Brevet FR2081176A1 — publié le 19711203

L'invention concerne l'extraction de l'amie de combusti ble d'un élément de combustible nucléaire à gaine-métallique, et notamment d'un élément irradié en vue du retraitement. Les éléments de combustible nucléaire actuellement utilisés sont dans leur grande majorité constitués d'une âme de combustible enfermée dans une gaine métallique. Les éléments de combustible pour réacteur d neutrons rapides refroidi par circulation de métal fondu comportent par exemple une âme constituée par un empilement de pastilles d'oxyde mixte U02-Pu02 dans une gaine en acier inoxydable. Dans les réacteurs à eau légère, les éléments de combustible sont constitués par un empilement de pastilles d'oxyde d'uranium enrichi dans une gaine en acier inoxydable ou en zircaloy. Ces éléments de combustible, une fois irradiés, doivent être retraités. La première étape du retraitement (généralement désignée par le terme anglo-saxon "head-end") consiste à séparer l'amie de combustible de sa gaine et à faire passer le combustible en solution, les batteries d'extraction, où les matériaux fissiles sont purifiés, devant être alimentées en phase liquide. Lorsque la gaine est en métal tendre (magnésium faiblement allié par exemple) on peut arracher mécaniquement la gaine. Par contre la séparation du combustible et d'une gaine en acier inoxydable exige l'emploi d'agents chimiques, éventuellement associés à des moyens mécaniques. Le procédé actuellement le plus utilisé consiste à tronçonner les éléments par cisaille puis à attaquer l'amie de combustible par un réactif de dissolution (acide nitrique chaud en général). Le cisaillage des éléments de combustible en rondelles met à nu le combustible (oxyde d'uranium par exemple) sur une surface importante. L'acide nitrique chaud et concentré fait passer sélectivement le combustible des rondelles en solution, sans attaquer de façon notable la gaine si celle-ci est en zircaloy ou en acier inoxydable. On a également proposé un procédé d'extraction du combustible irradié associant le découpage électrochimique de la gaine et l'attaque de l'amie combustible qu'elle contient par l'électrolyte utilisé pour le découpage (solution diluée d'acide nitrique en général). Une électrode couteau, formée par une nappe très fine d'aiguilles juxtaposées où circule sous pression un électrolyte, est reliée au pole négatif d'une source de courant continu ou pulsé dont le pôle positif est relié à l'élément de combustible à découper. Le passage du courant arrache à la gaine du combustible formant anode une masse proportionnelle à la quantité de courant débitée.Au fur et à mesure de la pénétration du couteau dans l'élément de combustible, l'électrolyte sous pression lessive l'intérieur de la gaine, d'autant plus facilement que blâme est en genéral constituée par des pastilles présentant une faible résistance à 12 désagrégation L'âme de combustible (oxyde d'uranium ou de plutonium, produits de fission, etc...) est entraînée, en majeure partie en suspension et pour une faible part en solution. Tandis que l'on retiens les fragments de gaine sur une grille, pour faire passer en solution l'ensemble du combus tible, on opère en deux phases e au ours de la première phase on séparé les matières solides de l'électrolyte par centrifugation ou filtrage ; au cours de la seconde on attaque ces matières solides par un réactif dans un dissolveur distinct à poudre. Quant 1 électroly'-te provenant de la centrifugation, il est recyclé au dispositif de découpe et de lessivage Le procédé par découpage electrolytique et lessivage présente des avantages importants par rapport au tronçonnage mécanique.Les tronçons de gaine ne sont pas soumis à l'attue par Se réactif de mise en solution (acide nitrique concentré en général). Tl n'y a pas de production de poussières Le risque dtexplosion lors de la découpe, lie à la présence sur les gaines de zirconium pulvérulent, disparaît. En contrepartie le procédé de découpage électrochimique suivi d'une separation par filtration ou centrifugation présente des inconvénients. La séparation des matériau solides et de l'électrolyte implique la mise en oeuvre d'un appareil de centrifugation ou de filtrage en milieu actif et une opération très délicate de dépotage des poudres pour envoi au dissolveur. I1 est nécessairé de retraiter périodiquement l'électrolyte pour que sa teneur en produits de fission et en matières fissiles n'atteigne pas une valeur excessive. La présente invention vise à fournir un procédé et une installation d'extraction du combustible d'un élément de combustible nucléaire répondant mieux que ceux antérieurement proposés aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils présentent les avantages du découpage électrochimique mentionnés ci-dessus tout en palliant ses inconvénients. Dans ce but l'invention propose un procédé d'extraction de combustible suivant lequel on soumet ledit élément de combustible à un découpage électrochimique de la gaine et à un lessivage du combustible par introduction sous pression dans la gaine de l'électrolyte utilisé pour le découpage, caractérisé notamment en ce qu'on dissout le matériau combustible dans l'électrolyte provenant du lessivage par concentration de celuici dans un dissolveur évaporateur et en ce qu'on recycle ltélec- trolyte distillé dans l'évaporateur. L'invention propose également une installation permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus, comprenant une cellule de découpe et de lessivage munie de moyens de tronçonnage électrochimique de la gaine et d'injection de l'électrolyte de découpage dans la gaine, caractérisée par un dissolveur-évaporateur muni de moyens d'alimentation en électrolyte chargé de combustible en suspension provenant du lessivage, de moyens de recyclage vers la cellule de découpe de l'électrolyte vaporisé, et de moyens de soutirage de solution de matériau de combustible dans l'électrolyte concentré. On voit immédiatement les avantages apportés par l'invention : les matières fissiles se retrouvent en quasi totalité dans la fraction soutirée hors du dissolveur, ainsi que la majorité des produits de fission. I1 n'y a donc pas pollution progressive de la fraction recyclée, démunie de matières fissiles et très appauvrie en produits de fission. I1 est évidemment souhaitable que la découpe et le lessivage consomment un volume d'électrolyte aussi faible que possible, puisque cet électrolyte est ensuite traité dans un évaporateur. Lorsque les éléments se présentent individuellement on peut dans ce but séparer les opérations de découpe et de lessivage. Pour cela on prévoit un couteau de tronçonnage de la gaine et des aiguilles creuses ae perçage electrochimlque, alimentées en électrolyte SOuS pression, munies de moyens de déplacement, qui provoquent successivement la perforation de la gaine par lesdites aiguilles et l'injection sous pression dans la gaine d'électrolyte de sorte que ledit électrolyte stécoule en entralnant le combustible sous forme pulvérulente vers le passage provenant du tronçonnage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes de mise en oeuvre de celle-ci donnes à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels - la Fig. 1 est un schéma de principe des diverses phases du procédé - la Fig. 2 montre très schématiquement, en perspective, un mode d'attaque possible d'un élément de combustible. Pour plus de simplicité, linvention sera décrite dans le cadre du traitement d'éléments de combustible constitués par des crayons pour réacteur à neutrons rapides, refroidi par circulation de sodium fondu Ces crayons sont constitués par un empilement de pastilles d'oxyde d'uranium ou de plutonium dans une gaine en acier inoxydable àlmée par des bouchons. Les crayon s sont groupés en faisceaux occupant chacun un assemblage de combustible manipulable en bloc.Les crayons peuvent alors se présenter sous plusieurs formes lorsqu'vils sont amenés à l'installation d'extraction - les assemblages peuvent avoir été démantelés, de sorte que les crayons sont apportés individuellement à i installation d'extraction; - les assemblages peuvent avoir simplement été débarrassés de leur enveloppe, de sorte que les crayons sont apportés en faisceaux munis de leurs organes ae structure; - les assemblages peuvent avoir été partiellement démantelés, de sorte que les crayons sont apportés en sous-faisceaux de quelques aiguilles. Dans tous les cas, la première étape du procédé suivant l'invention consiste à découper les crayons et à lessiver l'intérieur des gaines retape I sur la Fig 1). Le découpage et le lessivage doivent consommer un volume minimum d'électrolyte pour faciliter l'étape ultérieure de dissolution et ia rendre plus économique. Dans ce but, on procède avantageusement en deux temps lorsque les aiguilles sent séparément amenées. Dans un premier temps, ia gaine 10 Fig. 2) est soumise à un tronçonnage électrochimique.Pour cela on déplace perpendiculairement à l'aiguille un couteau 12 constitué par une nappe d'aiguilles creuses 14 de faible diam-tte. Ces aiguilles sont alimentées en électrolyte (solution aqueuse 31 acide nitrique 1 N par exemple). Entre la gaine 10 et le couteau 12 on établit une tension électrique continue, la gaine constituant anode. La source doit fournir une intensité suffisante pour que la découpe soit rapide, (quelques minutes) . Le couteau est muni d'un dispositif d'avance automatique, qu'il n'est pas nécessaire de décrire ici, car il peut être de modèle classique. La gaine est avantageusement découpée à un niveau ù elle est dépourvue de matériau combus tible (chambre de collection 3e gaz dans ie cas d'un crayon de combustible pour réacteur rapide). Une fois le crayon tronçonné, on cesse d'alimenter le couteau en courant électrique et en électrolyte, on le retire, et on passe au lessivage qui constitue ie second temps. Dans ce but, on déplace radialement vers la gaine des électrodes aiguilles 14 (Fig. 2) alimentées en électrolyte sous pression. Lorsque ces aiguilles ont pénétré dans le crayon à travers la gaine )0, l'alimentation électrique des aiguilles 14 est coupée, mais on maintient l'injection d'électrolyte. Celui-ci désagrège le combustible et l'entraîne progressivement vers l'ouverture pratiquée précédemment par découpe. Les fuites sont réduites du fait de l'obturation 3es trous dans la gaine par les aiguilies.Pour réduire encore ces fuites, on donne avantageusement a la partie terminale ib des aiguilles 14 une forme tronconique qui leur permet de mieux s'appliquer contre ia paroi des trous pratiqués dans la gaine 10 (Fig. 2). Il va sans dire que l'on peut donner à 'é)ectroiyte injecté par les aiguilles 14 une concentration et u une température difféente de celle utilisée pour la je,pe à l'aide du couteau 12. Si les crayons sont amenés en faisceau complet ou en sous-faisceaux, ie processus ci-dessus est modifié légerement. On peut encore couper en bloc l'ensemble des aiguilles à l'aide d'un seul couteau 12 qui permet en même temps d'éliminer le pied d'assemblage. Mans pour pouvoir accéder aux crayons cen- traux de l'assemblage il faut traverser d'autres crayons et il est plus difficile d'effectuer en un premier temps le perçage et en un second temps l'injection de lessivage proprement dite. A l'issue de la première étape, effectuée dans une cellule de découpe et de lessivage, on obtient une solution aqueuse nitrique faiblement concentrée (de l'ordre de 1 N) contenant le matériau combustible et les produits de fission, essentiellement en suspension mais pour une faible fraction en solution, et d'autre part des tronçons de gaine. Les tronçons sont relevés sur une grille, puis stockés (étape II sur la Fig. 1). La solution nitrique de faible acidité est envoyée dans un dissolveur évaporateur (étape III sur la Fig. 1).Dans ce dissolveur interviennent siùltanément le passage en solution des matières fissiles dans léiectroîyte amende à une normalité plus elevée par injection d'acide nitrique concentré, (acide nitrique il N par exemple) et par distillation et d'autre part l'évaporation de l'excès dielerSrolyte. Il suffit d'une normalité de 4 N. d'autant plus que la solution nitrique est chaude. Le dissolveur-évaporateur doit évidemment avoir une géométrie sous-critique.Il peut être d'un type similaire à celui qui a été décrit dans le brevet français nO 1.354.259 demandé le 24 janvier 1963 par l'organisme demandeur ou dans l'un de ses certificats d'addition. Les fractions vaporisées sont envoyées à un circuit de recyclage (étape IV sur la Fig.1). Ce circuit comprend un bac qui sert de tampon et alimente la cellule de découpe et de lessivage et un dispositif de réoxy- dation des vapeurs nitreuses. La solution nitrique concentrée est soutirée et envoyée à la chaîne de purification des matières fissiles (étape V sur la Fig. l). Elle continent la quasi totalité des matières fissiles sous forme de nitrates et la majorité des produits de fission sous forme de nitrates ou d'insolubles. Quant à la fraction recyclée, elle peut être traitée pour la débarrasser de la majeure partie des produits de fission à longue vie qu'elle contient encore. Ce traitement est très simple puisqu'il peut être basé sur la condensation fractionnée des vapeurs Pour accélérer la découpe ou le perçage lorsque l'élec- trolyte est une solution nitrique, on peut doper la solution par adjonction d'ions fluor, apportés sour forme d'acide fluorhydrique. Cette adjonction, à une concentration qui conduit avantageusement à une teneur de l'ordre de 10-2 M après concentration, est sans inconvénient pour les étages terminaux de retraitement si l'on met en oeuvre le procédé décrit et revendiqué dans la demande de brevet français nO EN 7003424 déposée le 30 janvier 1970 par l'organisme demandeur. Le procédé suivant l'invention se prête à une mise en oeuvre soit continue, soit discontinue. Suivant le mode d'exploitation utilisé, le traitement s'effectuera par charges ou en continu, les opérations de découpage-lessivage et de dissolution-distillation étant successives ou simultanées. De même les apports de réactif et les soutirages s'effectueront soit au début ou à l'issue du traitement d'une charge, soit de façon continue. REVENDICATIONS 10) Procédé d'extraction de l'âme de combustible d'un élément de combustible nucléaire à gaine métallique, suivant lequel on soumet ledit élement de combustible à un découpage électrochimique de la gaine et à un lessivage du combustible par introduction sous pression dans la gaine de l'électrolyte utilisé pour le découpage, caractérise en ce qu'on dissout le matériau combustible dans l'électrolyte provenant du lessivage par concentraction de celui-ci dans un dissolveur-évaporateur et en ce qu'on recycle l'électrolyte distillé dans l'évaporateur. 20) Procédé suivant la revendication l, caractérisé en ce qu'on ajoute des ions fluor à l'électrolyte. 30) Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les ions fluor sont ajoutés sous forme d'acide fluorhydrique à une concentration qui conduit à une teneur de ltordre de 10 M après concentration. 40) Procédé suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'électrolyte de découpe est une solution aqueuse d'acide nitrique de normalité de l'ordre de X N pour la découpe, portée à une valeur de l'ordre de 4 N pour la dissolution du matériau combustible. 50) Installation d'extraction de l'âme de combusti le d'un élément de combustible nucléaire à gaine métallique, comprenant une cellule de découpe et de lessivage munie de moyens de tronçonnage électrochimique de la gaine et d'injection de l'électrolyte de découpage dans la gaine, caractérisée par un dissolveur-évaporateur muni de moyens d'alimentation en électrolyte charge de combustible en suspension provenant du lessivage, de moyens de recyclage ers la cellule de découpe de l'électro lyte vaporisé, et de moyens de soutirage de solution de matériau de combustible dans l'électrolyte concentré. 60) Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que la cellule de découpe et de lessivage comprend un couteau de tronçonnage de la gaine et des aiguilles creuses de perçage électrochlmlque alimentées en électrolyte sous pression munies de moyens de déplacement qui provoquent successivement la perforation de la gaine par lesdites aiguilles et l'injection sous pression dans la gaine d'électrolyte de sorte que ledit électrolyte s'écoule en entraînant le combustible sous forme pulvérulente vers le passage provenant du tronçonnage. 70) Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que les aiguilles présentent une partie terminale tronconique de pénétration à travers la gaine. 80) Installation suivant la revendication 5, 6 ou 7, utilisant une solution nitrique comme électrolyte, caractérisée en ce que les moyens de recyclage comprennent un dispositif de ré oxydation des vapeurs nitreuses provenant du dissolveurévaporateur. 90) Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens de recyclage comprennent un piège des produits de fission 100) Installation suivant la revendication 8 ou 9, caractérisée par des moyens d'apport d'acide nitrique concentré au dissolveur-evaporateur. 110) Application du procédé ou du dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, à l'extraction par lessivage nitrique du combustible oxyde d'éléments de combustible pour réacteur nucléaire à neutrons rapides gainés en acier inoxydable.