Theoretical study of trivalent f element complexes for the nuclear waste reprocessing
Etude théorique de complexes d'éléments f trivalents pour le retraitement des déchets nucléaires
Résumé
Current energetic and environmental concerns have made the nuclear waste reprocessing to be a major issue in numerous countries. One avenue to treat nuclear spent fuel requires separating selectively trivalent minor actinides An (Am3+, Cm3+) from lanthanides Ln. In this regard, nitrogen extractants are under study. Their selectivity toward actinides is still unclear, but could be the result of enhanced covalency effects with trivalent minor actinides with respect to lanthanides(III). In this thesis, we have performed DFT calculations (Density Functional Theory) to study covalency effects within the actinide-ligand bond, following three main axes of research: advanced study of the nature of the chemical bonding, spectroscopic characterization of covalency, and preliminary tests of ab initio molecular dynamics for future calculations in solvent. Methods that are not regularly applied to trivalent actinides complexes have been used: topological methods, TDDFT, LDDFT, ab initio molecular dynamics. We have managed to show that the selectivity of the BTP ligand - the most effective An/Ln extractant to date - comes at least for a part from stronger covalency effects within the An-BTP bond with respect to the Ln-BTP bond, which has never been proved before.
Les préoccupations énergétiques et environnementales actuelles ont fait du retraitement des déchets nucléaires un enjeu scientifique et économique majeur dans de nombreux pays. Une des voies de retraitement envisagée concerne l'extraction sélective des actinides mineurs trivalents An (Am3+, Cm3+) du reste des lanthanides Ln présents dans le combustible nucléaire usé. Pour cela, des ligands azotés sont actuellement testés: l'origine de leur sélectivité pour les actinides mineurs est encore mal identifiée mais pourrait venir de phénomènes de covalence accrus avec les actinides mineurs (III) par rapport aux lanthanides(III). Dans cette thèse, nous étudions la covalence dans la liaison actinide-ligand par des calculs de DFT (Théorie de la Fonctionnelle de la Densité), et ce en trois temps: étude avancée de la nature de la liaison métal-ligand, caractérisation spectroscopique de la covalence et premiers tests de dynamique moléculaire ab initio pour de futures études en solvant. Pour cela, nous appliquons des méthodes jusque là assez peu utilisées sur les complexes trivalents d'actinides (méthodes topologiques, TDDFT, LDDFT, dynamique moléculaire ab initio). Nous avons pu établir que la sélectivité de l'extractant BTP, le plus efficace pour la séparation An/Ln, provenait notamment d'un renforcement de la covalence dans la liaison An-BTP par rapport à la liaison Ln-BTP. Ceci n'avait jamais pu être montré auparavant, tant au niveau expérimental que théorique.