Brevet FR2472250A1 — publié le 19810626

1.- 2472250 L'invention concerne un procédé et un dispositif pour vider les gaines des barres combustibles nuclé- aires pour réacteurs à eau bouillante, à eau pressurisée ou sur- régénérateurs, par entaille mécanique de la gaine des combusti- bles nucléaires, en particulier de matières combustibles nucléaires irradiées qu'elles contiennent. Après leur mise en oeuvre dans les réac- teurs nucléaires, les éléments combustibles irradiés, c'est-à- dire brûlés, sont entreposés puis retraités. L'uranium et le plutonium, le plus souvent présents sous forme dioxydes, sont ici séparés des produits de fission, puis retransformés en éléments combustibles. Les produits de fission et les restes des tubes de gainage sont conditionnés et envoyés dans un dép8t définitif. On connaît plusieurs procédés pour retrai- ter les éléments combustibles irradiés, c'est-à-dire brûlés. Un procédé a été présenté ("lEntsorgung der Kerntechnik", compte-rendu du sumposium du 19/20.1.76 à Mainz, édition de Deutschen Atomforum e.V., Bonn), selon lequel les éléments ou barres combustibles sont amenés perpendiculairement à une cisaille hydraulique à faisceaux. Cette cisaille découpe les barres combustibles en courts segments d'environ 5 cm de long. Ces segments de barre contenant la matière combustible nucléaire irradiée, tombent dans un panier de dissolution, o l'on dissout la matière combustible nucléaire irradiée des tubes de gainage avec de l'acide nitrique chaud. Le combustible nucléaire dissous est traité ensuite par les procédés d'extraction. Ce procédé présente des inconvénients importants. La disponibilité des cisailles à faisceaux, très coûteuses, est faible, car la processus de dissolution doit se dérouler de façon discontinue, par suite de l'évacuation régu- lière des gaines à combustible vides. De plus, la vitesse de coupe de la cisaille est relativement peu élevée, car elle est commandée par la quantité des gaz de rejet radioactifs dégagés lors de la dissolution. Cette commande est nécessitée par l'alimentation obligatoirement régulière du dispositif de fil- tration des gaz de rejet. La conformaUion coûteuse dictée par l'amenée perpendiculaire des éléments combustibles rend en outre la cisaille extrêmement fragile, de sorte que l'on doit disposer d'au moins une autre cisaille de réserve. Le panier de dissolu- 2-- 2472250 tion nécessaire, que Von doit pouvoir évacuer, complique encore la construction du dispositif de dissolution et la rend fragile, et empêche en outre le déroulement continu de l'opération de dissolution. Un autre inconvénient consiste en ce que, lors de l'opération de dissolution dans l'acide nitrique chaud, du tritium radioactif est libéré par les gaines, et son élimi- nation pose des problèmes. Il est également défavorable que dans chaque cas les gaines doivent être lavées après leur expulsion du dispositif de dissolution, avant d'être conditionnées et stockées définitivement. Un autre procédé de retraitement est connu sous le nom de "Vol-oxydation". Dans ce procédé, les segments de barre avec le combustible nucléaire irradié, sont chauffés dans un four, dans un courant d'air, à 400-5000 C, et oxydés. Les pastilles de dioxyde d'uranium se décomposent alors en U308 pulvérulant, et les produits de fission s'oxydent également dans la mesure du possible. Le mélange' pulvérulent est séparé des gaines par voie mécanique,-et il est ensuite introduit dans le dispositif de dissolution, qui ne contient donc plus de panier de dissolution. Un processus de dissolution continu est donc possible, mais il comporte des inconvénients considérables. Le processus d'oxydation dans le four modifie la structure du réseau de l'uranium et des autres éléments parti- cipants. De ce fait, des quantités importantes d'isotopes radio- actifs gazeux des éléments iode et krypton sont libérés, ce qui implique une coûteuse installation de filtration. Il en est de même pour le tritium, qui est libéré par les gaines en propor- tions élevées à la température du four. Etant donné qu'au cours de la dissolution ultérieure, d'autres quantités de ce gaz radioactif se dégagent, on doit prévoir en deux endroits au moins du dispositif, de prendre des mesures pour le traitement compliqué des gaz de rejet radioactif. La mise en oeuvre des fours pour l'oxydation dé matières hautement radioactives est également liée à des difficultés, et la séparation mécanique des gaines signifie également une étape coûteuse. On connait également des propositions de méthodes d'élimination des tubes de gainage entourant le combustible, autrement que par tronçonnage des éléments ou barres combustibles avec une cisaille à faisceau. - Ainsi, le brevet DE- 1 042 777 décrit un dispositif, qui permet de découper et éliminer les gaines sous l'eau et de broyer ensuite le combustible. Le fonctionnement de ce dispositif exige cependant que le combustible constitue d'une pièce cohérente, sous forme de barre, et ne convient donc pas pour vider les gaines remplies de pastilles. Un autre incon- vénient est constitué par la dépense considérable qu'entraîne la construction de pièces mobiles et fragiles, qui exclut pra- tiquement la mise en oeuvre pour un traitement industriel, d'éléments combustibles irradiés, en cellules chaudes. Le brevet US 2 880 636 décrit un dispositif, qui permet d'obtenir des fentes longitudinales dans la gaine, et de la plier en deux bandes au moyen de coins. L'inconvénient réside ici avant tout dans la grande usure des outils de coupe, qui entra ne des temps morts consacrés aux réparations. De plus, la fixation précise des barres combustibles, nécessaire pour pratiquer une fente convenable, soulève des problèmes.. Le brevet DE 1 280 427 décrit également un dispositif qui permet, avec des gaines de forme particulière- ment rigides, comme par exemple des tubes de gainage munis de profilés de refroidissement, de séparer la gaine du combustible nucléaire par des fentes longitudinales. Par un système compliqué de poussoirs, la matière combustible est poussée à travers une plaque perforée en même temps qu'on effectue la fente longitu- dinale, ce dispositif n'est pas adapté pour les éléments combustibles irradiés des réacteurs à eau bouillante ou à eau pressurisée, car ces éléments sont longs et leur forme ntest pas rigide. Un autre inconvénient est que l'on doit séparer au moins le premier capuchon d'obturation terminale avant d'opérer, et que le dispositif comporte de nombreuses pièces mobiles. On peut séparer à l'aide d'une machine éliminant l'enveloppe de la gaine, décrite dans le brevet DE 2 108 041, la gaine extérieure d'un élément combustible d'un réacteur refroidi au sodium liquide. Les gaines combustibles proprement dites ne sont'toutefois pas concernées. En conséquence, l'invention a pour objectif de proposer un procédé et un dispositif pour vider les gaines des barres combustibles nucléaires pour réacteurs à eau bouillante à eau pressurisée ou surrégénérateurs par entaille mécanique de la gaine des combustibles nucléaires, en particulier de 4l..- 2472250 matières combustibles nucléaires irradiées qu'elles contiennent, qui pouisse fonctionner sans dispositif mécanique compliqué, qui demande peu de réparations et qui se répare facilement, qui assure un rendement élevé et fournisse immédiatement une poudre de matière combusible nucléaire utilisable directement pour le retraitement. A cet effet l'invention propose que la gaine est entaillée suivant un tracé hélicoïdal et que l'entaille est élargie par pliure et/ou torsion de la partie entaillée de la gaine. L'opération d'ouverture s'effectue de préférence au moyen d'une opération de coupe. Si les gaines-sont en acier inoxydable, il s'est révélé surtout avantageux d'entailler d'abord la gaine le long d'une ligne hélicoïdale et ensuite, en imprimant une tension aux entailles hélicoïdales, de faire sauter celles-ci. L'avantage de ce procédé, c'est que l'outil d'entaille-ne s'use pas sur le combustible céramique. De plus, les copeaux métalliques obtenus peuvent 4tre maintenus séparés du combustible. Par détorsion de la bande hélicoïdale obtenue par les entailles, le combustible est complètement libéré par pliage et/ou torsion de la partie entaillée de la gaine, de telle façon qu'il peut s'écouler et être collecté dans -un récipient approprié. La gaine sera pliée de préférence suivant un angle de 10 à 400. Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre de préférence dans un dispositif qui est essentiellement constitué par un carter, o sont logés les amenée, évacuation et guidage des gaines, un dispositif de transport et un organe destiné à entailler les gaines, dispositif caractérisé en ce que le dispositif de transport et l'élément pour l'entaille se pré- sentent sous la forme d'une paire de galets entrainés séparément, disposés de façon coaxiale l'un à c8té de l'autre, que cette paire-de galets composée d'un galet de transport et d'un galet d'entaille et les deux galets d'appui servant au guidage des tubes de gainage, sont directement opposés et décalés chaque fois de 1200, l'axe des galets formant toujours un angle de 30 à 600 avec l'axe des gaines, et que l'amenée des gaines forme un angle avec leur évacuation. L'invention sera mieux comprise à 1' aide de la figure unique annexée, représentant schématiquement, à 5.- 2472250 titre d'exemple, un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Les barres combustibles 2 provenant par exemple d'un stockage intermédiaire, sont constitués par une gaine 1i qui contient les "pellets" ou billes de matière combustible 3 (désignés par "pellets" dans la suite de la demande) consumés, préparés normalement à partir de céramique frittée0 Les barres combustibles 2 sont transportées sur une base appropriée, telle qu'une t8le profilée,horizontalement par rapport au dispositif à entailler 4, et introduites dans l'amenée de gaines 5. Au moyen du galet transporteur 7 entraîné, qui présente sur sa périphérie des dents 6 espacées de 2 mm par exemple, et ayant un flanc escarpé dans le sens du transport, la gaine 1 est conduite avec les peIlts de combustible 3, en direction axiale entre les galets dtppui 9 non entrainés et le galet d'entaille 8 entraîné. Ces galets sont directement opposés et ils sont décalés chaque fois de 1200, l'axe des galets formant un angle de 30 à 600 avec l'axe de la gaine. La gaine introduite décrit ainsi un mouvement hélicoïdal. Les galets de transport 7 et le galet d'entaille 8 sont de préfé- rence portés séparément par des ailes orientables 10, 11. Le rayon de courbure des dents 6 du galet de transport 7 est adapté au rayon des barres de combustible, des variations de 10 à 15 % du diamètre des barres pouvant être aisément compensées. Les pressions qu'exercent le galet de transport 7 et le galet d'entaille 8, sur la gaine 1 sont réglables séparément de l'extérieur par des éléments tendeurs 12, 13. Les pellets de combustible 3 sont désa- grégés en poudre et en morceaux, et la gaine 1 est entaillée suivant un tracé hélicoïdal par les forces d'entaille et d'avan- cement. Le galet d'entaille 8 comporte par exemple un diamètre d'environ 100 mm-pour des diamètres de barre combustible de 11 à 13 mm. La grande circonférence ou longueur de la coupe qui en résulte pour le couteau, garantit une très faible usure. Le galet d'entaille 8 et le galet de transport 7 sont entratnés de préférence à des vitesses différentes, et il est particuliè- rement favorable d'entraîner le galet d'entaille 8 environ 30 % plus rapidement que le galet de transport 7. La bande hélicoi- 4o dale de la gaine 14 obtenue est légèrement détournée d'un 6.- 2472250 angle de 10 à 40 , sur une plaque de déviation 16, reliée par exemple à l'évacuation de la gaine 15, l'entaille 17 étant ainsi élargie, et la gaine allant alors dans un magasin de débris de gaines. Le combustible désagrégé 17 s'écoule par la fente de la bande hélicoïdale de gainage par exemple dans une réserve 20 à combustible. LaIfente 17 a une largeur de 6 à 15 mm, suivant la dimension de la gaine au départ. Le dispositif d'entaille 4 est entouré d'un carter 19, qui fournit l'entralnement nécessaire aux galets de transport 7 et d'entaille 8, Le dispositif d'en- taille 4 selon l'invention,qui peut être éventuellement rempli de gaz inerte, effectue par exemple la vidange complète d'au moins 6 m de barre combustible par minute. Ainsi par exemple, la vidange complète de barres combustibles de 4,5 m de long, à gaines en zircaloy, dont les dimensions sont de 11,7 x 0,4 mm, avec des bouchons soudés des deux c8tés, et remplies de pellets de dioxyde d'uranium frittés, compactés à 95 %, s'effectue. en à 40 secondes, les peMets étant broyés en poudre ou en miettes. Le matériau employé pour le galet d'entaille 8, est de l'acier à outils trempé. Le dispositif d'entaille présente une structure peu fragile et peu susceptible de défaillance, du fait que les galets, qui sont les seules pièces mobiles, sont faci- lement remplaçables carils ne sont reliés au boitier que par des liaisons en fiches. Les galets d'appui 9 sont de préférence adaptés, sur la surface périphérique des galets, au diamètre de la gaine, et ils sont réglables et échangeables de ltextérieur du boitier 19, au moyen de fixations 21. Les tubes hélicoïdaux 14 vides, contenant cependant la presque totalité du tritium sont transportés du magasin de débris de tubes vers un dispositif de compactage et/ ou conditionnement, o peut s'effectuer éventuellement une réduc- tion de volume des débris encombrants, avant leur incorporation dans une matrice non lixiviable et leur emballage pour le stockage définitif subséquent. Les tubes hélicoïdaux 14 vides peuvent être nettoyés avant le compactage et le conditionnement. Comme le dispositif d'entaille fonctionne à la température ambiante, il ne s'échappe pratiquement pas de tritium, et en raison du broyage mécanique, pratiquement pas de gaz de rejet radioactifs. Le carter 19 du dispositif d'entaille 4 -7._ 2472250 selon l'invention présente de préférence la forme d'une trémie, ét il est directement relié à un magasin 20 à poudre pour le combustible nucléaire, qui comporte un dispositif d'évacuation et de dosage 22 pour le transfert du combustible nucléaire dans le récipient de dissolution en vue du retraitement. Le combus- tible nucléaire irradié est soumis à une dissolution continue, sans panier à gaines, dans l'acide nitrique chaud, le dosage s'effectuant de façon que les gaz de rejets radioactifs libérés et les oxydes d'azote formés, arrivent sur le filtre à gaz de rejet en quantité optimale. Le procédé et le dispositif selon l'inven- tion conviennent pour toutes les barres combustibles des réacteurs à eau bouillante, à eau pressurisée ou surrégénérateurs, quel que soit le matériau des gaines, comme par exemple l'acier ou le zircaloy, et quelle que soit la forme du combustible contenu, comme par exemple les oxydes ou carbures. 8.- 2472250 REVENDICATIONS 1.- Procédé pour vider des gaines des barres combustibles nucléaires pour réacteurs à eau bouillante, à eau pressurisée ou surrégénérateurs, par entaille mécanique de la gaine des combustibles nucléaires, en particulier de matières combustibles nucléaires irradiées, qu'elles contiennent, procédé caractérisé en ce que la gaine (1) est entailée suivant un tracé hélicoïdal et que l'entaille est élargie par pliage et/ou torsion de la partie entaillée de. la gaine (1). 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entaille s'effectue par une opération de coupe. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en-ce que l'entaille s'effectue,-si les gaines sont en acier inoxydable, par encochage et application subséquente d'une tension de traction sur l'entaille hélicoïdale. 4.- Procédé selon l'une quelconque des' revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la gaine entaillée est pliée directement après l'opération d'entaille sur un angle de 10 à 400. 5.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, constitué par un carter, o sont logés les amenée, évacuation et guidage des gaines, un dispositif de transport et un organe destiné à entailler les gaines, dispositif caractérisé en ce que le dispositif de transport (7) et l'élément pour l'entaille (8) se présentent sous la forme d'une paire de galets entraînés séparément, disposés de façon coaxiale l'un à c8té de l'autre, que cette paire de galets composée d'un galet de transport (7) et d'un galet d'entaille (8) et les deux galets d'appui (9) servant au guidage des tubes de gainage, sont directement opposés et décalés chaque fois de 1200, l'axe des galets formant toujours un angle de 30 à 600 avec l'axe des gaines, et que l'amenée (5) des gaines, forme un angle avec leur évacuation (15). 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé ?n ce que le galet de transport (7) et le galet d'entaille (8) sont posés séparément sur des ailes (10, 11) articulées. 7 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le galet de transport (7) et le galet d'entaille (8) sont entraînés à des vitesses différentes. o8 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 a 7, caractérisé en ce que l'&vacuation de la gaine (15) est muni d'une plaque de déviation (16) formant un.angle de 10 à 40O avec l'amenée de la gaine (5). 9 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les galets d'appui (9) sont ajustés sur la surface périphérique des galets, au diamètre des gaines, et qu'ils sont réglables et échangeables depuis l'extérieur du boitier (19) au moyen de fixations (21). ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la pression des galets de transport (7) et d'entaille (8) est réglable séparément de l'extérieur, au moyen d'éléments tendeurs (12, 13). 11 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que le boitier (19) a la forme d'une trémie et qu'il est relié à un magasin à poudre (20) pour le combustible nucléaire, muni de dispositif d'évacuation et de dosage (22).