peuvent relarguer des métaux lourds et des éléments de la matrice (silice, bore) avec des cinétiques de remobilisation très variable selon les éléments de la matrice ou les éléments dopants)[9] et que cette durée varie probablement selon leur composition chimique et selon le pH ou certaines propriétés physicochimiques du milieu dans lequel le déchet sera conservé... (Les déchets vitrifiés ne doivent pas être conservé dans un contexte érosif ; on voit que sur un fond marin agité le verre pur se poli et s'érode en quelques décennies).
Un des moyens d'évaluer leur dégradabilité dans le temps a été de se baser sur l'étude de roches naturelles fondues d'origines volcaniques (basaltes)[10],[11],[12], de verre archéologique[13], de vitraux médiévaux[14] et de déchets comparables tels que certaines scories de la métallurgie ancienne pour laquelle on dispose d'échantillons archéologiques datés de 100 à 4 000 ans, et qui présentent « des analogie de composition » avec certains déchets vitrifiés contemporains[15],[16]. Dans les cas étudiés un même mécanisme global a été observé, qui commence par l'extraction sélective des cations modificateurs du réseau vitreux (dont Pb] et Ba) ce qui provoque une élévation du pH de la solution altérante, qui peut alors lentement dissoudre le verre (dans les échantillons anciens « les billes de sulfures et d’alliages métalliques ne sont plus présentes » suite à leur oxydation et dissolution plus rapide. Dans les cas d'origine métallurgiques, des éléments comme le fer ou l'aluminium restent prisonniers de la matrice et peuvent contribuer à former des hydroxydes. le plomb peut ensuite se fixer dans des hydroxydes de fer alors que le Barium précipite éventuellement (en sulfate)[16]. Dans le cas des scories vitreuses issues de la métallurgie ancienne, les vitesses d'altération moyenne varient de 20 à 180 μm par millénaire. Des fissures peuvent apparaitre dès la sortie du four, au refroidissement. Elles fragilisent l'échantillon et peuvent éventuellement ensuite exacerbées par les conditions climatiques[16]. Des expériences visent à trouver de nouvelles matrices minérales plus efficaces , c'est-à-dire plus résistance à la lixiviation, moins poreuses, plus étanches et plus dures et solides…pour traiter à la fois les Refioms et les MIOMs (mâchefers) dont par exemple les vitrocéramiques, céramiques frittées à haute température et géopolymères qui seraient moins coûteux et plus aisés à mettre en œuvre par mélange L-S (liquide-solide)[17].

Cas particulier des déchets radioactifs[modifier | modifier le code]

La vitrification est une solution utilisée depuis plusieurs décennies pour les déchets radioactifs qui sont alors fondus et noyés dans une matrice de verre de type « boro-silico-sodique » fortement dopé en métaux lourds » [9],[18]{{}}[19], souvent mise en avant, mais qui posent plusieurs problèmes ;

  • maitrise des métaux volatils (césium par exemple[20]), des vapeurs et aérosols radioactif produit lors de la fusion ;
  • durabilité incertaine de la matrice vitrifiée, car la radioactivité peut aussi dégrader la matrice de verre et son pH peut s'élever avec le vieillissement[21].
  • maitrise des effets de l'ionisation radioactive au sein de la matrice vitrifiée. L'IRSN a récemment (2018) décrit un incident nucléaire d’un type nouveau : Début 2017 des chercheurs testaient dans une cellule confinée du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies renouvelables (CEA) de Saclay (Essonne) la capacité d’un matériau poreux à adsorber des gaz radioactifs. Un bruit inhabituel et un éclair bleu sont survenus brutalement, donnant lieu à une alerte. Un réseau de fissures internes s'était brutalement formé, avec émission de lumière bleue, à l’intérieur du verre de protection du hublot de vision de la cellule d’irradiation. Cette cellule est utilisée depuis 1969 pour étudier les effets des rayonnements ionisants sur divers équipements et matériaux, dotée d'une source radioactive (scellée) faite de cobalt 60. Ce hublot est fait d'une quadruple épaisseur de « verre au plomb » devant confiner la radioactivité à l’intérieure de la cellule pour protéger les observateurs et télémanipulateurs
    Durant ses quarante-huit ans d’utilisation le verre du hublot a périodiquement été "chargé" en électrons dont au cœur même du verre et ce jour-là ils ont créé un champ électrique supérieur à ce que la plaque de verre pouvait supporter générant un arc électrique (de plus de 30 000 volts selon l'estimation faite ensuite par le CEA et l'IRSN) dans la plaque de verre. Depuis cet incident, le hublot a été réparé et un « temps de relaxation » des plaques de verre du hublot entre chaque irradiation a été rendu obligatoire, pour éviter que l’événement ne se reproduise. Cet incident n'a pas eu de conséquences pour le personnel, mais il pose question quant à la vitrification des déchets nucléaires comme solution pour le stockage à long terme.

En France les déchets peu ou moyennement radioactifs peuvent être vitrifiés par torche à plasma à Morcenx (gérée par la société INERTAM, filiale du groupe Europlasma).
Les déchets de haute activité et à vie longue issus du recyclage des combustibles nucléaires sont eux vitrifiés dans l'usine de retraitement de La Hague via des technologies dites « de creuset chaud » (pot chauffé par induction) ou de creuset froid[22],[23] ,[24] (on chauffe la matière à l'intérieur du pot par induction) ; thèse ; Institut national polytechnique de Grenoble (la matière métallique y est chauffée par induction).

Actuellement les déchets radioactifs vitrifiés sont stockés dans des conteneurs et surconteneur en acier, supposés résister au temps pour notamment empêcher le contact du déchet avec l'eau[25]. Dans le procédé é PIVIC (Procédé d’Incinération Vitrification In Can), le déchet est incinérés par une torche à plasma directement au-dessus d’un bain de verre fondu où s’incorporent les cendres et le métal fondu qui tombe au fond du creuset lequel est sacrifié pour devenir le conteneur primaire du déchet vitrifié.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Fauchais P (2007) [ https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/environnement-securite-th5/gestion-des-dechets-42437210/technologies-plasma-applications-au-traitement-des-dechets-g2055/ Technologies plasma: applications au traitement des déchets]. Ed. Techniques Ingénieur.
  2. Clozel B Caractérisation minéralogique et cristallochimique de vitrifiat - 1995 -Congrès Procédés de solidification et de stabilisation des déchets, Nancy, 28 nov-1 déc., p. 53-57.
  3. Maraval S (1994) Stabilisation/solidification de déchets ultimes: Étude comparative de divers liants hydrauliques et de la vitrification : Cas des cendres d'incinération d'ordures ménagères (Doctoral dissertation, Lyon, INSA).
  4. Rollin M (1995). Plasmas thermiques pour la destruction de déchets amiantifères: L'électricité au service d'une industrie propre. REE. Revue de l'électricité et de l'électronique
  5. a et b Santt, R. (1978). Valorisation par vitrification des déchets miniers et métallurgiques. Ind miner miner.
  6. Le Boulch D, Kraus F, Bense P, Huvelin B, Propriétés d'un vitrifiat de Refiom, in : Cases J.M., Thomas F. (éds.), Procédés de solidification et de stabilisation des déchets, Nancy, 28 novembre– 1er décembre 1995, 1997, p. 510–514
  7. Colombel P (1996) Étude du comportement à long terme de vitrifiats de Refiom, thèse, université de Poitiers, 310 p|résumé
  8. Mahé-Le Carlier C., Ploquin A., Royer J.J.(1999) Caractérisation minéralogique et chimique des vitrifiats de Refiom : importance de la localisation des éléments polluants | Déchets – Sciences et techniques 14 5–9.
  9. a et b Motelica-Heino, M., Gauthier, A., Thomassin, J. H., Donard, O. F., & Le Coustumer, P. (1998) Remobilisation de métaux lourds à partir de déchets solides vitrifiés ; DÉCHETS ; - SCIENCES ET TECHNIQUES - No 12 -4e trimestre 1998
  10. Crovisier J.L., Thomassin J.H., Juteau T., Eberhart J.P., Touray J.C., Baillif P., Experimental seawater basaltic glass at 50 °C: study of early developed phases by electron microscopy and X-ray photoelectron, Geochim. Cosmochim. Acta 47 (1983) 377–387
  11. Crovisier J.L., Atassi H., Daux V., Eberhart J.P., Hydrolyse d’un verre basaltique à 60 °C. Dissolution sélective puis congruente par élévation de pH, C. R. Acad. Sci. Paris, série II 310 (1990) 941–946
  12. Crovisier J.L., Honnorez J., Fritz B., Petit J.C., Dissolution of sub- glacial volcanic glasses from Iceland: laboratory study and modelling, Appl. Geochem. (Suppl. 1) (1992) 55–81
  13. Macquet C., Thomassin J.H., Archeological glasses as modelling of the behaviour of buried nuclear waste glass, Applied Clay Sci. 7 (1992) 17–31
  14. Sterpenich J (1998) Altération des vitraux médiévaux. Contribution à l’étude du comportement à long terme des verres de confinement, thèse, université Nancy-1, 450 p
  15. Mahé-Le Carlier C., Caractérisation pétrographique et chimique d’analogues de déchets vitrifiés actuels :les scories de la métallurgie ancienne. Étude de l’altération naturelle et expérimentale, thèse INPL Nancy, 1997, 337 p
  16. a b et c Mahé-Le Carlier, C., de Veslud, C. L. C., Ploquin, A., & Royer, J. J. (2000). L'altération naturelle des scories de la métallurgie ancienne: un analogue de déchets vitrifiés. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences-Series IIA-Earth and Planetary Science, 330(3), 179-184
  17. Krausova Rambure, K. (2013). Vers de nouvelles matrices minérales pour l’immobilisation et la valorisation des déchets ultimes de l’incinération des déchets ménagers (Doctoral dissertation, Paris Est)
  18. Barthélémy B (2003) Combustion-vitrification de déchets radioactifs par plasma d'arc : Modélisation de la thermique et de la dynamique (Doctoral dissertation, Limoges)|résumé
  19. CEA –Conditionnement des déchets nucléaires. [Consulté le 19/01/2017]. Lien : http://www.cea.fr/Documents/monographies/Conditionnement-d%C3%A9chets-nucl%C3%A9aires-recherche.pdf.
  20. Ghiloufi, I., & Amouroux, J. (2010). Electrolysis Effects on the Cesium Volatility During Thermal Plasma Vitrification of Radioactive Wastes. High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes, 14(1-2)
  21. dvocat T., Crovisier J.L., Vernaz E., Corrosion du verre nucléaire R7T7 à 90 °C : passage d’une dissolution sélective à congruente par élévation du pH, C. R. Acad. Sci. Paris, série II 313 (1991) 407–412.
  22. Sauvage E (2007). Modélisation numérique thermo-hydrodynamique et inductive d'une fonte verrière élaborée en creuset froid inductif (Doctoral dissertation, Grenoble, INPG).
  23. « Creuset froid : une première mondiale pour les déchets de haute activité - AREVA », sur www.areva.com (consulté le 27 juillet 2016)
  24. Saumabere Denis (1994) Modélisation numérique magnéto-thermique avec prise en compte du transfert radiatif dans les procédés d'élaboration des verres par induction en creuset froid.
  25. Bataillon C, Musy C & Roy M (2001). Corrosion des surconteneurs de déchets, cas d'un surconteneur en acier faiblement allié. Le Journal de Physique IV, 11(PR1), Pr1-267.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Advocat T, Dussossoy J.L & Petitjean V (2008) Vitrification des déchets radioactifs. Ed. Techniques Ingénieur.
  • Bonniaud R (1976) La vitrification continue des produits de fission. Revue Générale Nucléaire, (6), 490-495 résumé.
  • Girold C (1997). Incinération : Vitrification de déchets radioactifs et combustion de gaz de pyrolyse en plasma d'arc (Doctoral dissertation, Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques)|résumé.
  • Jouan A, Jacquet-Francillon N & Moncouyoux J.P (1997) La vitrification des déchets radioactifs de haute activité en France. État et perspectives. VERRE-PARIS THEN VERSAILLES-, 3, 4-10.
  • Jouan A & Sombret C (1976) La vitrification continue des solutions concentrées de produits de fission. Annals of Nuclear Energy, 3(5-6), 275IN3279-278IN5283|résumé.
  • Rigny, P. (2010). Le cycle du combustible nucléaire: de la mine d’uranium jusqu’au recyclage et aux déchets. Actualité Chimique, 345.
  • Valle N (2000) Traçage isotopique des mécanismes de l'altération du verre de confinement des déchets nucléaires: SON 68 (Doctoral dissertation).