Brevet FR2081129A1 — publié le 19711203

La présente invention est relative à une installation destinée à réaliser en continu la concentration d'une solution radioactive telle notamment qu'unie élution d'un nitrate de plutonium, une eau mère oxalique, un effluent uranifère... Elle a pour but surtout, de permettre de façon globale la concentration de volumes importants de la solution considérée, par traitement de débits notables de celle-ci, en évitant néanmoins les risques de criticité grâce à une géométrie approp lée, l'efficacité de ltappareil étant due tout particulièrement à la création d'un mouvement tourbillonnaire dans la solution d'une part et à une circulation par thermo-siphon d'autre part. A cet effet, cette installation se caractérise en ce qu'elle comporte un cyclone d'axe vertical pour la séparation des phases liquide et vapeur de la solution, comprenant une sortie de la phase liquide ou concentrat à son extrémité inférieure, une sortie de la phase vapeur à son extrémité supérieure et au moins une entrée de la solution dans le cyclone comprenant une tubulure d'admission raccordée sensiblement tangentiellement à la paroi du cyclone, cette tubulure étant associée à l'extérieur du cyclone à un ensemble de chauffage et de vaporisation puis réunie à l'extrémité inférieure du cyclone, une canalisation d'évacuation du concentrat liquide comprenant une vanne et une pompe d'aspiration, une conduite d'alimentation en solution à traiter raccordée sur la tubulure d'admission au voisinage de sa liaison avec l'extrémité inférieure du cyclone, un échangeur de chaleur réuni d'une part à la sortie de la phase vapeur à l'extrémité supérieure du cyclone et d'autre part à une cuve de stockage du condensat à la sortie de l'échangeur, et un dispositif de repérage du niveau de la solution dans le cyclone commandant l'alimentation de celui-ci par la solution à concentrer. Mise à part cette caractéristique principale, l'installation de concentration selon l'invention présente d'autres caractéristiques annexes, à considérer de préférence en combinaison mais qui, le cas échéant, pourraient l'être séparément et qui concernent notamment les points suivants: - le cyclone cs.mpofte tLOiS tubulures d'admission de la solution à concentrer, rcc-dées tangentiellement au cyclone et disposées à 120" autour de son axe vertical, - chaque tubulure dladmisslon comprend deux raccords à trois branches, reliés aux extrémités de trois tubes de chauffage et de vaporisation, comprenant chacun un élement chauffant extérieur, - chaque élément chauffant est constitue par un conduc t::-ur électrique directement en contact avec la surface des tubes de chauffage, - la canalisation d'évacuation du concentrat liquide est raccordée à l'extrémité inférieure du cyclone par un soufflet étanche acceptant les dilatations différentielles, la pompe d'aspiration du concentrat refoulant vers un filtre et une vanne de protection à commande manuelle, - le dispositif de réperage comprend un réservoir extérieur muni de cinq sondes détectant respectivement un niveau supérieur et un niveau inférieur ainsi que le dépassement intempestif de ces niveaux, ce réservoir étant raccordé aux extrémités du cyclone de façon à maintenir un équilibre de pression, - l'extrémité supérieure du cyclone est réunie à l'dchan- geur de chaleur par un conduit de liaison comportant des brides de raccordement et au moins un soufflet étanche, ce conduit contenant une garniture formee par un empilage d'anneaux de Raschig, - la cuve de stockage recueillant le condensat à la sortie de l'échangeur est réunie à une pompe de récupération dont le refoulement est relié à une autre cuve ou à un récipient de soutirage fractionné par i 'intermédiairé d'une vanne manuelle, - l'échangeur de chaleur comporte une circulation séparée dteau de refroidissement dans un ensemble de serpentins, - l'installation comporte à la partie supérieure du cyclone une entrée pour un fluide rinçage de l'appareil. Avantageusement enfin, le cyclone et son conduit de raccordement avec l'échangeu de chaleur sont réalisés en verre, les soufflets d'étanchéité en PTFE C"TéflQn") , les autres parties de l'appareil etant en acier inoxydable et les Joints prévus au montage -entre~ces differents éléments étant en élastomère fluoré. Le complément de description qui suit est relatif à un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence à la figure unique du dessin annexé qui illustre schématiquement une vue en élévation de l'installation de concentration considérée. Comme on le voit sur cette figure, cette installation est montée à l'intérieur d'une enceinte de protection étanche 1, du genre notamment de celles couramment utilisées dans l'industrie nucléaire et désignées sous le terme de "boite à gant. Cette inatallation comporte principalement un cyclone 2, -se présentant sous la forme d'un cylindre, notamment en verre, muni à ses extrémités inférieure et supérieure de deux brides de raccordement 3 et 4. La bride inférieure 3 est réunie à un-soufflet d'étanchéité 5, notamment en "PTFE" lui-même relié à son autre extrémité par une bride 6 à un tube de prolongement 7, situé dans l'axe du cyclone 2.A son extrémité inférieure, ce tube 7 est raccordé à une vanne dont la sortie est réunie par une conduite 9 à l'entrée d'une pompe 10 à rotor noyé, dont le refoulement s'effectue par l'intermédiaire d'une vanne à commande manuelle 11 vers une conduite de sortie 12 débitant vers un filtre (non représenté). Afin de permettre une circulation continue de la solution à traiter dans le cyclone 2, notamment d'une solution fortement radioactive, ce cyclone est raccordé sensiblement au tiers de sa hauteur vers le bas à plusieurs tubulures d'admission, au nombre de trois dans l'exemple décrit et dont une seule, désignée par la référence 13, apparait sur le dessin. Ces tubulures sont régulièrement disposées autour de l'axe vertical du cyclone 2 à 1200 les unes des autres et sont raccordées à celui-ci de manière à s'orienter sensiblement tangentiellement à sa paroi. Cette disposition a l'avantage de permettre à la solution de pénétrer dans le cyclone en créant, avec les autres tubulures d'admission, un mouvement tourbillonnaire de vortex améliorant la séparation des phases liquide et vapeur de la façon qui sera décrite plus loin. A l'extérieur du cyclone 2, chacune des tubulures 13 précédentes est réunie à un raccord 14 comportant trois branches, chacune de celles-ci étant reliée par l'intermédiaire d'un soufflet 15 également en "PTFE" à un tube extérieur 16 s'étendant parallèlement à l'axe vertical du cyclone. Ces tubes 16, de préférence réalisés en acier inoxydable, sont entourés extérieurement par un conducteur de-chauffage 17, du genre notamment d'un fl électrique 'à conducteur axial1 direc tement brasé ou-- soudé sur la surf-ace extérieure des tubes. A leur extrémité -opposée, les trois tubes 16 de chaque tubulure 13 sont raccordés à un soufflet 18 analogue au soufflet 15, puis à un raccord trois branches 19 semblable au raccord 14 situé à l'opposé.Ce radcord "'I'9 est à son tour réuni à une tubulure 20 de même section que la tubulure d'admission 13 et venant se raccorder radialement à I-a partie inférieure du tube de prolonge ment-7 situé--dans l'axe et sous le-cyclone-2; Enfin, -sur l'une des tubulures 20 précédentes, est fixé un embout 21 'réuni à une conduite 22, cette dernière permettant d' alimenter l'appareil -ave-c la solution-à Cncentrer''qu+ à 'la-traversée du-tube 16 se vaporise partiellement puis pénètre par la tubulure 13 dans le cyctone 2 où s'effectue la séparation des deux-phases. Afin d'assurer-uné régulation du débit d'alimentation par la conduite 22 en mesurant en permanence le-niveau atteint par la solution liquide à l'intérieur du cyclone 2, celui-ci est réuni à un récipient 23, d'axe parallèle raccordé par des condui tes 24 et 25 d'une part à la bride supérieure 4 prévue à l'extré- mité du cyclone 2, d'autre part au raccord à trois branches 19, lui-même relié par -la tubulure 20 à l'extrémité inférieure du tube de prolongement 7.Dans ce-récipient 23, sont placées des sondes (non-représentées) permettant de détecter un-niveau- infé rieur et un niveau supérieur prédéterminés de la solution liquide dans le cyclone 2 et, selon -le niveau atteint, de commander --l'ouv'ert-ïïre'-ou-'-Ia- fèrmeture d'-une vanne (également non représen- tée) placée"sur- la conduite d'alimentation 22-. Enfin, sur la bri de supérieure 4, est raccordée une conduite 26, permettant de relier le cyclone 2 à un circuit de rinçage notamment par une solution d'acide nitrique en dehors des périodes d'utilisation de l'installation. La bride- supérieure 4 du cyclone permet de relier celui-ci à un conduit de liaison 27, de préférence réali-sé en verre comme le cyclone lui-même, cet élément prolongateur -contenant un empi lement d'anneaux de Raschig (non représentés) supportés au moyen de grilles perforées maintenant ces anneaux en place.A son- extrémité opposée au cyclone 2, le conduit 27 comprend une bride de raccordement 28 avec un premier élément coudé 29, lui-même réuni à un deuxième éiément ccudé 30 par un raccord 31. L'élé- ment 30 comprend à son tour une bride 32 reliée, par l'intermédiaire d'un soufflet 33, à une autre bride 34 prévue à l'extrémité supérieure d'un échangeur de chaleur 35 muni d'un circuit interne d'eau de refroidissement formé d'un ensemble de serpentins dont l'entrée et la sortie sont assurées par une conduite 36 et une conduite 37. A son extrémité inférieure, l'échangeur 35 comporte un cône d'évacuation 38 pour les produits condensés dans celui-ci; ce cgne 38 étant lui-même relié à un tube 39 débouchant dans une cuve de stockage 40. Cette cuve 40 comprend à sdn extrémité inférieure, une conduite d'évacuation 41, réunie à une électropompe 42 commandée par un moteur 43 et dont la sortie 44 permet de renvoyer le condensat ainsi prélevé dans la cuve 40, soit vers un récipient d'évacuation final (non représenté), soit au contraire vers une réserve 46 permettant un soutirage de frac tions données du condensat par l'intermédiaire d'une vanne à commande manuelle 47 et de fiacons 48. Une conduite 49 permet de mettre en permanence à l'atmosphère l'intérieur de la réserve 46. L'équipement de l'installation représentée se complète enfin au moyen d'organes mécaniques assurant le positionnement convenable des divers éléments précédents, tels notamment que des tiges de support 50 fixées à la paroi de l'enceinte 1 et comprenant à hauteur convenable des consoles 51, aptes à supporter aux niveaux appropriés, les différentes brides prévues sur le cyclone 2, le tube prolongateur 7, le récipient de repérage 23 et l'échangeur de chaleur 35. Enfin, au montage de l'appareil l'étant chéité est assurée entre les différentes brides de raccordement par des points en élastomère, non représentés pour ne pas surcharger le dessin. Le fonctionnement de l'installation de concentration ainsi réalisée se déduit aisément de la description qui précède: la solution à concentrer admise par la conduite d'alimentation 22 dans la tubulure 20 traverse le raccord à trois branches 19 puis les tubes 16 où cette solution se vaporise immédiatement au moins particllement grâce aux ctnducteurs chauffants 17. Le mélange liquide-vapeur sortant des tubes I6 est repris dans lests raccords 14 puis dans les tubulures d'admission 13 et introduit dans le cyclone 2 en créant dans celul-ci, grâce à l'orientation tangentielle de ces tubulures, un mouvement tourbillonnaire.Le concentrat liquide s'écoule par gravité dans le cyclone et vient se recueillir dans le tube de prolongement 7 où une partie de ce1ui-ci peut s'evacuer à travers la vanne 8, la conduite 9 et ï; pompe 10 vers la conduite 12, tandis qu'une autre partie est recyclée dans les tubes 16, la circulation de la solution s'effectuant en continu par thermo-siphon entre ces tubes et le cyclone à température inférieure.Simultanément, la phase vapeur de la solution s'échappe de 1 *extrémité supérieure du cyclone, traverse les anneaux de Raschig contenus dans le conduit 27 qui éliminent les traces éventuelles d'acides et vient enfin se condenser dans l'échangeur de chaleur 35 refroidi en permanence par son circuit d t eau. Le condensat recueilli au cône de sortie 38 est alors envoyé vers la cuve de stockage 40 où il est, le cas échéant, repris par la conduite 41 et la pompe 42. A la sortie de cette dernière, la conduite 44 renvoie le condensat soit vers le récipient final d'évacuation soit vers la réserve 46 permettant d'effectuer par la vanne 47 des soutirages dans les flacons 48.Au cours du fonctionnement, les sondes contenues dans le récipient extérieur 23 contrôlent en permanence le niveau de la phase liquide de la solution dans le cyclone et permettent de commander par action sur une vanne extérieure prévue sur la canalisation d'alimentation 22, l'arrivée de celle-ci dans l'appareil. Grâce aux dispositions précédentes, l'installation fonctionne ainsi en alimentation continue avec régulation de niveau. L'emploi de neuf tubes de chauffage permet dès lors de traiter un volume global très important de solution, sans cependant risquer dlatteindre à un moment donné à l'intérieur du cyclone, des conditions critiques, compte tenu du caractère fissile des ma- tières en solution. Diverses sécurités peuvent par ailleurs être prévues pour contrôler ie fonctionnement de l'installation: en particulier, il est nécessaire de provoquer une coupure immédlate de l'alimentation électrique des tubes de chauffage et de la pompe d'alimentation dès que se produit, par exemple, une rupture sur le circuit de l'eau de réfrigération de l'échangeur de chaleur. Un relais relié à un débitmètre monté en série sur la sortie de l'-échangeur assure à cet effet la protection nécessaire.En outre, des sondes auxiliaires peuvent être prévues dans le fond de l'enceinte externe afin de déclencher localement une alarme lorsque se produit une fuite quelconque dans cette enceint. Enfin, chaque tube de chauffage peut être équipé d'une sécurité thermique coupant l'alimentation électrique de l'ensemble des tubes dès que se produit une élévation anormale de la température. En fonctionnèment, les effets des dilatations des matériaux sont alsément absorbés par les soufflets en "Téflon" ou autre matière pLastique souple, qui absorbent par ailleurs les vibrations -et les & coups dus à l'ébullition de la-solution et à son fonctionnement en thermo-siphon, en protégeant également les parties en verre de l'appareil vis-à-vis des tensions internes et des chocs. Bien entendu, il va de soi que la présente invention n'est nullement limitée au seul mode de réalisation décrit et représenté à titre d'exemple, mais en embrasse au contraire toutes les variantes REVENDICATIONS le) Installation de concentration, notamment d'une solution radioactive de matière fissile, caractérisée en ce qu'elle comporte un cyclone d'axe vertical pour -la séparation des phases liquide et vapeur de la solution, comprenant une sortie -de la phase liquide ou concentrat à son extrémité inférieure, une sortie de la phase vapeur à son extrémité supérieure et au moins une entrée de la solution dans le cyclone comprenant une tubulure d'admission raccordée sensiblement tangentiellement à la paroi--du cyclone, cette tubulure étant associée à l'extérieur du cyclone à un ensemble de chauffage et de vaporisation puis réunie à l'extrémité inférieure du cyclone, une canalisation d'évacuation du concentrat liquide comprenant une vanne et une pompe d'aspiration, une conduite d'alimentation en solution à traiter raccordée sur la tubulure d'admission au voisinage de sa liaison avec l'extrémité inférieure du cyclone, un échangeur de chaleur réuni d'une part à la sortie de la phase vapeur à l'extrémité supérieure du cyclone et d'autre part à une cuve de stockage du condensat à la sortie de l'échangeur, et un dispositif de repérage du niveau de la solution dans le cyclone commandant l'alimentation de celui-ci par la solution concentrée. 2Q) Installation de concentration selon la revendication 1, caractérisée en ce que le cyclone comporte trois tubulures d'admission de la solution à concentrer, raccordées tangentiellement au cyclone et disposées à 120'vautour de son axe vertical. 3O) Installation de concentration selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque tubulure d'admission comprend deux raccords à trois branches, reliés aux extrémités de trois-tubes de chauffage et de vaporisation, comprenant chacun un élément chauffant extérieur. 40) Installation de concentration selon la revendication 3, caractérisée en ce que chaque élément chauffant est constitué par un conducteur électrique directement en contact avec la surface des tubes de chauffage. 5Q) Installation de concentration selon la revendication 1, caractérisée en ce que la canalisation d'évacuation du concentrat liquide est raccordée à l'extrémité inférieure du cyclone par un soufflet étanche acceptant les dilatations différentielles, la pompe d'aspiration du concentrat refoulant vers un filtre et une vanne de protection à commande manuelle ou électrique ou électropneumatique. 6 ) Instaliation de concentration selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de repérage comprend un réservoir extérieur muni de cinq sondes détectant respectivement un niveau supérieur et un niveau inférieur, ce réservoir étant raccordé aux extrémités du cyclone de façon à maintenir un équIlibre de pression. 7ej Installation de concentration selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'extrémité supérieur du cyclone est réunie à Ltéchangeur de chaleur par un conduit de liaison comportant des brides de raccordement et au moins un soufflet étanche, ce conduit contenant une garniture formée par un empilage d'anneaux de Raschig. 80) Installation de concentration selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cuve de stockage recueillant le condensat à la sortie de l'échangeur est réunie à une pompe de récupération dont le refoulement est relié à une autre cuve ou à un récipient de soutirage fractionné par l'intermédiaire d'une vanne manuelle. 9 j Installation de concentration selon la revendication 1, caractérisée en ce que ltechangeur de chaleur comporte une circulation séparée d'eau de refroidissement dans un ensemble de serpentins. 100i Installation de concentration selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte à la partie supérieure du cyclone une entrée pour un fluide rinçage de l'appareil. 11') Installation de concentration selon la revendication I, caractérisée en ce que le cyclone et son conduit de raccordement avec l'échangeur de chaleur sont réalisés en verre, les soufflets d'étanchéité en PTFE ('Téflsn"), les autres parties de l'appareil étant en acier inoxydable et les joints prévus au montage entre ces différents éléments étant en élastomère.