Lu Jin "Préparation de cibles d'uranium : compréhension du procédé d'électroprécipitation pour optimiser les conditions opératoires" (Pôle Energie et Environnement)

jeudi 28 janv. 2021, 14:00 → 16:00 Europe/Paris

100/-1-A900 - Auditorium Joliot Curie (IJCLab)

Lien de connexion / Link :

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ID de réunion : 927 5502 9052
Code secret : 547594

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Résumé :

L’objectif de cette thèse est de comprendre les processus associés à l’électrodépôt d’uranium pour sélectionner les meilleures conditions et améliorer la qualité des cibles utilisées pour des recherches en physique nucléaire. Les couches minces d’uranium ont été préparées par électroprécipitation dans l’isobutanol, sur un substrat en aluminium. Les électrolyses ont été réalisées avec un montage à deux électrodes en imposant une tension.  
Une partie a été consacrée à la définition de l’électrolyte, en tenant compte de la viscosité, la densité, la conductivité électrique et des propriétés redox. Le principe de l’électroprécipitation consiste à la production d’ions OH- à la cathode. Ces ions réagissent ensuite avec l’élément à déposer pour former un hydroxyde ou un oxyde hydraté qui précipite à la cathode. L’isobutanol est un solvant visqueux et peu conducteur. Lors de l’électrolyse, les ions OH- se concentrent au voisinage du substrat et forment un «mur basique». Les résultats montrent qu’il est préférable de rajouter de l’eau en fort excès par rapport à la quantité nécessaire pour atteindre le pH de début de précipitation et pour réagir avec la totalité de l’uranium initialement en solution. Une concentration de 1 M d’eau permet d’obtenir avec de bons rendements des cibles homogènes et peu rugueuses. Pour améliorer la conductivité de la solution, il faut aussi rajouter un sel à une concentration supérieure ou égale à 1.103 M. L’uranium sous forme de sel de nitrate est soluble et totalement dissocié en cation UO22+ à des pH inférieurs à 4, en solution aqueuse. L’acide nitrique a été sélectionné comme additif.
Cependant, en présence de HNO3, l’aluminium est corrodé et sa surface est dégradée. Ceci peut provoquer une mauvaise adhérence du dépôt au substrat. Pour limiter cette corrosion néfaste à la qualité de la cible, il faut limiter la teneur en acide nitrique à des concentrations inférieures à 3.10-3 M. Des feuilles de Al de différentes épaisseurs ont été caractérisées. Plus la feuille est mince, moins elle est rugueuse. Ceci est intéressant car les cibles pour les mesures en physique doivent être réalisées sur des feuilles les plus minces possibles.
Des dépôts d’uranium ont pu être préparés avec des rendements supérieurs à 90%, mais avec des rendements faradiques faibles. La durée d’électrolyse doit être limitée car plus le temps est long, plus le dépôt d’uranium devient rugueux. Les analyses électrochimiques indiquent que la formation des ions OH- est principalement réalisée par réduction de l’eau. Cette réaction s’accompagne de la formation d’hydrogène gazeux qui peut détériorer localement le dépôt. Les résultats ne permettent pas de conclure si les ions nitrate participent aussi à la formation des ions OH- car ils sont 1000 fois moins concentrés que l’eau. Dans ces conditions, on ne peut pas non plus savoir si l’uranium(VI) e st réduit pendant l’électrolyse.
On observe la formation de deux couches, avec une couche supérieure constituée de plaques très lisses et séparées de fissures plus ou moins larges. Le traitement thermique du dépôt favorise la formation des fissures. Si le substrat est prétraité pour le rendre plus lisse, la couche déposée est plus uniforme, avec une rugosité moindre et une adhérence améliorée. Les analyses chimiques des dépôts suggèrent la formation d’un hydroxyde d’uranium(VI) hydraté.

Abstract :

The objective of this thesis is to understand the processes associated with the electrodeposition of uranium to select the best conditions and improve the quality of targets used for research in nuclear science. Thin films of U were prepared by electroprecipitation in isobutanol on an aluminum substrate. The electrolysis is carried out in a two-electrode set-up by imposing a voltage. Current densities of the order of mA/cm2 are then measured.
One part has been devoted to the definition of electrolyte, considering viscosity, density, electrical conductivity and redox properties. The principle of electroprecipitation is the production of OH- ions at the cathode. These ions then react with the element to form a hydroxide or hydrated oxide, which precipitates at the cathode. Isobutanol is a viscous and poorly conductive solvent. During electrolysis, OH- ions concentrate in the vicinity of the substrate and form a "basic wall". The results show that it is preferable to add 1 M of water to obtain homogeneous and not very rough targets with good yields. To improve the conductivity of the solution, it is also necessary to add a salt at a concentration greater than or equal to 10-3 M. The uranium in the form of nitrate salt is soluble and completely dissociated into UO22+ cation at pH less than 4, in aqueous solution. Nitric acid was then selected as an additive.
However, in the presence of HNO3, aluminum corrodes and its surface is degraded. This can cause poor adhesion of the deposit to the substrate. To limit this corrosion which is harmful to the quality of the target, it is necessary to limit the nitric acid content to concentrations below 3.10-3 M. Al sheets of different thicknesses have been characterized. The thinner the sheet, the rougher it is. This is interesting because the targets for the measurements in physics must be made on the thinnest sheets possible.
Uranium deposits have been prepared with yields greater than 90%, but with low faradic yields. The electrolysis time should be limited because the longer the time, the rougher the uranium deposit becomes. Electrochemical analyzes indicate that the formation of OH- ions is mainly carried out by reduction of water. This reaction is accompanied by the formation of hydrogen gas which can locally deteriorate the deposit. The results do not allow us to conclude whether nitrate ions also participate in the formation of OH- ions because they are 1000 times less concentrated than water. Under these conditions, it is also not possible to know whether the uranium (VI) is reduced during electrolysis.
We observe the formation of two layers, with an upper layer made up of very smooth plates and separated by more or less wide cracks. The heat treatment of the deposit promotes the formation of cracks. If the substrate is pretreated to make it smoother, the deposited layer is more uniform, with less roughness and improved adhesion. The chemical analyzes of the deposits suppose the formation of a hydrate hydroxide uranium(VI).