Study of the effects of gamma irradiation on the behavior of radioactive waste containment matrices / Étude des l'effets des rayons gamma sur le comportement des matrices de confinement des déchets radioactifs

by Ilaria Moschetti (Equipe Radiochimie)

Thursday Dec 4, 2025, 2:00 PM → 4:00 PM Europe/Paris

Amphi Besse (Subatech IMT Atlantique)

Key words: Magnesium phosphate cement, geopolymer, gamma irradiation, metallic waste, liquid organic waste

Magnesium Phosphate Cement (MPC) and Geopolymer (GP) are materials recently proposed for applications in the nuclear field. To validate the application of these new materials for radioactive waste conditioning, investigating their stability under irradiation is essential, and it is a requirement of the waste management regulatory bodies.

This work addresses several key points: understanding possible modifications of the MPC and GP microstructure and crystalline phase under irradiation; in particular, assessing the combined effects of irradiation on MPC samples containing metals, as well as the encapsulation of oil within GP. These modifications were investigated by several analytical techniques. Furthermore, the effects of irradiation on hydrogen release and mechanical and leaching properties were tested to verify the compliance with waste acceptance criteria.

The analyses revealed good structural integrity and robustness for both MPC and GP under irradiation. The addition of aluminum acted as a reinforcement fiber in MPC samples, increasing compressive strength by 10 MPa for each 10 v.\% of aluminum added compared with reference samples, without compromising other durability properties such as leaching resistance. No releases were recorded during leaching of the samples with 30 v.\% oil, confirming the suitability of the GP for waste streams containing organic substances.

Overall, both MPC and GP demonstrated remarkable resilience under gamma irradiation. The results fill part of the knowledge gap on the irradiation performance of magnesium-phosphate and aluminosilicate-based binders and support their consideration as viable alternatives to ordinary Portland cement in nuclear decommissioning.

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Mots clés : Ciment phospho-magnésiens, géopolymères, irradiation gamma, déchets métalliques, déchets organiques liquides

Les ciments phospho-magnésiens (MPC) et les géopolymères (GP) sont des matériaux récemment proposés pour des applications dans le domaine du nucléaire. Afin de valider l'application de ces matériaux pour le conditionnement des déchets radioactifs, et respecter la réglementation en matière de gestion des déchets, un des paramètres essentiels à étudier est leur stabilité sous irradiation.

Ce travail aborde plusieurs points clés : la compréhension des modifications possibles de la microstructure et des phases cristallines du MPC et du GP sous irradiation gamma ; en particulier, l'évaluation des effets combinés de l'irradiation sur des échantillons MPC contenant des métaux, ainsi que l'encapsulation d'huile dans le GP. Ces modifications ont été étudiées à l'aide de plusieurs techniques analytiques. En outre, les effets de l'irradiation sur la production d'hydrogène et les propriétés mécaniques et de lixiviation ont été testés afin de vérifier la conformité aux critères d'acceptation des déchets.

Les analyses ont révélé une bonne intégrité structurelle et une bonne robustesse pour le MPC et le GP sous irradiation. L'ajout d'aluminium a agi comme une fibre de renforcement dans les échantillons de MPC, augmentant la résistance à la compression de 10 MPa pour chaque 10 v.\% d'aluminium ajouté par rapport aux échantillons de référence, sans compromettre d'autres propriétés de durabilité telles que la résistance au lessivage. Aucun rejet n'a été enregistré lors de la lixiviation des échantillons avec 30 v.\% d'huile, ce qui confirme l'adéquation du GP pour le conditionnement de déchets contenant des substances organiques.

Dans l'ensemble, le MPC et le GP ont tous deux démontré une résilience remarquable sous irradiation gamma. Les résultats comblent en partie le manque de connaissances sur les performances sous irradiation des liants à base de phosphate de magnésium et d'aluminosilicate. Ils peuvent être considérés comme des matériaux alternatifs viables au ciment Portland ordinaire pour le conditionnement des déchets nucléaire.