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EP2311044A1 - Procede de traitement d'une structure contenant du sodium et une matiere radioactive - Google Patents

Procede de traitement d'une structure contenant du sodium et une matiere radioactive

Info

Publication number
EP2311044A1
EP2311044A1 EP09784222A EP09784222A EP2311044A1 EP 2311044 A1 EP2311044 A1 EP 2311044A1 EP 09784222 A EP09784222 A EP 09784222A EP 09784222 A EP09784222 A EP 09784222A EP 2311044 A1 EP2311044 A1 EP 2311044A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sodium
treatment
reaction
sheath
cesium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP09784222A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP2311044B1 (fr
Inventor
Serge Sellier
Janick Verdelli
Joël GODLEWSKI
Michel Soucille
Sandrine Poulain
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2311044A1 publication Critical patent/EP2311044A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2311044B1 publication Critical patent/EP2311044B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/04—Treating liquids
    • G21F9/06—Processing
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28—Treating solids
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28—Treating solids
    • G21F9/30—Processing

Definitions

  • the present invention is in the field of the treatment of nuclear waste.
  • waste containing sodium and a radioactive material it concerns in particular the treatment of waste containing sodium and a radioactive material, this waste being able to be generated, for example, during the purification process of the primary circuit of a reactor at Neutron.
  • RNR-Na Fast Sodium Cooled
  • Cesium is one of the main contaminants in the sodium that is the heat transfer medium of a "RNR-Na" nuclear reactor. For safety reasons, it is necessary to extract radioactive isotopes from cesium in order to reduce the radiological activity of sodium during or after reactor operation. For this, sodium contaminated with cesium is liquefied and filtered through a cesium trap.
  • This trap generally comprises a porous structure protected by a sheath.
  • This is for example a cross-linked vitreous carbon cartridge called "RVC cartridge” described below.
  • the cesium trap Although during the filtration the cesium trap retains mainly cesium adsorption, it has to disadvantage of also keeping some of the sodium in its pores.
  • the trap then constitutes a nuclear waste that presents a double risk in terms of safety and security:
  • sodium is conventionally treated using a hydrolysis reaction (see for example the patent application FR 2,598,248).
  • This reaction is most often conducted in a treatment cell or in an autoclave and consists essentially of reacting sodium in the liquid or solid state with water to produce sodium hydroxide.
  • the solid sodium can be treated by a carbonation reaction, in which the soda obtained by the hydrolysis reaction is then converted into carbonate by adding carbon dioxide in gaseous form according to the following reactions:
  • the carbonation treatment has the advantage of generating as final waste carbonate in solid form.
  • the constraint related to the formation of thin layers means that this installation can not be used to treat sodium that is difficult to access, such as sodium contained in the porous structure of a cesium trap.
  • Such cuts may cause contamination of the cutting tools by the radioactive material such as cesium 137.
  • One of the aims of the invention is therefore to provide a method for treating a structure comprising a radioactive material and sodium which is difficult to access, this method having the particular advantages of being easily controllable, of producing solid waste which does not require further processing and minimize the operations to be carried out in the presence of radioactive material.
  • the object of the invention thus relates to a sodium treatment method contained in the interconnected open pores of a structure placed in a sheath, the pores also containing a radioactive material.
  • the method comprises the following successive steps: a) at least two slots are made along the entire length of the sheath; b) the sodium carbonate is converted to sodium carbonate by a carbonation reaction by contacting, via the slits, the structure with a reaction gas mixture comprising water vapor, carbon dioxide and an inert gas; to sodium, so that the expansion of the carbonate causes the opening of the sheath and the structure from the slits and the propagation of the carbonation reaction within the structure.
  • a reaction gas mixture comprising water vapor, carbon dioxide and an inert gas
  • the carbonation reaction is therefore conducted in such a way that the volume expansion of the carbonate advantageously makes it possible to cause the opening of the sheath from the slits which have been made there and then of the structure.
  • step (a) and / or (b) of the process of the invention is most often carried out in a confinement enclosure such as a box. gloves or an armored cell in which, as indicated above, it is sought to limit the cutting operations.
  • the treatment method according to the invention has the advantage of producing only waste solids (carbonate and radioactive material) and gaseous (hydrogen) that do not require further treatment.
  • carbonate is a stable and inert product, especially with respect to air.
  • the treatment method of the invention is easily controllable since the carbonation reaction can be slowed down by decreasing the proportion of water vapor in the reaction gas mixture, or even stopped by replacing this mixture with an inert gas.
  • the release of heat or hydrogen or the dissemination of the radioactive material resulting from the carbonation reaction can thus be easily limited.
  • the method of the invention also has the advantage that it allows to treat in a single operation a larger number of structures such as cesium traps, which is a significant economic advantage .
  • the structure treated by the process of the invention (which is generally a filter element) is composed of crosslinked vitreous carbon and / or the radioactive material it contains comprises at least one of the radioactive isotopes.
  • cesium such as cesium 137.
  • the process of the invention is then more particularly intended for the treatment of a cesium trap such as a "RVC cartridge".
  • a cesium trap such as a "RVC cartridge”.
  • the reaction gas mixture which penetrates through the slits and possibly the ends of the structure is preferably constituted by a mole fraction of 0.5% to 5.5% of water vapor, of 5% to 25% of carbon dioxide, the remainder being inert gas (ie a chemically inert gas, such as, for example, a rare gas or nitrogen).
  • This mixture causes a reaction with sodium, which has the result in particular of producing a carbonate composed essentially of sodium carbonate Na 2 CO 3 and / or sodium hydrogen carbonate NaHCO 3 .
  • the gaseous reaction mixture is constituted by a 3.5 to 4% molar fraction of water vapor, from 10% to 20% of carbon dioxide. the remainder being inert gas, optionally heated to a temperature between 35 0 C and 45 0 C.
  • Figure 1 is a graph showing the evolution of hydrogen production or sodium consumption during step (b) of the treatment method of the invention.
  • Figures 2 to 5 reproduce photographs taken at different processing times as shown in Figure 1.
  • the process of treatment of the invention is generally carried out in an enclosure for confining the carbonation reaction. Due to the presence of radioactive material within the structure to be treated, this enclosure is generally a glove box. This enclosure is associated with several modules fulfilling the following functions:
  • the enclosure and its associated modules are described below.
  • This enclosure makes it possible to confine the carbonation reaction and in particular the radioactive material that is contained in the structure before and after treatment.
  • It generally comprises orifices and connections necessary for connection to a system for preparing the gaseous reaction mixture and the exhaust gas outlet.
  • These orifices will preferably be provided with sintered stainless steel metal filters (for example those marketed by SYNTHERTEC) in order to avoid any dust extraction of possibly contaminated sodium carbonate.
  • the structure to be treated may be placed in the enclosure on a support in order to optimize the contact with the reaction gas mixture and promote the expansion due to the carbonate.
  • the carbonation reaction is carried out using a reaction gas mixture comprising water vapor, carbon dioxide and a gas inert with respect to the sodium (preferably nitrogen).
  • the gas mixing module makes it possible to control the composition, the temperature (and therefore the hygrometry) as well as the flow rate of the gaseous reaction mixture.
  • the humidity of the gas is below the saturation limit determined with safety margins to avoid any condensation of water on the walls of the treatment chamber, the inlet and outlet pipes and those used for the module. gas analysis. This may require heating the affected elements.
  • This module makes it possible to determine the composition and hygrometry i) of the reaction gas mixture upstream of the treatment enclosure and ii) the gaseous effluents downstream of the enclosure, in particular to ensure the progress of the reaction. of carbonation.
  • It generally comprises a chromatograph which makes it possible to measure the contents of inert gas (such as nitrogen), hydrogen, carbon dioxide or oxygen.
  • inert gas such as nitrogen
  • hydrogen such as nitrogen
  • carbon dioxide or oxygen
  • the hydrogen content upstream of the treatment chamber is a good indicator of the completeness of the carbonation reaction.
  • Another parameter for monitoring the progress of the carbonation reaction is the evolution of the mass of the structure to be treated.
  • a device allows to continuously evacuate the chamber gases while maintaining a slight overpressure.
  • the associated evacuation line is conventionally provided with an anti-gas return device and a filtration device to prevent the dissemination of radioactive material into the outside atmosphere. 2 - Treatment of a "RVC cartridge".
  • RVC cartridge for extracting the various radioactive isotopes of cesium (including cesium-137) from the sodium which is the heat-carrying component of a nuclear reactor of the type
  • Such a cartridge generally consists of a cross-linked vitreous carbon (RVC) structure placed in a tubular steel casing closed at both ends by a filter, which can be wholly or partly removed so that the reaction gas mixture also enters through through these ends.
  • RVC cross-linked vitreous carbon
  • the crosslinked vitreous carbon is a material with open porosity which has an apparent density close to
  • Part of the primary circuit of a "RNR-Na” reactor is filtered using a "RVC cartridge".
  • the cartridge contains in its pores radioactive cesium and residual sodium.
  • This cartridge is then placed in a glove box heated to a temperature that is a function of the moisture content used, in order to treat it using the method of the invention.
  • the treatment temperature is generally between 15 0 C and 45 0 C.
  • the weld points present on the sheath are removed by grinding or with the aid of the cutting tool in order to eliminate any point of resistance to the subsequent opening of the cartridge under the action of the expansion.
  • carbonate Na 2 CC> 3 and NaHCC> 3 in the present case.
  • the metal sheath is in the form of two semi-tubular shells that retain some cohesion because of the adhesive effect of the sodium contained in the RVC structure.
  • a reaction gas mixture comprising, in a mole fraction, between 3.5 and 4% of water vapor, between 10 and 20% of carbon dioxide and the remainder of nitrogen is introduced into the glove box according to a continuous flow.
  • the value of the flow is such that it allows to maintain within the treatment chamber a composition of the atmosphere favoring the continuous progression of the carbonation reaction. This value usually depends on the volume of the treatment chamber. In this case, the volume being equal to 550 liters, the flow rate is set at 8.7 liters / minute.
  • the progress of the carbonation reaction is monitored using a chromatograph type gas analysis system which measures downstream of the glove box the hydrogen content (expressed as molar percentage of hydrogen evolved).
  • the hydrogen content also makes it possible to calculate, in cumulative value, the treated sodium mass (expressed in grams) using the stoichiometric coefficients of the soda formation reaction: Na + H 2 O ⁇ NaOH + 1/2 H 2 .
  • FIG. 1 The evolution as a function of time (expressed in days) of these parameters is reproduced in FIG. 1. It can vary according to the composition of the gaseous mixture, the structure to be treated and the rate of introduction of the gas mixture into the treatment chamber.
  • FIGs 2, 3, 4 and 5 reproduce photographs taken at different stages of the carbonation reaction (as shown in Figure 1). After contacting the reaction gas mixture with the RVC structure via the slits and ends of the structure ( Figure 2), the carbonation reaction starts rapidly as evidenced by the evolution of hydrogen from the beginning of the treatment.
  • the end of the treatment can be easily revealed by the absence of hydrogen evolution, despite the continued introduction of the reaction gas mixture into the treatment chamber.
  • the "RVC cartridge” no longer presents a chemical risk. It can now integrate conventional channels for the disposal of contaminated waste in order to eliminate the remaining radiological risk due to radioactive isotopes of cesium.

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  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
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  • Fire-Extinguishing Compositions (AREA)

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT D'UNE STRUCTURE CONTENANT DU SODIUM ET
UNE MATIERE RADIOACTIVE.
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se situe dans le domaine du traitement des déchets nucléaires.
Elle concerne en particulier le traitement des déchets contenant du sodium et une matière radioactive, ces déchets pouvant par exemple être générés lors du processus d'épuration du circuit primaire d'un Réacteur à Neutron
Rapide Refroidi au sodium (« RNR-Na ») .
ETAT DE LA TECHNIQUE
Le césium est un des principaux contaminants du sodium constituant le caloporteur d'un réacteur nucléaire de type « RNR-Na ». Pour des raisons de sûreté, il est nécessaire d'extraire les isotopes radioactifs du césium afin de réduire l'activité radiologique du sodium pendant ou après l'exploitation du réacteur. Pour cela, le sodium contaminé par le césium est liquéfié, puis filtré à travers un piège à césium.
Ce piège comprend généralement une structure poreuse protégée par une gaine. Il s'agit par exemple d'une cartouche à base de carbone vitreux réticulé dite « cartouche RVC » décrite ci-après.
Même si au cours de la filtration le piège à césium retient principalement le césium par adsorption, il a pour inconvénient de retenir également une partie du sodium dans ses pores.
Le piège constitue alors un déchet nucléaire qui présente un double risque en termes de sûreté et de sécurité :
- un risque chimique dû au sodium résiduel qui doit être maintenu sous gaz inerte (tel que l'argon ou l'azote) afin de ne pas présenter de risque de réaction chimique comme par exemple, d'explosion avec l'eau, ou d'inflammation avec l'air ;
- un risque radiologique dû à la contamination par les isotopes radioactifs du césium (en particulier le césium 137) qui fait entrer ce piège dans la classification des déchets radioactifs, ce qui impose des niveaux de sûreté et sécurité draconiens.
Afin de pouvoir traiter un tel déchet nucléaire par les filières classiques d'évacuation des déchets contaminés, il convient en premier lieu de supprimer le risque chimique, c'est à dire d'éliminer le sodium résiduel du piège contenant du césium.
Or, dans le domaine nucléaire, le sodium est classiquement traité à l'aide d'une réaction d'hydrolyse (voir par exemple la demande de brevet FR 2 598 248) . Cette réaction est le plus souvent menée dans une cellule de traitement ou dans un autoclave et consiste essentiellement à faire réagir du sodium à l'état liquide ou solide avec de l'eau afin de produire de la soude. Elle a toutefois pour inconvénient d'être difficile à contrôler et de générer des effluents liquides qu'il faut à leur tour traiter. Afin de tenter de résoudre ces problèmes, le sodium solide peut être traité par une réaction de carbonatation, dans laquelle la soude obtenue par la réaction d'hydrolyse est ensuite transformée en carbonate par ajout de dioxyde de carbone sous forme gazeuse selon les réactions suivantes :
Na + H2O → NaOH + 1/2 H2
CO2 + H2O <→ H2CO3 NaOH + H2CO3 <→ NaHCO3 + H2O
NaOH + NaHCO3 <→ Na2CO3 + H2O
Na2CO3 + H2CO3 <→ 2 NaHCO3
Le traitement par carbonatation présente l'avantage de générer en tant que déchet final du carbonate sous forme solide.
Une installation destinée à un traitement par carbonatation est par exemple décrite dans la demande de brevet FR 2 888 231. Dans celle-ci, du sodium coulable est introduit à l'état liquide dans une enceinte comportant une pluralité de plateaux dans lesquels le sodium se solidifie sous forme de couches minces avant la mise en œuvre de la réaction de carbonatation.
La contrainte liée à la formation de couches minces fait que cette installation ne peut pas être utilisée pour traiter du sodium qui est difficilement accessible, tel que le sodium contenu dans la structure poreuse d'un piège à césium.
Il ne peut en particulier pas être envisagé de procéder à des découpes de ce piège pour accéder au sodium car l'on cherche au contraire à limiter les opérations de manutention en présence d'une matière radioactive.
En effet, une telle matière requiert le plus souvent de travailler dans une enceinte de confinement sous gaz inerte telle qu'une boite à gants. Or, les opérations de découpe y sont délicates à cause des difficultés de manipulation inhérentes à ce type d'enceinte. On cherche donc en général à les limiter. - A -
Par ailleurs, de telles découpes peuvent provoquer la contamination des outils de découpe par la matière radioactive telle que le césium 137.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un des buts de l'invention est donc de réaliser un procédé permettant de traiter une structure comprenant une matière radioactive et du sodium difficilement accessible, ce procédé ayant notamment pour avantages d'être facilement contrôlable, de produire des déchets solides qui ne nécessitent pas de traitement ultérieur et de minimiser les opérations devant être mises en œuvre en présence de matière radioactive.
L'objet de l'invention concerne ainsi un procédé de traitement du sodium contenu dans les pores ouverts interconnectés d'une structure placée dans une gaine, les pores contenant en outre une matière radioactive.
Le procédé comprend les étapes successives suivantes : a) on réalise au moins deux fentes sur toute la longueur de la gaine ; b) on transforme par une réaction de carbonatation le sodium en carbonate de sodium en mettant en contact, par l'intermédiaire des fentes, la structure avec un mélange gazeux réactionnel comprenant de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone et un gaz inerte vis-à-vis du sodium, de telle sorte que l'expansion du carbonate provoque l'ouverture de la gaine et de la structure à partir des fentes ainsi que la propagation de la réaction de carbonatation au sein de la structure. Un des points essentiels à l'origine du procédé de traitement de l' invention est la mise à profit du fait que le carbonate formé lors de la réaction de carbonatation présente un volume plus important que le volume occupé initialement par le sodium au sein des pores.
La réaction de carbonatation est dès lors menée de telle façon que l'expansion volumique du carbonate permet avantageusement de provoquer l'ouverture de la gaine à partir des fentes qui y ont été réalisées puis de la structure.
Il s'ensuit une augmentation de la surface de contact entre le sodium et le mélange gazeux réactionnel, ce qui permet d'accélérer la réaction de carbonatation.
Grâce à la succession des étapes d'ouverture de la structure et d'accélération de la réaction de carbonatation, cette dernière peut se propager au sein de l'ensemble de la structure. Ainsi, malgré la faible accessibilité initiale du sodium contenu dans les pores de la structure, leur caractère « ouvert » (à savoir qu'une partie de ces pores communique avec la surface de la structure et donc avec le milieu extérieur) et leur caractère « interconnecté » permet au mélange gazeux réactionnel de pénétrer en profondeur et dans la totalité de la structure. Cette dernière peut dès lors être traitée à l'aide du procédé de l'invention sans que cela ne nécessite d'opération de découpe supplémentaire.
Ceci est particulièrement avantageux car, de par la présence d'une matière radioactive, l'étape (a) et/ou (b) du procédé de l'invention est le plus souvent réalisée dans une enceinte de confinement telle qu'une boîte à gants ou une cellule blindée dans laquelle, comme indiquée précédemment, on cherche à limiter les opérations de découpe. Par ailleurs, du fait de la mise en œuvre de la réaction de carbonatation, le procédé de traitement selon 1' invention a pour avantage de ne produire que des déchets solides (carbonate et matière radioactive) et gazeux (hydrogène) qui ne nécessitent pas de traitement ultérieur.
De plus, contrairement au sodium ou à la soude, le carbonate est un produit stable et inerte, notamment vis-à- vis de l'air.
Enfin, le procédé de traitement de l'invention est aisément contrôlable puisque la réaction de carbonatation peut être ralentie en diminuant la proportion de vapeur d'eau dans le mélange gazeux réactionnel, voire arrêtée en remplaçant ce mélange par un gaz inerte. Le dégagement de chaleur ou d'hydrogène ou encore la dissémination de la matière radioactive qui résultent de la réaction de carbonatation peuvent ainsi être facilement limités.
Cela confère une grande sécurité au procédé de l'invention et ouvre la voie au traitement de grandes quantités de sodium.
Associé à sa relative simplicité de mise en œuvre, le procédé de l'invention a également pour avantage qu'il permet de traiter en une seule opération un plus grand nombre de structures telles que des pièges à césium, ce qui constitue un avantage économique important.
Ainsi, dans un mode de réalisation particulier, la structure traitée par le procédé de l'invention (qui est généralement un élément filtrant) est composée de carbone vitreux réticulé et/ou la matière radioactive qu'elle contient comprend au moins un des isotopes radioactifs du césium tel que le césium 137. Le procédé de l'invention est alors plus particulièrement destiné au traitement d'un piège à césium tel qu'une « cartouche RVC ». Lorsque la gaine de la structure à traiter est de forme essentiellement tubulaire comme c'est le plus souvent le cas pour une « cartouche RVC », de préférence, on réalise au cours de l'étape (a) au moins deux fentes diamétralement opposées qui permettent de favoriser l'ouverture de la gaine et de la structure.
Le mélange gazeux réactionnel qui pénètre au travers des fentes et éventuellement des extrémités de la structure est préférentiellement constitué en fraction molaire de 0,5 % à 5,5 % de vapeur d'eau, de 5 % à 25 % de dioxyde de carbone, le reste étant du gaz inerte (à savoir un gaz inerte chimiquement, tel que par exemple un gaz rare ou 1' azote) . Ce mélange provoque une réaction avec le sodium, ce qui a notamment pour résultat de produire un carbonate composé essentiellement de carbonate de sodium Na2Cθ3 et/ou d' hydrogénocarbonate de sodium NaHCO3.
Encore plus préférentiellement, dans un objectif d'optimiser la durée du traitement de carbonatation, le mélange gazeux réactionnel est constitué en fraction molaire de 3,5 % à 4 % de vapeur d'eau, de 10 % à 20 % de dioxyde de carbone, le reste étant du gaz inerte, éventuellement porté à une température comprise entre 35 0C et 45 0C. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux Figures 1 à 5 annexées.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La Figure 1 est un graphique qui représente l'évolution de la production d'hydrogène ou de la consommation de sodium au cours de l'étape (b) du procédé de traitement de l'invention. Les Figures 2 à 5 reproduisent des photographies prises aux différents temps de traitement tels que repérés sur la Figure 1. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
1 - Dispositif convenant à la mise en oeuyre du procédé de l' invention. Le procédé de traiterïtent de l'invention est généralement réalisé dans une enceinte permettant de confiner la réaction de carbonatation. De par la présence de matière radioactive au sein de la structure à traiter, cette enceinte est généralement une boîte à gants. Cette enceinte est associée à plusieurs modules remplissant les fonctions suivantes :
- mélange des gaz de traitement afin d'obtenir un mélange gazeux réactionnel,
- analyse de gaz en amont et en aval de l'enceinte, - évacuation des effluents gazeux.
L'enceinte et ses modules associés sont décrits ci- après .
1.1 - Enceinte de traitement.
Cette enceinte permet de confiner la réaction de carbonatation et en particulier la matière radioactive qui est contenue dans la structure avant et après traitement.
Elle constitue ainsi une première barrière qui permet d'éviter la contamination de l'installation dans laquelle le procédé de l'invention est mis en œuvre. Elle comporte généralement des orifices et connexions nécessaires pour le raccordement à un système de préparation du mélange gazeux réactionnel et à l'exutoire des effluents gazeux. Ces orifices seront de préférence munis de filtres métalliques en acier inoxydable fritte (par exemple ceux commercialisés par la Société SYNTHERTEC) pour éviter toute extraction de poussières de carbonate de sodium éventuellement contaminé. La structure à traiter peut être disposée dans l'enceinte sur un support afin d'optimiser le contact avec le mélange gazeux réactionnel et favoriser l'expansion due au carbonate. 1.2 - Module de mélange du gaz de traitement.
La réaction de carbonatation est mise en œuvre à l'aide d'un mélange gazeux réactionnel comprenant de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone et un gaz inerte vis-à- vis du sodium (préférentiellement de l'azote). Le module de mélange du gaz permet de contrôler la composition, la température (et donc l'hygrométrie) ainsi que le débit du mélange gazeux réactionnel.
L'humidité du gaz est inférieure à la limite de saturation déterminée avec des marges de sécurité pour éviter toute condensation d'eau sur les parois de l'enceinte de traitement, les tubulures d'entrée et de sorties et celles utilisées pour le module d'analyse de gaz. Ceci peut nécessiter le chauffage des éléments concernés.
Ces précautions permettent au sodium de réagir lentement au contact de l'humidité pour être transformé en soude (NaOH) et produire des volumes limités d'hydrogène
(H2) qui sont évacués par le gaz inerte qui balaye l'enceinte de traitement. La soude réagit avec le gaz carbonique (CO2) pour former du bicarbonate de sodium (NaHCO3) et du carbonate de sodium (Na2CO3) solides.
1.3 - Module d' analyse de gaz .
Ce module permet de déterminer la composition et l'hygrométrie i) du mélange gazeux réactionnel en amont de l'enceinte de traitement et ii) des effluents gazeux en aval de l'enceinte afin notamment de s'assurer de l'avancement de la réaction de carbonatation.
Il comprend généralement un chromatographe qui permet de mesurer les teneurs en gaz inerte (tel que l'azote), hydrogène, dioxyde de carbone ou oxygène. La teneur en hydrogène en amont de l'enceinte de traitement constitue un bon indicateur de la complétude de la réaction de carbonatation. Un autre paramètre permettant de suivre la progression de la réaction de carbonatation est l'évolution de la masse de la structure à traiter.
1.4 - Module d' évacuation des effluents gazeux .
Pour avoir une bonne progression de la réaction de carbonatation, il faut assurer le renouvellement continu du mélange gazeux réactionnel au sein de l'enceinte de traitement .
Pour cela, un dispositif permet d'évacuer en continu de l'enceinte les gaz tout en y maintenant une légère surpression.
La ligne d'évacuation associée est classiquement munie d'un dispositif anti retour de gaz et d'un dispositif de filtration pour éviter la dissémination de matière radioactive dans l'atmosphère extérieure. 2 — Traitement d' une « cartouche RVC » .
2.1 - Caractéristiques d'une « cartouche RVC ».
L' industrie nucléaire emploie usuellement une
« cartouche RVC » pour extraire les divers isotopes radioactifs du césium (dont le césium 137) du sodium constituant le caloporteur d'un réacteur nucléaire de type
« RNR-Na ».
Une telle cartouche est généralement constituée d'une structure en carbone vitreux réticulé (RVC) placée dans une gaine tubulaire en acier fermée à ses deux extrémités par un filtre, qui peut être en tout ou partie retiré afin que le mélange gazeux réactionnel pénètre également par l'intermédiaire de ces extrémités. Le carbone vitreux réticulé est un matériau à porosité ouverte qui présente une densité apparente voisine de
0,06 g/cm3. Il comprend des pores ouverts interconnectés qui ont pour 60 % d'entre eux un diamètre compris entre 10 et 300 μm.
2.2 - Traitement.
Une partie du circuit primaire d'un réacteur « RNR-Na » est filtrée à l'aide d'une « cartouche RVC ».
A l'issue de cette étape de filtration, la cartouche contient dans ses pores du césium radioactif et du sodium résiduel .
Cette cartouche est ensuite placée dans une boîte à gants portée à une température qui est fonction du taux d'humidité utilisé, afin de la traiter à l'aide du procédé de l'invention. La température de traitement est généralement comprise entre 15 0C et 45 0C.
A l'aide d'un outil d'usinage, telle une scie fraise, qui est employé sans lubrifiant, on réalise sur toute la longueur de la cartouche deux fentes diamétralement opposées. Ces fentes sont pratiquées sur toute l'épaisseur de la gaine tubulaire et sont donc traversantes afin que le mélange gazeux réactionnel soit mis en contact avec la structure RVC. On veille toutefois à ce qu'elles n'atteignent pas cette structure afin de limiter la contamination de l'outil de découpe et de son environnement par le césium radioactif.
Le cas échéant, les points de soudure présents sur la gaine sont éliminés par meulage ou à l'aide de l'outil de découpe afin de supprimer tout point de résistance à l'ouverture ultérieure de la cartouche sous l'action de l'expansion du carbonate (Na2CC>3 et NaHCC>3 dans le cas présent) . A l'issue de cette étape de découpe, la gaine métallique se présente sous forme de deux enveloppes semi- tubulaires qui conservent une certaine cohésion à cause de l'effet adhésif du sodium contenu dans la structure RVC. Afin d' initier la réaction de carbonatation, un mélange gazeux réactionnel comprenant en fraction molaire, entre 3,5 et 4 % de vapeur d'eau, entre 10 et 20 % de dioxyde de carbone et le reste d'azote est introduit dans la boite à gants selon un débit continu. La valeur du débit est telle qu'elle permet de maintenir au sein de l'enceinte de traitement une composition de l'atmosphère favorisant la progression continue de la réaction de carbonatation. Cette valeur dépend généralement du volume de l'enceinte de traitement. Dans le cas présent, le volume étant égal à 550 litres, le débit est fixé à 8,7 litres/minute.
La progression de la réaction de carbonatation est suivie à l'aide d'un système d'analyse de gaz de type chromatographe qui mesure en aval de la boite à gants la teneur en hydrogène (exprimée en pourcentage molaire d'hydrogène dégagé) . La teneur en hydrogène permet par ailleurs de calculer, en valeur cumulée, la masse de sodium traitée (exprimée en grammes) à l'aide des coefficients stœchiométriques de la réaction de formation de soude : Na + H2O → NaOH + 1/2 H2.
L'évolution en fonction du temps (exprimé en jours) de ces paramètres est reproduite sur la Figure 1. Elle peut varier en en fonction de la composition du mélange gazeux, de la structure à traiter et du débit d' introduction du mélange gazeux dans l'enceinte de traitement.
Les Figures 2, 3, 4 et 5 reproduisent les photographies prises à différentes étapes de la réaction de carbonatation (telles que repérées sur la Figure 1). Après mise en contact du mélange gazeux réactionnel avec la structure RVC par l'intermédiaire des fentes et des extrémités de la structure (Figure 2), la réaction de carbonatation démarre rapidement comme l'atteste le dégagement d'hydrogène dès le début du traitement.
L'expansion due aux carbonates formés provoque alors l'écartement des enveloppes semi-tubulaires de la gaine et la libération totale des filtres métalliques se trouvant à l'extrémité de la cartouche. L'augmentation de la surface de contact entre la structure RVC et le mélange gazeux réactionnel qui s'ensuit permet à la réaction de carbonatation de s'accélérer, ce qui se traduit par une augmentation significative du dégagement d'hydrogène (Figure 3) et également par une expansion accrue de carbonates.
Cette expansion permet à la réaction de carbonatation de se propager dans l'ensemble de la cartouche par ouvertures successives de la structure RVC (Figure 4) pour aboutir au traitement complet du sodium se trouvant initialement dans les pores de la structure RVC (Figure 5) .
La fin du traitement peut être aisément révélée par l'absence de dégagement d'hydrogène et ce malgré la poursuite de l'introduction du mélange gazeux réactionnel au sein de l'enceinte de traitement. A l'issue du procédé de traitement de l'invention, la « cartouche RVC » ne présente plus de risque chimique. Elle peut désormais intégrer les filières classiques d'évacuation des déchets contaminés afin d'éliminer le risque radiologique restant dû aux isotopes radioactifs du césium.
II ressort de la description qui précède qu'une structure comprenant une matière radioactive et du sodium difficilement accessible peut être traitée grâce au procédé de l'invention de manière contrôlable, et ce tout en ne produisant que des déchets solides qui ne nécessitent pas de traitement ultérieur autre que celui classiquement appliqué aux déchets contaminés. La sécurité et la simplicité de mise en œuvre malgré la présence d'une matière radioactive, ainsi que la possibilité de traiter en une opération un nombre important de structures, rend le procédé de l'invention particulièrement avantageux, notamment lorsqu'il s'agit de traiter des pièges à césium ayant servi à l'épuration du circuit primaire d'un réacteur de type « RNR-Na ».

Claims

REVENDICATIONS
1) Procédé de traitement du sodium contenu dans les pores ouverts interconnectés d' une structure placée dans une gaine, les pores contenant en outre une matière radioactive, le procédé comprenant les étapes successives suivantes : a) on réalise au moins deux fentes sur toute la longueur de la gaine ; b) on transforme par une réaction de carbonatation ledit sodium en carbonate de sodium en mettant en contact, par l'intermédiaire desdites fentes, la structure avec un mélange gazeux réactionnel comprenant de la vapeur d' eau, du dioxyde de carbone et un gaz inerte vis-à-vis du sodium, de telle sorte que l'expansion du carbonate provoque l'ouverture de la gaine et de la structure à partir desdites fentes ainsi que la propagation de la réaction de carbonatation au sein de la structure.
2) Procédé de traitement selon la revendication 1, dans lequel ladite structure est composée de carbone vitreux réticulé .
3) Procédé de traitement selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite matière radioactive comprend au moins un des isotopes radioactifs du césium tel que le césium 137.
4) Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite gaine étant de forme essentiellement tubulaire, on réalise au cours de l'étape (a) au moins deux fentes diamétralement opposées.
5) Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit mélange gazeux réactionnel est constitué en fraction molaire de 0,5 % à
5,5 % de vapeur d'eau, de 5 % à 25 % de dioxyde de carbone, le reste étant du gaz inerte.
6) Procédé de traitement selon la revendication 5, dans lequel ledit mélange gazeux réactionnel est constitué en fraction molaire de 3,5 % à 4 % de vapeur d'eau, de 10 % à 20 % de dioxyde de carbone, le reste étant du gaz inerte.
7) Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape (a) et/ou (b) est réalisée dans une enceinte de confinement telle qu'une boîte à gants ou une cellule blindée.
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