Brevet FR2085603A1 — publié le 19711224

L'invention se rapporte à un procédé pour débarrasser de sa gaine un faisceau d'éléments en matière fissile avant leur retraitement, selon lequel on met en contact avec un réactif les éléments en matière fissile dans un espace0 La matière fissile n'ayant pas réagi doit être récupérée à partir de la matière fissile irradiée dans un réacteur nucléaire0 Les éléments en matière fissile sont, à cet effet, soumis à un retraitement. La première étape du retraitement consiste dans l'dli- mination de la gaine, le matériau libéré de la gaine étant éventuellement mis sous une forme telle que les réactions des stades suivants du retraitement peuvent avoir lieu de façon suffisamment rapide et avec un rendement suffisant. Selon un procédé connu les éléments en matière fissile sont hachés en morceaux après évacuation du faisceau hors du réacteur nucléaire et après un long refroidissement, après quoi la matière fissile et les produits de fission qui l'accompagnent sont détachés, par dissolution dans l'acide nitrique, du matériau de gainage. Selon d'autres méthodes connues la gaine du matériau de gainage est éliminée par un traitement chimique. Ces traitements ehimiques connus ne peuvent également être appliqués qu'après une longue période de refroidissement. De plus, entre autres pour des raisons économiques, lesdites méthodes connues auxquelles il est fait allusion ci-dessus, ne peuvent être appliquées qu'des éléments en matière fissile ayant un degré de fission peu élevé, On a déjà proposé des procédés de traitement à appliquer, après une courte période de refroidissement, au traitement d'éléments en matière fissile ayant un haut degré de fission, par exemple d'éléments en matière fissile provenant d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. C'est ainsi qu'il est connu de dissoudre l'acier inoxydable d'une gaine dans du zinc liquide, à une température de 800oC, dans un alliage de cuivre-antimoine à une température de plus de 850Ce I1 est également connu de transformer à sec le nzircslloyn de la gaine, en chlorure de zirconium gazeux, à l'aide de vapeurs d'acide chlorhydrique, à une température de 4000Ci Ces méthodes connues tant pyrométallurgique que sèche permettent bien d'éliminer la gaine du noyau consistant en matière fissile et en produits de fission ltaccompagnant mais ne préparent pas le noyau en vue des étapes ultérieures du retraitement. Par noyau on comprend, dans la présente demande de brevet, le remplissage de l'élément, c'est-à-dire l'élément sans la gaine. I1 est également connu de pulvériser une gaine en acierinoxydable en faisant réagir sur celle-ci à une température de 55O0C un mélange d'acide fluorhydrique et d'oxygène. Ce procédé prépare également la matière fissile en vue des étapes ultérieures du retraitement tout au moins, lorsque, au cours de ces étapes ultérieures il est fait usage de moyens de fluoration. Le procédé connu, cité en dernier lieu, est toutefois moins approprié en vue du traitement de faisceaux d'éléments en matière fissile provenant dun réacteur nucléaire à neutrons rapides, dans lequel la période de refroidissement doit être maintenue courte et dans lequel le degré de fission est élevé. Au cours du traitement, le faisceau se scorifie, ce qui provoque un lit solide présentant une disposition facultative des produits de la corrosion et de la matière fissile pulvérisée. En raison de la grande chute de radioactivité et de la courte période de refroidissement, une grande quantité de chaleur est libérée dans le lit, quantité qui ne peut être évacuée que difficilement. Un procédé d'élimination de gaines d'éléments en matière fissile est également connu selon lequel on fait circuler les éléments en matière fissile pourvus de gaines dans un espace clos, dans le même sens qu'une solution d'un acide mordant. Selon une forme de réalisation particulière, notamment lorsque les gaines sont en oxyde de zirconium, la solution acide comporte un certain pourcentage d'acide fluorhydrique. Une installation relativement compliquée est nécessaire à l'exécution de ce procédé attendu qu'aussi bien l'acide mordant que les éléments en matière fissile circulent dans le même sens. Be fait que les éléments en matière fissile et le réactif se déplacent dans le même sens étant défavorable à l'évacuation de la chaleur par le réactif, l'espace dois doit, pour permettre l'évacuation de la chaleur, être refroi di extérieurement. Cet espace est pourvu, par exemple, d'un double manteau au travers duquel circule un fluide refroidissant.En raison de l'usage d'une solution acide destinée à l'élimination des gaines, les éléments en matière fissile doivent encore, après cette élimination, être rincés avant de pouvoir être évacués hors de leur espace clos. Dans l'installation pour l'exécution de cette méthode connue, non seulement l'acide mordant, mais aussi le liquide de rinçage pénètre dans l'espace clos L'acide mordant, qui comprend éventuellement de l'acide fluorhydr-que, est évacué en même temps que le liquide de rinçage de telle sorte que l'acide mordant ne peut pas circuler en circuit fermé, à moins qu'une séparation de cet acide mordant d'avec le liquide de rinçage n'ait lieu.Dans ce procédé connu on n'enlève que la gaine du noyau des éléments en matière fissile, mais ces éléments de matière fissile ne sont pas préparés en vue d'un stade ultérieur du retraitement. L'invention présente toutefois un procédé destiné entre autres, au traitement d'un faisceau d'éléments en matière fissile à haut degré de fission et temps de refroidissement court, par exemple, un faisceau d'éléments de fission provenant d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. De plus, le procédé selon l'invention prépare la matière fissile en vue des stades ultérieurs du retraitement Le procédé peut êtreexécuté-à l'aide d'une installation relativement simple. A cet effet, on utilise en-tant que réactif un liquide qui comprend essentiellement de l'eau et de l'acide fluorhydrique et on fait circuler ce liquide le long des éléments en matière fissile immobiles et cela avec un débit qui est au moins suffisant pour évacuer la chaleur développée. De préférence, on dispose les éléments en matière fissiles dans un espace et on fait circuler dans cet espace un liquide qui comprend essentiellement de l'eau et de acide fluorhydrique, de façon telle que les éléments immobiles sont entièrement en contact avec le liquide et cela avec un débit qui est au moins suffisant pour évacuer la chaleur développée avec le liquide sans qu'une partie notoire de celui-ci ne bouille. Dans une forme de réalisation particulière de l'invention on introduit les matières fissiles dans un espace clos et après avoir d'abord fait circuler le liquide avec un débit qui est suffisant pour évacuer la chaleur développée, avec le liquide, sans qu'une partie notoire de celui-ci ne bouille on réduit le débit jusqu'à ébullition du liquide et on évacue les vapeurs formées au travers d'un cyclone. On dirige, de préférence, les vapeurs formées, d'abord via le combustible partiellement libéré des parties des éléments qui ne sont plus en contact avec le liquide. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description qui sera donnée ci-après d'un procédé pour débarrasser de sa gaine un faisceau d'éléments en matière fissile avant leur retraitement ; cette description n'est donnée qu'à titre d'exemple et ne limite pas l'invention. Les notations de référence se rapportent au dessin anne xé. La figure est une représentation schématique d'une installation pour l'application du procédé selon l'invention pour débarraser de sa gaine un faisceau d'éléments en matière fissile, avant leur retraitement. L'installation représentée à la figure comporte un réacteur 1 ayant un couvercle amovible 15. Un panier 3 peut être descendu dans ce réacteur. Ce panier, qui doit contenir le faisceau d'éléments combustibles 5, peut être suspendu dans le réacteur 1 au niveau représenté à la figure. Une installation de chauffage 4 est disposée autour de la partie inférieure du réacteur 1. Cette installation de chauffage peut, par exemple, consister en résistances électriques. Le réacteur 1 forme avec les conduites 17, 19 et 20 un circuit fermé. La conduite 17 comprend le filtre 12 et l'échangeur de chaleur 9. La-conduite 24 destinée au liquide de refroidissement appartient à l'échangeur de chaleur. Cette conduite n'est évidemment pas raccordée à la conduite 17. Une vanne 22 est montée sur la conduite 19 et une pompe 10, ainsi qu'une vanne 23, sont montées dans la conduite 20.L'extrémité de la conduite 17 est reliée indirectement à l'extrémité de la conduite 20, à l'aide de la conduite 18 dans laquelle est montée la vanne 21. Un réservoir 11 destiné à un liquide qui comporte essentiellement de l'eau et de l'acide fluorhydrique est relié à la conduite 20, par l'intermédiaire de la conduite 34 dans laquelle se trouve la vanne 30. A la figure, le réacteur 1 a été représenté comme étant partiellement rempli de liquide 16 consistant en un mélange d'eau et d'acide fluorhydrique. Le réacteur 1 et le couvercle 15 doivent évidemment être exécutés en un matériau qui, dans les conditions de travail, n'est pas sensiblement attaqué par les réactifs. Ils peuvent, par exemple, être exécutés en un alliage de nickel approprié et les parties qui viennent en contact avec les réactifs peuvent être protégées électrochimiquement d'une manière connue en soi. La conduite 26 se raccorde au couvercle 15 du réacteur 1. Dans cette conduite 26ei 26et-plcee la vanne 25. Cette conduite 26 rac- corde le couvercle 15, et par conséquent la partie supérieure du réacteur l,au cyclone 7. Le cyclone 7 est encore relié par la conduite 27 au réservoir 11. Sur la conduite 27 est monté le con -denseur 8. La conduite de ce condenseur, destinée au liquide de refroidissement a été désignée par 28. Cette conduite n'est évidemment pas reliée à la conduite 27. Le condenseur est cependant équipé d'une conduite 29 pour l'évacuation des gaz, conduite qui débouche dans une installation de purification de gaz 13. Les boues , peuvent être évacuées du fond du réacteur 1 via la conduite 14, dans laquelle est montée la vanne 31. A la partie inférieure du réacteur 1 peut être introduit de l'oxygène via la conduite 32, dans laquelle est montée la vanne 33. L'installation complète est équipée d'appareils de contrôle, par exemple des appareils 2 pour le contrôle de la température et du manomètre 6, qui est disposé sur le couvercle 15 du réacteur 1. Le procédé est appliqué de la manière suivante. On extrait du réacteur nucléaire et on dispose dans le panier le faisceau d'éléments fissiles 5, sans aucune modification géométrique. A cet effet; on a écarté le couvercle 15 du réacteur 1. Après avoir fait descendre le panier jusqu'à la hauteur représenté à la figure, on rempli le réacteur 1 du liquide 16 qui consiste essentiellement en acide fluorhydrique et en-eau. A cet effet, on peut préalablement fixer le couvercle 15 sur le réacteur 1 et pomper la quan tité nécessaire de liquide à partir du réservoir Il dans le réacteur 1. Toutes les vannes peuvent, en ltoccurence, demeurer fermées, à l'exception des vannes 23 et 30 qui se trouvent dans les conduites 20 et 34 au travers desquelles le liquide est pompé du réservoir Il dans le réacteur 1.Ma vanne 25 peut, au cours du remplissage du réacteur 1, demeurer ouverte pour permettre l'échappement de l'air qui se trouve dans le réacteur 1 au cours du remplissage de celui-ci. Auprès son remplissage, le réacteur constitue un espace fermé qui est rempli dtun liquide consistant essentiellement en acide fluorhydrique et en eau et dans lequel se trouvent les éléments de combustible à traiter. Après le remplissage, on obture les vannes 25 et 30 et on ouvre les vannes 22 et 23. On met la pompe 10 en marche ou on laisse celle-ci en fonctionnement. Le réacteur 1 se trouve donc dans un circuit fermé, dans lequel figurent également le filtre 12, l'échangeur de chaleur 9 et la pompe 10. Sous l'influence de l'action de la pompe, le liquide 16 circulera à travers le réacteur 1, dans lequel on a introduit les éléments de matière fissile, et de là en direction de l'échangeur de chaleur 9 et retournera de là, via la pompe 10, vers la. partie inférieure du réacteur 1.Les éléments sont, en ltoccurence, disposés dans le réacteur de telle sorte que le liquide est complètement en contact avec les éléments et peut donc agir sur la surface externe totale de la gaine des éléments. Ceci est obtenu automatiquement en disposant les éléments dans le panier sans modification géométrique par rapport à la disposition que les éléments occupaient dans le réacteur nucléaire. Le débit de la pompe est réglé de telle sorte que toute la chaleur libérée est évacuée sans que le liquide 16 commence sensiblement à bouillir. L'échangeur de chaleur 9 doit donc etre suffisamment vaste et la circulation du liquide de refroidissement au travers de la conduite 24 doit btre suffisamment intense afin que, pour un débit imposé par la pompe 10 suffisamment de chaleur soit retirée au liquide 16 afin que celui-ci ne se mette pas sensiblement en ébullition. On peut également ne pas faire fonctionner la pompe 10 et fermer les van nes 22 et 23 et ouvrir la vanne 21 Dans ce cas également, on réalise encore un circuit fermé dans lequel figurent également, en dehors du réacteur 1 et de la conduite 17, équipée du filtre 12 et de l'échangeur de chaleur 9, la conduite 18 et l'extrémité de la conduite 20. Dans ce cas, la circulation du liquide est réalisée par siphonage thermique naturel. En tout cas, qu'il s'agisse de siphonage thermique naturel ou que la pompe 10 soit en fonctionnement, on laisse circuler le liquide en circuit fermé jusqu'à ce que le matériau de gainage, par exemple l'acier inoxydable, soit complètement éliminé par corrosion. Ceci provoque la libération d'une certaine quantité de gaz. Cette quantité de gaz est évacuée en ouvrant la vanne 25. Ce gaz quitte alors la partie supérieure du réacteur 1 via la conduite 26, le cyclone 7, la conduite 27, le condenseut8, la conduite 29 et l'installation de purification de gaz 13. Tandis que la vanne 25 demeure ouverte, on continue à faire circuler le liquide en circuit fermé, maisàun débit sensiblement inférieur. On fait par exemple travailler la pompe plus lentement. La quantité de chaleur qui est évacuée des éléments de combustible 5 par le liquide 16 devient sensiblement moins importante que la quantité de chaleur qui est libérée par la réaction chimique et par la chute radioactive. Le liquide 16 sera maintenant sensiblement mis en ébullition dans les réacteurs 1. Les vapeurs qui prennent ainsi naissance sont évacuées à vote température via le cyclone 7, attendu que la vanne 25-est ouverte. En raison de l'évaporation du liquide 16, le niveau du liquide baisse dans le réacteur 1. Les vapeurs qui prennent naissance dans le réacteur 1, en raison de l'ébullition du liquide, s'élèvetle long des surfaces libérées des éléments de fission pour quitter le réacteur 1 à la partie supérieure, notamment par la conduite 26. Attendu que le matériau de gainage a déjà été enlevé par corrosion, les vapeurs agissent sur le matériau du noyau des éléments de fission, c 'est-à-dire sur la matière fissile elle-même et sur les produits de fission apparaissant simultanément. A ce moment la matière fissile n'est pas encore pulvérisée. La matière fissile est pulvérisée grâce à la réaction. A ce moment, on peut ajouter de l'oxygène aux vapeurs libérées. I1 suffit à cet effet d'ouvrir la vanne 33 de la conduite 32. Grâce à l'action des vapeurs et de l'oxygène sur le matériau du noyau, il se forme des oxydes, des oxyfluorures et des fluorures, et cela selon la concentration relative de la vapeur, de l'acide fluorhydrique et de l'oxygène et en fonction de la température de travail. Les gaz entralnent le produit pulvérulent qui s'est for mé . Ce produit est récolté dans le cyclone 5. Les vapeurs qui sont évacuées via le cylcone 7, hors de l'espace du réacteur 1, sont condensées dans le condenseur 8. Le produit condensé reflue vers le réservoir 11 destiné au liquide. En raison de l'évaporation, la concentration en produit de corrosion augmente dans le liquide. I1 se forme ainsi dans l'espace une boue qui peut être éliminée de la partie inférieure de l'espace via la conduite 14. I1 suffit à cet effet d'ouvrir la vanne 31. Une pompe peut être prévue dans la conduite 14. Si la température dans le réacteur 1 devient trop basse à la fin du procédé, en raison du fait que plus de calories sont évacuées qu'il ne s'en forme grâce à la réaction chimique et à la chute radioactive, il peut être nécessaire de réchauffer le réacteur. I1 suffit à cet effet de mettre en marche l'élément de chauffage 4. Le procédé décrit présente de nombreux avantages par rapport aux procédés connus. Le matériau de gainage est séparé de façon simple de la matière fissile, tandis que celle-ci est automatiquement préparéeen vue du retraitement ultérieur. Ceci a lieu dans un espace clos sans appareillage mécanique compliqué et à l'aide du même mélange réactif constitué d'eau et d'acide fluorhydrique. La vitesse de pénétration obtenue, c'est-à-dire la vitesse à laquelle la gaine est attaquée, est très convenable. Lorsqu'on fait usage d'un mélange azéotropique ordinaire d'acide fluorhydrique et d'eau, à une température de 800C, on obtient, pour certaines espèces d'acier inoxydable, une vitesse de pénétration de 0,25 millimètre/heure. On peut agir de façon simple sur la composition des gaz qui quittent l'espace en réglant la concentration de l'acide fluorhydrique dans le liquide et en réglant la quantité d'oxygène additionnée. On obtient ainsi un produit final qui est le mieux ap proprié en vue du retraitement ultérieur. Lez gaz qui sont libérés à partir de la matière fissile peuvent être très aisément séparés par condensation des gaz réactifs. La quantité de chaleur qui est iibérée en raison de la chute radioactive du fait de la réaction chimique, au cours de la libération de la matière fissile, est évacuée, sans la moindre ébullition, par le liquide qui s'écoule; Lors d'un dérèglement, lorsque la quantité de chaleur évacuée est trop faible, l'augmentation de la température est compensée du fait que le liquide s'évapore, ce qui augmentera son écoulement par circulation naturelle. Dans une variante de l'installation représentée à la figure, les conduites 17, 18 et 19 ainsi que le filtre 12 et les vannes 21, 22 et 23 disparaissent. Dans cette variante, l'échangeur de chaleur 9 est incorporé dans la partie supérieure du réacteur 1. La conduite 24 pour le liquide de refroidissement traverse alors en deux endroits la paroi du réacteur. L'échangeur de chaleur 9 peut se trouver dans le réacteur, aussi bien dans le liquide 16 qu'au-dessus de celui-ci. Dans cette variante, il se produit une circulation qui a lieu entièrement dans l'espace clos du réacteur 1 ; la circulation peut avoir lieu entièrement à l'intérieur du liquide, auquel cas l'échangeur de chaleur 9 doit se trouver entièrement ou avec sa plus grande partie dans le liquide 16. La circulation peut aussi j avoir lieu partiellement dans le liquide et partiellement dans la vapeur qui se trouve au-dessus du liquide, mais encore dans le réacteur. Dans ce cas, l'échangeur de chaleur 9 doit se trouver entièrement ou avec sa plus grande partie dans la vapeur. Le liquide évaporé est refroidi par l'échangeur de chaleur 9, ce qui provoque à nouveau sa condensation et provoque sa circulation, vers le bas, dans le réacteur. A un niveau plus bas dans le réacteur 1, le liquide se réchauffe en raison de la chute radioactive et de la réaction chimique, ce qui peut donner lieu à une nouvelle évaporation. I1 est essentiel, lorsque l'échangeur de chaleur 9 se trouve à la partie supérieure du réacteur, que les dimensions du réacteur 1 et: les caractéristiques de l'échangeur de chaleur 9 soient telles que la chaleur qui est libérée par suite de la chute radioactive et en raison de la réaction chimique soit évacuée et que la circulation du liquide, éventuellement du liquide et de la vapeur, soit suffisante dans le réacteur pour provoquer l'évacuation de la chaleur. Pour le reste, le procédé peut être exécuté de la même façon que décrit ci-dessus avec référence à la figure. L'invention n'est nullement limitée à la forme d'exécution décrite ci-dessus et bien des modifications pourraient y être apportées sans sortir du cadre de la présente demande de brevet. On peut par exemple, dès le début de l'opération, ajouter de l'oxygène, ce qui accélère la corrosion de la gaine et limite le développement d'hydrogène. On peut également, en vue du retraitement ultérieur, lorsque le matériau de gainage a été enlevé, retirer tout simplement le panier avec le combustible libéré, hors du réacteur, après avoir enlevé le couvercle 15. On peut alors continuer à traiter la matière fissile mécaniquement ou chimiquement. R E V E N D I C A T I O N S 1. - Procédé pour débarrasser de sa gaine un faisceau d'éléments en matière fismile avant leur retraitement, selon lequel on met en coutact avec un réactif les éléments en matière fismile dans un espace, caractérisé en ce qu'on utilise comme réactif un liquide qui comprend essentiellement de l'eau et de l'acide fluorhydrique et en ce qu'on fait circuler ce liquide le long des éléments en metière fismile immobiles et cela avec un débit qui est au moins auffisamment élevé pour évacuer le chaleur développés. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dispose les éléments en matière fismile dans un espace et en ce qu'on fait circuler dans est espace un liquide qui comprend essentiellement de l'ean et de l'anide fluorhydrique, de façon telle que les éléments immobiles sont entièrement en contact avec le liquide et cela avec un débit qui est au moins suffisant pour éva- ener la chaleur développée avec le liquide sans qu'une partie notoire de celui-ci de bouille. 3. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on introduit les matières fissiles dans un espace clos et en ce que, après avoir d'abord fait ciren1er le liquide avec un doit qui est suffisant pour évacuer la chaleur développée avec le liquide, sans qu'une partie notire de celui-ci une bouille, un réduit le débit jusqu'à ébullition du liquide et on évacue les vapeurs formées au travers d'un cyclone. 4. - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on partie les vapeurs formées, d'abord via le combustible partielle- ment libéré des parties des éléments qui ne sont plus en contact avec le liquide. 5. - Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'on laises se condenser les vapeurn et qu'on les refoule vers l'espace précité. 6. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on laise circuler le liquide dans l'espece et en de qu'un échangeur de caleur est prévu dans la partie supérieure de l'espace. 7. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on introduit de l'cxygène dans l'espace. 8. - Procédé pour débarrasser de sa gaine un faiscaau d'élémente en matière fismile, avant leur retraitement, tel que déorit ci-dessus.