Manuscrit de la thèse / Thesis manuscript.

Résumé :

Ces travaux de thèse sont consacrés à l’étude des effets que les rayonnements gamma peuvent avoir sur le processus de corrosion anoxique de l’acier carbone et sur la production d’hydrogène qui en découle. Le concept de multi-barrières, associé au projet français de site de stockage géologique des déchets HA-MAVL, implique l’utilisation de grande quantité d’éléments métalliques. Ces éléments métalliques, exposés aux rayonnements ionisants provenant des déchets radioactifs, vont être progressivement soumis à un phénomène de corrosion anoxique sous irradiation. Parallèlement aux probables modifications des processus de corrosion liées à la néoformation des espèces radiolytiques, les phénomènes de corrosion anoxique et de radiolyse de l’eau produisent ensemble de l’hydrogène gazeux dont l’accumulation pourrait affecter sensiblement la sûreté de l’installation de stockage à moyen-long terme.

Afin de contribuer à l’évaluation de sûreté à long terme d’une telle installation souterraine, cette étude a pour objectif de développer un dispositif expérimental permettant de distinguer la production d’hydrogène provenant de la radiolyse de l’eau de celle associée à la corrosion anoxique. La mesure en continu des productions d’hydrogène correspondant à trois étapes importantes (la pré-irradiation, l’irradiation et la post-irradiation) nous a permis d’estimer l’évolution de la vitesse de corrosion se produisant avant, pendant et après l’irradiation gamma pour des échantillons d’acier carboné immergés dans différentes solutions. Les résultats obtenus, associés aux caractérisations post mortem des échantillons liquide et solide correspondant indiquent que :

1. la présence de soluté et/ou d’un pH élevé entraîne une diminution de la production d’hydrogène radiolytique,
2. la composition chimique initiale de la solution à un impact direct sur les vitesses de corrosion mesurées avant irradiation,
3. les rayonnements gamma n’entraînent pas d’augmentation significative de la vitesse de corrosion,
4. la dégradation progressive de la couche de magnétite, causée par les variations des conditions redox induites par les espèces radiolytiques néoformées, peut engendrer des modifications structurales pouvant impacter à la fois la croissance et les propriétés de passivation associées à l’évolution moyen-long terme d’un film d’oxyde formé sur la surface métallique
5. la modélisation peut aider à prédire l’évolution des concentrations de certaines espèces radiolytiques clefs susceptibles d’impacter le processus de corrosion anoxique sous irradiation.

Mots clés : Acier carboné, corrosion anoxique, irradiation gamma, radiolyse de l’eau, hydrogène gazeux.

Hydrogen production by anoxic corrosion of steel under gamma-radiation

Abstract:

The present thesis work reports an investigation of the impact of gamma radiation on carbon steel anoxic corrosion process and the resultant hydrogen gas production. The multi-barriers concept associated to the French HL-ILW waste deep geological disposal project implies the use of large amount of metallic elements. This metallic elements, exposed to ionizing radiations originating from nuclear waste, will be progressively submitted to anoxic corrosion under irradiation processes. In addition to the fact that neoformed radiolytic species are prone to modify the corrosion processes, both anoxic corrosion and water radiolysis phenomena generate hydrogen gas whose accumulation may significantly affect mid and long term safety of the disposal facility.

To contribute to the long-term safety assessment of such underground installation, this work aimed to develop an experimental setup allowing to distinguish between the H₂ production related to water radiolysis and the one related to anoxic corrosion. By measuring continuously the hydrogen gas production corresponding to three important stages (pre-irradiation, irradiation and post-irradiation phases), we were able to estimate corrosion rate values evolution occurring before, during and after gamma-irradiation for carbon steel samples immersed in different solutions. The obtained experimental results, associated to the corresponding liquid and solid samples post mortem characterisations, indicate that:

1. both the presence of solute and/or higher pH conditions induce a decrease of radiolytic hydrogen production,
2. initial chemical composition of the solution impacts directly the pre-irradiation phase corrosion rate values,
3. gamma irradiation does not induce any significant increase of the corrosion rate values,
4. progressive alteration of magnetite layer caused by radiolytic induced redox variations could cause structural modifications that may impact both growth and passivating properties associated to mid and long term evolution of the oxide film formed on the metallic surface
5. modelling can help to predict the concentration evolution associated to key radiolytic species prone to impact anoxic corrosion under irradiation processes.

Key words: Carbon steel, anoxic corrosion, gamma radiation, water radiolysis, hydrogen gas.