Brevet FR2079336A1 — publié le 19711112

La présente invention est relative aux fours pour la désagrégation par voie thermique et chimique d'éléments combustibles pour réacteurs nucléaires, et concerne plus particulièrement un four dans lequel peuvent être combinés deux procédés décrits dans des brevets antérieurs de 5 la demanderesse, à savoir un procédé pour l'enlèvement du revêtement d'éléments combustibles pour réacteurs nucléaires (brevet belge n° 705.939) et un procédé pour la désagrégation de combustible pour réacteurs nucléaires (brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.399 977). L'invention a principalement trait à un four dans lequel peuvent êrre désagrégés des éléments combustibles 10 provenant de réacteurs rapides bien que le four puisse également être utilisé à d'autres fins. D'une façon plus précise,, l'invention concerne un four dans lequel les éléments combustibles d'un réacteur rapide sont tout d'abord débarrassés de leur revêtement et dans lequel le combustible même est ensuite transformé en poudre en vue d'un traitement ultérieur au moyen d'une solu-15 tion aqueuse, par exemple la dissolution connue en acide nitrique et la séparation d'uranium et de plutonium à l'aide de solvants organiques sélectifs . Les procédés préparatoires connus, avant la dissolution du combustible irradié dans l'acide nitrique, tels que la réduction mécanique 20 en morceaux des éléments combustibles et leurs douilles de revêtement, composées par exemple d'acier inoxydable (le procédé dit "chop and leach") ont plusieurs inconvénients s'il s'agit de la désagrégation d'éléments combustibles provenant de réacteurs rapides, par exemple ; a) Les éléments combustibles de réacteurs rapides refroidis 25 au sodium liquide peuvent être cortaminés par du socxum collé sur les éléments et, si les douilles de revêtement sont cassées pendant le service du réacteur, ils peuvent même contenir du sodium à 1:intérieur. Ce sodium doit tout d'abord être enlevé, avant que le procédé "chop and leach" puisse être appliqué. 30 b) La forme géométrique relativement complexe d'un élément combustible pour un réacteur rapide (le plus souvent, une structure ou douille de forme allongée ayant une section transversale hexagonale et contenant un grand nombre de barrettes combustibles revêtues d'acier inoxydable ayant la grosseur d'un crayon) ne se prête pas bien au traitement mécanique 35 grossier du procédé "chop and leach". 71 04298 2 2079336 c) La présence de quantités relativement importantes d'iode dans de tels éléments combustibles rend l'application directe de solvants organiques moins efficace. Un enlèvement préalable de ce iode est souhaitable. d) De tels éléments combustibles contiennent une grande quantité de plutonium, de scrte qu'une criticalité peut se produire; de plus, la chaleur développée pendant la désagrégation de ces éléments est plus importante que pendant la désagrégation d'éléments combustibles normaux, si bien qu'il est souhaitable d'avoir un contrôle efficace de la température pendant le déroulement du processus. Ces inconvénients peuvent être évités si le. procédé pour l'enlèvement du revêtement d'éléments combustibles à l'aide de métaux liquides, tel que décrit dans le brevet belge n° 705.939 déjà cité, est combiné avec le procédé pour le traitement de combustibles irradiés pour réacteurs nucléaires à l'aide de sels fondus selon le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.399.977 qui a également été cité déjà. L'invention a trait à un four dans lequel ces deux procédés peuvent être combinés. Le four est formé par un élément tubulaire placé verticalement et est composé d'au moins une enveloppe extérieure en matériau réfractaire et d'un revêtement en graphite disposé concentriquement à l'intérieur de cette enveloppe, et la partie supérieure du four peut être recouverte par un couvercle pourvu d'une ouverture pour l'évacuation des gaz. Ce four est caractérisé en ce que le revêtement en graphite affecte à l'intérieur une forme qui correspond à la forme de l'élément combustible devant être placé dans ce revêtement, en ce que cet élément combustible peut s'appuyer en bas sur un élément filtrant en graphite, et en ce que la partie inférieure du four est pourvue d'au moins une ouverture d'évacuation pouvant être fermée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, ainsi que dés dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'un f our su îvant 1:invent ion; - la figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne 2-2 de la figure 1; - la figure 3 est une vue de détail, en coupe longitudinale et à plus grande échelle, de l'élément filtrant en graphite représenté sur la figure 1; et 71 04298 3 207933b - la figure 4 représente un exemple de réalisation d'une ouverture d'évacuation pouvant être fermée. Les références ont la même signification sur toutes les figures. Le procédé de désagrégation est tout d'abord décrit en grandes lignes 5 puis expliqué à l'aide du dessin, Le procédé se déroule en trois phases : 1) Dans une première phase, l'élément en matière fissible devant être désagrégé est amené en contact, à l'intérieur du four et à une température élevée, avec le métal liquide servant de solvant pour l'enlèvement des revêtements en acier inoxydable. Au bout de quelques minutes déjà., les 10 minces enveloppes (environ 0,3 mm) des barrettes combustibles ayant la grosseur d'un crayon sont dissoutes, tandis csue le treillis ou la douille plus épais en acier inoxydable (environ. 3 mm) reste intact. A ce moment, ce premier traitement peut être interrompu. Le combustible se désagrège en gros morceaux et reste en majeure partie dans le four, bien qu'une partie puisse être 15 évacuée avec le métal liquide. Le métal utilisé comme solvant est composé, de façon connue, d'un alliage d'antimoine et de cuivre. La douille ou le treillis resté intact de l'élément combustible est seulement enlevé du four à la fin du processus. 2) Après l'enlèvement du métal liquide, du sel fondu (en 20 l'occurrence un mélange de NaNO^ et Na^O) est immédiatement introduit dans le four en vue de la désagrégation complète du combustible et de sa transformation en poudre suivant les formules : 25 U0o + NaNO., + Na„0 > Na„UG + NaNO. 2 3 2 2 4 2 U02 + 2 NaN03 + Na^ > Na^O + 2 NaN02 L'uranate en poudre et les composés de plutonium en poudre ainsi obtenus sont évacués du four avec le sel fondu, 30 3) Le four est ensuite rincé avec un second mélange liquide de sels, par exemple du Na2S20^ ou K^SjO^, de sorte que les derniers restes de combustible sont transformés en composés du type sulfate d'uranyle qui sont solubles dans ce sel fondu-. Le treillis de l'élément combustible ou la douille en acier inoxydable resté intact est ensuite enlevé du four. 35 Le combustible nucléaire est récupéré du métal liquide (contenant seulement des traces de matière en poudre) par le tamisage de ce métal au moyen d une toile en graphite, un feutre en graphite ou de filtres 71 04298 4 2079336 composés de métaux ayant un. point de fusion élevé, le combustible nucléaire est récupéré du sel fondu de la seconde phase par ii?e filtrat ion. au moyen de matériaux filtrants analogues, tandis que la récupération, du combustible nucléaire du sel fonde de la troisième phase du procédé est réalisée par le 5 traitement de ce sel avec du NaOH ou du Na^O car exemple., ce qui provoque la précipitation, du combustible sous forme d:c«yde pouvant être séparé par filtratioiî, Tous les liquides utilisés pour le traitements notamment le sel fondu de la troisième phase du procédé, peuvent être recyclés en totalité 10 ou en partie, La matière- combustible en poudre air.si obtenue est ensuite traitée de manière connue par voie humide. L'ensemble dr. processus préparatoire dure moins d'une heure par élément combustible Le four dans lequel se déroulent les trois phases du procédé a la forme d'un cylindre placé verticalement et ayant une longueur supérieure 15 à celle de 1 'élément combustible devant être traité à l'intérieur. Le revêtement ou le creuset 5 en graphite a de préférence une forme intérieure hexagonale et est de ce fait adapté à la forme des éléments combustibles les plus courants pour réacteurs rapides. Autour de ce revêtement intérieur sort avantageusement disposés un élément chauffant électrique 4 et une enveloppe 20 extérieure 3 qui résiste à la chaleur et qui est par exemple composée d'alumine ou de zircone. Une enveloppe extérieure pouvant être refroidie peut éventuellement être prévue autour. L'élément chauffant électrique doit être en mesure de maintenir le iour à une température de 800°C par exemple. Dans le mode de réalisation représentés l'élément combustible 6S7 devant être 25 traité présente un jeu de quelques millimètres par rapport à la paroi intérieure du four. L'extrémité supérieure de l'élément combustible est directement raccordée au conduit d'évacuation des gaz 1 dans le couvercle 2 qui ferme le four hermétiquemer-t. La sole du four se compose d'un bloc de graphite 9 dans lequel est prévueau moins une ouverture d'évacuation pouvant être fermée. 30 Toutefois; le bloc 9 présente de préférence deux ouvertures pouvant être fermées l'une en fonction de l!autres comme représenté sur la figure 4. Le tiroir 16 en graphite peut être déplacé dans un sens ou dans l'autre à l'intérieur de ce bloc, de sorte que, soit l'ouverture 17, soit l'ouverture 18 communique avec le four. Un élément filtrant 8 en graphite est disposé 35 entre le pied de l'élément combustible 6.7 et le bloc 9. La figure 3 montre que cet élément filtrant peut être formé simplement par une pièce de graphite dont la forme est adapt.ee au pied de l'élément combustible., et qui est pourvu 71 04296 5 2079336 d'un certain nombre de canaux avant: un diamètre intérieur de 0 5^1 mm par exemple, de sorte que seule la matière sous forme de poudre peut passer, et non pas les gros morceaux de combustible. Pour cette même raison, le pied de l'élément combustible est enveloppé d'une toile er_ graphite ou en métal 5 ou d'un morceau de tamis composé d'un métal à point de fusion élevé. Cette toile ou ce tamis retient les morceaux de métal et de combustible pendant la première phase du procédé, et sa disposition peut même être telle que les matières liquides (alliage d'antimoine et de cuivre et sels fondus) circulent exclusivement à l'intérieur de l'enveloppe 6 de l'élément 2ombus-10 tible, si bien que ce dernier joue en fait le rSle d'un creuset de fusion primaire à l'intérieur du four suivant l'invention. La figure 1 représente des récipients ou des réservoirs 14 et 15 placés sous le four. Ils sont raccordés à ce dernier ainsi qu'à des conduits pour l'alimentation ou l'évacuation de matières liquides, et des conduits sous pression et/ou 15 d'aspiration. Les récipients peuvent être pourvus d:un chauffage électrique par résistances 12 entre la paroi intérieure 13 (en graphite) et la paroi extérieure 11 en matériau réfractaire. La figure 1 représente un dispositif stationnaire comportant deux récipients, l'un pour du métal liquide 14 et l'autre pour du sel fondu 15'. mais l'invention prévoit également la possibilité 20 d'un dispositif stationnaire comportant un seul ou trois récipients. Il est également possible de rendre le four mobile horizontalement, par exemple sur des rails, et de l'amener au-dessus qu réservoir désiré pendant les différentes phases du procédé, ou de rendre les réservoirs mobiles et de prévoir un montage fixe pour le four. Enfin, il est égalemenc possible de travailler avec un seul 25 réservoir qui est vidé après chaque phase du procédé et qui est ensuite rempli de la matière liquide suivante. Les sels fondus et les métaux liquides sont introduits sous pression dans le fcur, tandis qu'ils sont évacués de celui-ci par aspiration. Grâce au chauffage électrique, le contenu des réservoirs peut être maintenu 30 à une température de 950-1000°C. Les réservoirs peuvent communiquer eux-mêmes avec d'autres réservoirs non représentés qui sont munis d'éléments filtrants en toile ou feutre de graphite pour la séparation par filtration du combustible en poudre. L'exploitation du four selon l'invention est comme suit : 35 L'élément combustible est transporté de son lieu de stockage jusqu'au four et, après la disposition du filtre 10 sur le bloc 8S introduit dans le four. Celui-ci est fermé par le couvercle 2 après la coupure du 71 04298 6 2079336 conduit d'évacuation des gaz 1. Le tiroir en graphite est ensuite placé dans une position telle que le four communique avec le récipient 14. Le four est porté à une température de 800°G et l'alliage d'antimoine et de cuivre contenu dans le récipient 14 a une température de 950°C. Une pression est 5 ensuite exercé sur le métal liquide contenu dans le récipient 14 au moyen d'un conduit d'alimentation d'un fluide sous pression; on laisse le métal liquide monter dans le four jusqu'à ce qu'il recouvre juste les minces barrettes combustibles dans l'élément 6, 7, On laisse agir le métal pendant quelques minutes et on laisse échapper le gaz de fission dégage à travers 10 le conduit d'évacuation 1. Le niveau du métal liquide est ensuite porté jusqu'en haut de l'élément combustible. Dans cette phase, on peut faire puiser le métal liquide en faisant alterner l'aspiration et le refoulement afin d'obtenir un certain effet de brassage. On laisse ensuite s'écouler le métal fondu dans le récipient 14; ce métal entraîne une faible quantité de 15 combustible sous forme d'une poudre fine. Le tiroir 16 est ensuite commuté, de sorte que le four communique avec le récipient 15. Le mélange fondu de sels de nitrate de sodium et d'oxyde de sodium ~ ayant été porté entre temps à une température d'environ 500°C - est introduit sous pression dans le four et puisé de la façon qui vient d'être décrite pour le métal liquide. 20 Après l'évacuation du sel fondu, pratiquement tout le combustible se trouve - en étant finement divisé mais non dissous - dans le récipient 15. Ce traitement peut être répété plusieurs fois. Les derniers restes de combustible peuvent être enlevés de l'élément 6, 7 au moyen de fondu alimenté depuis un réservoir non 25 représenté. Compte tenu de la faible quantité de combustible dissoute dans ce sel fondu, celui-ci peut être réutilisé, de nombreuses fois avant que son traitement soit nécessaire. Les processus subséquents, tels que la filtration du métal liquide du récipient 14 et du sel fondu du récipient 15s le transfert du combustible en poudre vers l'équipement de traitement 30 par voie humide, la récupération et le recyclage des matières liquides utilisées et le traitement du K2S2C_ for.du utilisé sont de moindre importance pour la compréhension du fonctionnement du four suivant l'invention. Comme principaux avantages du four suivant l'invention, on peut citer : 35 a) Compacité : Il n'est plus nécessaire d'utiliser une installation pour l'enlèvement de sodium collé sur les éléments combustibles utilisés, un dispositif de détection pour constater des endommagements des 71 04298 2079336 éléments combustibles (de tels éléments peuvent être traités sans difficultés dans le four), ni un dispositif pour couper les éléments en morceaux. Le four avec l'équipement, correspondant est si compact qu'il peut même être monté dans un espace situé près du réacteur nucléaire et protégé contre les 5 radiations, ce qui permet d'éviter le transport dangereux d'éléments combustibles sous sodium liquide vers une usine de désagrégation, b) Commande : Le four peut être commandé facilement à distance et cette commande peut être automatisée d'une manière simple. Déchets radioactifs : Le four ne produit pas de déchets 10 en solutions aqueuses, mais seulement des gaz et des matières solides (du sel et du métal solidifiés usés) dont la transformation est plus simple que celle des liquides, dont les quantités sont souvent importantes, qui sont obtenus selon les procédés connus. d) Réalisation : Le four est si simple que sa construction 15 ne pose pas de difficultés. Les matériaux utilisés pour sa construction, tels que du graphite, du graphite résistant aux températures élevées, la zircone et des matériaux analogues sont disponibles dans le commerce, et leur usinage est connu et facile à réaliser. L'adaptation de la forme interne aux dimensions de l'élément combustible devant être traité ne pose pas non 20 plus de problèmes. 71 04296 8 2079336 REVENDICATIONS 1. Four pour la désagrégation par voie thermique et chimique d'éléments combustibles pour réacteurs nucléaires, formé par un élément tubulaire placé verticalement et composé d'au moins une enveloppe extérieure en matériau réfractaire et d'un revêtement en graphite disposé concentrique- 5 ment à l'intérieur de cette enveloppe, la partie supérieure du four pouvant être recouverte par un couvercle pourvu d'une ouverture pour l'évacuation des gaz, caractérisé en ce que le revêtement en graphite affecte à l'intérieur une forme qui correspond à la forme de l'élément combustible devant être placé dans ce revêtement, en ce que cet élément combustible peut s'appuyer 10 en bas sur un élément filtrant en graphite, et en ce que la partie inférieure du four est pourvue d'au moins une ouverture d'évacuation pouvant être fermée. 2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est pourvu de deux ouvertures d'évacuation, pouvant être fermées l'une en fonction de l'autre, au moyen d'un tiroir en graphite ouvrant alternativement l'une 15 des ouvertures et fermant en même temps l'autre. 3. Four selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la section intérieure du revêtement en graphite est hexagonale.