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 lieu durant diverses phénomènes, allant du béton du pas de tir de fusées aux êtres vivants victimes d'éruptions volcaniques..
Vitrification des déchets 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 organométallique) et à fondre le déchet à très haute température par divers moyens possibles de chauffage dont une (ou plusieurs) torche à plasmaFauchais P (2007) Technologies plasma: applications au traitement des déchets. Ed. Techniques Ingénieur. pour obtenir un « vitrifiat » Clozel B Caractérisation minéralogique et cristallochimique de vitrifiat - 1995 -Congrès Procédés de solidification et de stabilisation des déchets, Nancy, 28 nov-1 déc., .. Le plasma thermique est généralement créé à pression atmosphérique et à forte intensité, pouvant localement dépasser . C'est une solution alternative à l'inertage dans une matrice hydraulique (de type ciment)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). et elle est adaptée à l'amiante/déchets amiantifèresRollin 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 , aux cendres volantes, à divers déchets métallurgiques, déchets miniersSantt, R. (1978). Valorisation par vitrification des déchets miniers et métallurgiques. Ind miner miner., déchets radioactifs... Elle a cependant l'inconvénient d'être très consommatrice d'énergie.
On ignore encore le devenir à très long terme de divers types de déchets vitrifiés (Refioms par exempleLe 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– décembre 1995, 1997, .Colombel P (1996) Étude du comportement à long terme de vitrifiats de Refiom, thèse, université de Poitiers, 310 p|résuméMahé-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.), 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)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 - - trimestre 1998 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 conservés dans un contexte érosif ; on voit que sur un fond marin agité, le verre pur se polit 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)Crovisier J.L., Thomassin J.H., Juteau T., Eberhart J.P., Touray J.C., Baillif P., Experimental seawater basaltic glass at : study of early developed phases by electron microscopy and X-ray photoelectron, Geochim. Cosmochim. Acta 47 (1983) 377–387Crovisier J.L., Atassi H., Daux V., Eberhart J.P., Hydrolyse d’un verre basaltique à . Dissolution sélective puis congruente par élévation de pH, C. R. Acad. Sci. Paris, série II 310 (1990) 941–946Crovisier 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, de verre archéologiqueMacquet C., Thomassin J.H., Archeological glasses as modelling of the behaviour of buried nuclear waste glass, Applied Clay Sci. 7 (1992) 17–31, de vitraux médiévauxSterpenich 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 et de déchets comparables tels que certaines scories de la métallurgie ancienne pour laquelle on dispose d'échantillons archéologiques datés de , et qui présentent avec certains déchets vitrifiés contemporainsMahé-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 pMahé-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. 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, à la suite de 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). 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 être exacerbées par les conditions climatiques. Des expériences visent à trouver de nouvelles matrices minérales plus efficaces, c'est-à-dire plus résistances à la lixiviation, moins poreuses, plus étanches, 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) 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).
Cas particulier de la vitrification de déchets radioactifs thumb|Coupe d'un fût de déchets radioactifs vitrifiés (fac-similé au de Munich). Le procédé dit de vitrification passe en réalité par deux étapes : Phase 1, préparatoire : la Calcination. Le déchet arrive sous forme liquide. Les métaux ont été dissous dans le l'acide nitrique pur. Ce liquide contient déjà une forte concentration de radio-isotopes. Il entre dans un tube incliné tournant, réchauffé par des résistances ( environ). Dans le tube, le liquide descend par gravité et finit par ne laisser qu'une poudre sèche.. Son contenu est homogénéisé par une barre folle (barre mobile et libre) tournant avec le tube. Une phase d’évaporation (100-) a lieu dans la partie haute du tube, suivie d'une phase de calcination (- ) dans la partie basse. L’eau et la vapeur d'acide nitrique (HNO3) sont évaporés et retraités, ainsi que les oxydes d’azote (NOx). Il en résulte un calcinat, mélange de poudre d’oxydes métalliques et de résidus (sels de nitrates essentiellement). Ce processus n'est possible que si deux types d'adjuvant sont ajoutés au liquide : adjuvant de calcination, et adjuvant de dilution. - l'adjuvant de calcination est un mélange de sucres (95 % glucose + 5 % saccharose en poids) qui grâce à une réaction de décomposition violente (réaction exothermique) facilite la fragmentation du calcinat. Il a aussi une fonction de « réducteur » atténuant la volatilité de certains éléments. et enfin, il contribue à la dénitration et à une granulométrie optimale du calcinat. - L'adjuvant de dilution : c'est par exemple du nitrate d'aluminium et du fer qui vont inhiber le collage du calcinat à la paroi. Le nitrate de sodium (NaNO) empêche le calcinât d'adhérer à la paroi et le fer catalyse la dénitration du nitrate de sodium par les sucres.
Phase 2 : la vitrification. La poudre de calcinat est mélangée avec de la fritte de verre (82 % masse de verre pour 18 % masse de Produits de fission) dans un four porté à au moins à à et dont le contenu est fluidisé par un gaz en mouvement. La matière en fusion obtenue est ensuite versée dans des conteneurs métalliques ( chacun).
Cette technique en deux étapes est utilisée depuis plusieurs décennies pour inerter les déchets radioactifs issus de la fission.. Ces derniers sont alors plus ou moins intimement fondus et/ou noyés dans une matrice de verre de type « boro-silico-sodique » fortement dopée en métaux lourdsBarthélémy B (2003) Combustion-vitrification de déchets radioactifs par plasma d'arc : Modélisation de la thermique et de la dynamique (Doctoral dissertation, Limoges)|résumé. CEA –Conditionnement des déchets nucléaires. [Consulté le 19/01/2017]. Lien : https://www.cea.fr/Documents/monographies/Conditionnement-d%C3%A9chets-nucl%C3%A9aires-recherche.pdf., souvent mise en avant. Mais qui pose plusieurs problèmes :
Difficulté de maîtrise des métaux volatils Dans le processus des métaux comme le plomb et le césium sont sublimés en vapeur, le césium par exemple Ghiloufi, I., et 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)..