Brevet FR2478419A1 — publié le 19810918

La présente invention concerne un procédé et un appa- reil de traitement thermique utilisant les micro-ondes et, plus particulièrement, un procédé et un appareil de traite- ment thermique utilisant les micro-ondes, o une substance devant être traitée est fixée aux surfaces de corps mobiles constitués en un matériau transmettant les micro- ondes, afin d'accroître l'efficacité de l'irradiation réali- sée avec les micro-ondes. Selon la présente invention, on utilise l'expression "traitement thermique" pour désigner différents types de traitement en fonction de la nature de la substance traitée et du but recherché du traitement. De façon plus spécifique, le "traitement thermique" au sens de la présente invention recouvre différents traitements effectués en utilisant un chauffage, comme par exemple une évaporation, un séchage, un grillage, une réduction et autres ainsi que différents traitements qui sont mis en oeuvre en même temps qu'un chauf- fage, comme par exemple une opération de mélange et un broyage. Le procédé et l'appareil de traitement thermique se- lon la présente invention peuvent être utilisés d'une façon tout à fait appropriée, mais non exclusivement, dans une cen- trale de traitement de combustibles nucléaires en vue de réaliser la pulvérisation thermique de matériaux combustibles nucléaires tels que des composés du plutonium, de l'uranium et autres, ainsi que pour réaliser la pulvérisation thermi- que de déchets liquides radioactifs. Le traitement thermique utilisant les micro-ondes, qui est une sorte de chauffage direct, présente une effica- cité de chauffage plus élevée qu'un chauffage indirect, com- me par exemple un chauffage à la vapeur, un chauffage élec- trique ou analogue, de sorte que le chauffage peut être effectué en un intervalle de temps plus bref. Par conséquent ce traitement thermique présente différents avantages, lors- qu'on l'applique à des substances radioactives, comme par exemple dans le cas d'une irradiation réduite, par radio- activité et dans le cas de la production de poudres possé- dant de bonnes propriétés en raison d'une répartition uni- forme de la température. Cependant, le traitement thermique classique utili- sant des micro-ondes présente des inconvénients, énumérés ci-après, qu'il faut surmonter. En effet, lorsqu'une enceinte ou une cuve, dans la- quelle le traitement thermique est mis en oeuvre, est cons- tituée par un matériau réfléchissant les micro-ondes, le rendement d'irradiation par les micro-ondes possède une va- leur faible au point d'être inopérante. Au contraire, dans le cas o l'enceinte ou la cuve est constituée par du verre ou de l'alumine, la cuve peut être endommagée ou se casser. De même, dans le cas o la cuve est constituée en un maté- riaux transmettant les micro-ondes, tel que du polytétra- fluoréthylène, la cuve peut être brûlée par endroits en rai- son d'une absorption locale des micro-ondes. En outre, il n'est pas possible d'effectuer un traitement continu et, du point de vue d'un contrôle de la sécurité critique, il n'est pas possible de traiter simultanément une quantité importan- te de substance radioactive. On notera également qu'un appa- reil spécifique est nécessàire pour réaliser le mélange et le broyage de la substance traitée. C'est pourquoi un objet de la présente invention est de fournir un procédé et un appareil de traitement ther- mique utilisant les micro-ondes et pouvant résoudre les problèmes décrits ci-dessus de l'art antérieur. En effet un objet de la présente invention est de fournir un procédé et un appareil de traitement thermique, grâce auxquels le risque d'une rupture de la cuve de chauf- fage soit totalement évité et grâce auxquels le traitement soit mis en oeuvre avec un rendement élevé d'irradiation par les micro-ondes. Un autre objet de la présente invention est de four- nir un procédé et un appareil de traitement thermique appro- priés pour réaliser un traitement continu et permettant de mettre en oeuvre simultanément ou de façon continue diffé- rents procédés tels qu'un séchage, un grillage, une réduction et un broyage. Un autre objet de la présente invention est de four- nir un procédé et un appareil de traitement thermique, per- mettant de réduire, lorsqu'ils sont utilisés pour le traitement d'une substance radioactive, le nombre des appa- reils qui sont disposés inévitablement dans l'enceinte desti- née à recevoir la substance radioactive, et permettant un contrôle plus aisé de la sécurité critique et par conséquent permettant d'accroître la quantité de substance radioactive devant être traitée, en vue de réaliser la production de poudres possédant des propriétés appropriées pour la produc- tion de boulettes ou de granulés. Ce problème est résolu conformément à la présente invention grâce à l'utilisation d'un procédé de traitement thermique utilisant les microondes, caractérisé en ce qu'il consiste à placer, dans une cuve constituée en un maté- riau réfléchissant les micro-ondes, une substance devant être traitée ainsi que plusieurs corps sphériques constitués principalement en un matériau transmettant les micro-ondes, et à appliquer les micro-ondes tout en imprimant un mouvez ment aux corps sphériques de manière à réaliser ainsi le traitement et le chauffage de la substance. Selon l'invention il est également prévu un appareil de traitement thermique utilisant les micro-ondes, caracté- risé en ce qu'il comporte une cuve réalisée en un matériau réfléchissant les micro-ondes, une ouverture de guidage des micro-ondes destinée à permettre l'introduction avec guida- ge de ces dernières dans la cuve, une grille subdivisant l'espace à l'intérieur de ladite cuve, des dispositifs per- mettant l'introduction d'une substance devant être traitée à l'intérieur de la cuve et permettant l'évacuation de cette substance hors de ladite cuve et étant disposés dans des éléments de paroi de la cuve situés sur des côtés opposés de la grille de subdivision, plusieurs corps sphériques constitués en un matériau transmettant les micro-ondes et disposés dans la cuve du côté voisin du dispositif permet- tant l'introduction de la substance devant être traitées et un dispositif permettant d'imprimer un mouvement auxdits corps sphériques. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illus- tré schématiquement aux dessins annexés plusieurs formes de réalisation du dispositif selon l'invention, pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la présente invention. La figure 1 est un schéma illustrant le principe du procédé conforme à l'invention. La figure 2 est un diagramme illustrant l'effet apporté par l'invention par rapport à l'art antérieur. Les figures 3, 4 et 5 sont des schémas illustrant différentes formes de réalisation de l'appareil selon l'in- vention. La figure 6 est une vue en coupe prise suivant la ligne A-A de la figure 5. La figure 7 est un schéma représentant une autre forme de réalisation du dispositif selon l'invention. La figure 8 est une vue en coupe prise suivant la ligne B-B de la figure 7. En se référant à la figure 1 illustrant le principe de l'invention, on voit qu'une cuve ou un récipient métalli- que 2 est disposée dans un appareil de chauffage e micro- ondes. Une substance 3 devant être traitée est disposée dans la cuve métallique 2 ainsi que plusieurs corps sphériques solides 4 constitués en un matériau transmettant les micro- ondes, tel que du verre, de l'alumine ou analogue. Un dispositif 5 permettant de produire un mouvement est disposé à la partie inférieure de la cuve métallique 2. Cette cuve 2 peut être une machine vibrante ou une table rotative. Les micro-ondes sont introduites dans l'appareil 1 de chauffage à micro-ondes par l'intermédiaire de l'orifi- ce 6 de guidage des micro-ondes, tandis que le dispositif 5 est actionné de manière à provoquer un déplacement relatif des corps sphériques 4 par rapport à la cuve métallique 2. Etant donné que la cuve métallique 2 est réfléchissante pour les micro-ondes, l'efficacité ou le rendement du chauf- fage est réduite au niveau de la surface de la cuve. Cepen- dant l'efficacité du chauffage est améliorée dans l'ensemble de la cuve, par le fait que la substance 3 devant être chauffée adhère à la surface des corps sphériques, en quit- tant le fond de la cuve métallique 2, et, étant donné que les corps sphériques 4 sont entraînés en rotation et en déplacement, la substance 3 devant être chauffée est parfai- tement bien mélangée sans aucune stagnation, de manière à absorber les micro-ondes avec un rendement élevé. Le chiffre de référence 7 désigne un orifice d'évacuation des gaz. Dans le cas o la substance devant être chauffée est un ma- tériau-radioactif, il est nécessaire de prévoir différents équipements ou appareillages tels qu'une plaque destinée à empêcher l'écoulement inverse de la substance radioactive, un dispositif permettant d'empêcher l'inversion de l'écoule- ment du gaz, un dispositif de traitement des effluents ga- zeux, et autres. La figure 2 montre le résultat d'un essai comparatif effectué en vue de confirmer la supériorité de la présente invention par rapport à l'art antérieur. On a placé dans une cuvette métallique une bouillie contenant 10 à 20 % en poids d'hydroxyde d'aluminium et d'hydroxyde de fer, que l'on a chauffée en appliquant des micro-ondes. On a tracé la courbe i5 de variation de la vitesse d'évaporation de l'eau en fonction de la durée de chauffage. La courbe en trait plein représente la courbe caractéristique obtenue en utilisant le procédé conforme à l'invention et selon lequel on utilise des corps sphériques transmettant les micro-ondes, tandis que la cour- be formée de tirets représente la courbe caractéristique obtenue avec le procédé classique n'utilisant pas de corps sphériques. D'après les résultats de cet essai, on comprend que, pourvu que l'on utilise une cuvette métallique ne pré- sentant aucun risque de rupture, il est possible de réduire d'au moins 10 à 15 minutes la durée de chauffage en vue d'obtenir la même vitesse d'évaporation que celle obtenue en utilisant le procédé classique. Le procédé conforme à l'invention peut être appliqué non seulement pour réaliser un simple chauffage, mais égale- ment pour réaliser différents traitements continus, comme on le comprendra d'après la description qui suit. La figure 3 montre un appareil permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Une cuve métallique cylindrique verticale 11 comporte, à sa partie supérieure, un organe 12 permettant d'introduire la substance devant être traitée, et, à sa partie inférieure, un dispositif 13 permettant d'évacuer les poudres obtenues. Une grille 14 prévue à la partie inférieure de l'espace interne à la cuve cylindrique verticale Il supporte plusieurs corp sphériques constitués en un matériau transmettant les micro-ondes. Une machine vibrante 16 disposée au niveau de la face infé- rieure de la cuve 11 permet de mettre en mouvement les corps sphériques 15. La face supérieure de la cuve 11 est rac- cordée à un orifice 18 de guidage des micro-ondes et à un orifice 19 d'évacuation des gaz, par l'intermédiaire d'un système 17 absorbant les vibrations, du type en forme de soufflet. Une membrane 20 empêchant un mouvement inverse de la substance et du gaz est disposée au voisinage de l'orifi- ce 18 de guidage des micro-ondes. Lors du fonctionnement, la substance devant être traitée est introduite par l'organe d'amenée 12 à l'intérieur de la cuve fermée il et est dispersée ou pulvérisée sur les surfaces des corps sphériques 15, de sorte que ladite subs- tance forme une pellicule sur chacun de ces corps. On appli- que ensuite les micro-ondes de manière à réaliser le chauffa- ge, cependant que la machine vibrante 16 entraîne en mouve- ment les corps sphériques, de sorte que la substance devant être traitée absorbe de façon efficace les micro-ondes sans aucune stagnation sur le pourtour de la paroi métallique de la cuve 1. En outre, en raison du frottement et des chocs intervenant entre des corps sphériques voisins 15, la subs- tance devant être traitée est séparée de ces corps sphériques et est broyée ou pulvérisée. L'adhérence de la substance à la surface des corps sphériques prolonge, de façon correspon- dante, la durée de séjour de la substance dans la cuve, de sorte que l'absorption des micro-ondes peut s'effectuer avec un rendement élevé. Par conséquent la substance devant être traitée, qui est envoyée par l'intermédiaire de l'organe d'amenée 12, est chauffée de façon continue de sorte qut'elle est dissociée en produisant des gaz et des poudres qui sont évacués par l'intermédiaire de l'orifice 19 d'évacuation des gaz et par l'intermédiaire du dispositif 13 d'évacua- tion des poudres. Dans l'appareil représenté sur la figure 3, l'orifi- ce 18 de guidage des micro-ondes et l'organe 12 d'amenée de la substance devant être traitée sont disposés dans une par- tie supérieure de la cuve fermée 11. Le nombre et les posi- tions de l'orifice 18 de guidage des micro-ondes et de l'organe 12 d'amenée de la substance dans la forme de réali- sation décrite ne sont cependant pas exclusifs et on peut les modifier et les choisir en fonction des besoins. De même le système d'absorption des vibrations du type à souf- flet peut être remplacé par un autre type de dispositif absorbeur de vibrations, comme par exemple un dispositif du type en forme de cylindre. Il est également possible de prévoir un orifice de ventilation par air (non représenté) au voisinage de la membrane 20, afin d'empêcher la contamina- tion de cette dernière, et afin de réaliser le contrôle de la sécurité critique en utilisant une substance contenant un poison absorbant les neutrons, en tant que matériau des corps sphériques 15. En tant que poison absorbant les neu- trons, on peut utiliser des composés de bore ou de gadoli- lium et le matériau constituant le poison peut être logé dans un coeur ou noyau situé dans le corps sphérique. On notera également qu'il est possible de déplacer selon un mouvement ascendant ou descendant la grille 14 afin de réduire ou d'accroitte le volume de l'espace de la chambre de traitement et afin d'accroître ou de réduire le nombre des corps sphériques utilisés, ce qui permet de con- trôler le temps de séjour de la substance devant être trai- tée dans la cuve et, par conséquent, de contrôler la taille des particules des produits traités. Ci-après on va décrire une autre forme de réalisa- tion du dispositif selon l'invention. Les parties de ce dispositif, qui sont identiques à des parties de la première forme de réalisation de la figure 3, sont désignées par les mêmes chiffres de référence et l'on ne donne aucune explica- tion détaillée concernant ces parties. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 4, il est prévu deux étages munis chacun d'une grille 14. Chaque étage formé d'une grille supporte plusieurs corps sphériques 15. Le déplacement des corps sphériques est limité à une valeur telle que l'espace situé au-dessus de l'étage supérieur formé d'une grille 14 est utilisé pour l'évaporation et le séchage, tandis que l'espace situé au- dessus de l'étage inférieur est utilisé pour le grillage et la réduction. Si cela est requis, il est possible de prévoir 2478-41 9 un orifice d'introduction pour le gaz de grillage et de réduction. Bien que ceci ne soit pas représenté, le disposi- tif représenté sur la figure 4 peut être subdivisé en un étage supérieur et en un étage inférieur, de telle manière que la partie inférieure de l'étage supérieur soit contrac- tée ou rétrécie pour son raccordement à la partie supérieu- re de l'étage inférieur. * Dans une autre forme de réalisation représentée sur la figure 5, le déplacement des corps sphériques 15 est obtenu grâce à un mouvement de rotation et à l'action de la pesanteur. La cuve fermée il possède une forme conique ren- versée et est supportée, avec possibilité de rotation, par un dispositif formant palier de support 22, l'axe de la cuve étant incliné. Comme dans le cas des autres formes de réali- sation décrites précédc-m.ent, une grille 14 est disposée à l'intérieur de la cuve 11. Simultanément plusieurs corps sphériques 15 sont disposés au-dessus de la grille 14. Comme on peut le voir sur la figure 6, plusieurs chicanes 23 sont ménagées sur la surface intérieure périphérique de la cuve fermée, de manière à faire saillie à l'intérieur de cette dernière. La cuve fermée Il peut être entraînée en rotation au moyen d'un dispositif d'entraînement (non représenté), de telle manière que la substance à chauffer et les corps sphé- riques 15 sont entraînés en mouvement. Simultanément les micro-ondes sont appliquées par l'intermédiaire de l'orifice 18 de guidage des micro-ondes, de manière à chauffer la substance devant être chauffée ainsi que les corps sphériques 15. Les chicanes 23 agissent de manière à accroître les chocs réciproques et le frottement réciproque des corps sphé- riques 15. Dans la forme de réalisation décrite, la cuve fer- mée possède la forme d'un cône renversé et est montée en ayant son axe incliné. Cependant la cuve fermée peut possé- der une forme cylindrique et être montée de manière que son axe soit disposé horizontalement. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 7, contrairement aux formes de réalisation décrites précédemment dans lesquelles le mouvement des corps sphéri- ques est provoqué par des vibrations et une rotation de la cuve fermée elle-même, ladite cuve fermée Il de même est maintenue fixe. En effet la forme de réalisation de la figu- re 7 inclut- une pale rotative 25 montée de façon à pouvoir tourner dans la cuve 11 et de manière à pouvoir être entral- née en rotation par un dispositif d'entraînement (non repré- senté) de manière à entraîner en déplacement les corps sphé- riques 15, comme cela est visible sur la figure 8. La lame rotative n'a pas besoin d'être plate, comme cela est illustré. Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à plusieurs de ses formes de réalisation préfé- rées, ces dernières ne sont pas exclusives et on peut y apporter, selon le besoin, des modifications et des change- ments. Dans le procédé et l'appareil de traitement thermi- que selon la présente invention, décrits précédemment, le problème d'une rupture de la cuve chauffante est totalement exclu étant donné que la cuve peut être constituée en un métal. En outre la présente invention garantit un rendement élevé d'irradiation par micro-ondes et peut être utilisée de façon appropriée pour un traitement thermique continu. En outre la présente invention peut être appliquée à diffé- rents processus tels que le séchage, le grillage, la réduc- tion, le broyage et autres, qui sont mis en oeuvre en même temps que ou après le chauffage, de manière à permettre un accroissement remarquable de la quantité de substance à traiter. Le procédé et l'appareil selon la présente inven- tion présentent des avantages remarquables en particulier lorsqu'ils sont appliqués au traitement de substances radie actives. Dans de tels cas d'utilisation, il est possible de réduire le nombre des équipements ou appareillages installés dans la zone contaminée par les substances nucléaires et, dans certains cas, il est possible d'effectuer plusieurs travaux tels que le séchage, le grillage, la réduction et le broyage, au moyen d'un seul appareillage, de sorte que l'on peut simplifier le système de traitement dans son ensemble et que l'on peut en réduire la taille. De plus on peut effec- tuer aisément le contrôle de la sécurité critique en choi- sissant la forme des corps sphériques, l'utilisation du maté- riau contenant le poison pour les neutrons en tant que maté- riau destiné à constituer les corps sphériques,-etc., de manière à accroître la quantité de matière traitée. De même le procédé et l'appareil selon la présente invention peuvent être utilisés d'une manière efficace dans la production de poudres ayant pour propriété de pouvoir être mises sous la forme de boulettes ou de granulés de combustible nucléaire. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement thermique utilisant les micro-ondes, caractérisé en ce qu'il consiste à placer dans une cuve (2, 11) réalisée en un matériau réfléchissant les micro-ondes, une substance (3) ainsi que plusieurs corps sphériques (4, 15) constitués essentiellement en un matériau transmettant les micro-ondes et à appliquer les micro-ondes tout en imprimant un mouvement aux corps sphériques (4, 15) de manière à chauffer et traiter ainsi la substance (3). 2. Procédé de traitement thermique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que ladite substance (3) devant être traitée est introduite de façon continue dans la cuve (2, 11) à partir de la face supérieure de la cuve et est évacuée en permanence à partir de la face inférieure de la cuve. 3. Procedé de traitement thermique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que lesdits corps sphériques (4, 15) contiennent un matériau qui est un poison pour les neutrons. 4. Appareil de traitement thermique utilisant les micro-ondes, caractérisé en ce qu'il comporte une cuve (11) réalisée en un matériau réfléchissant les micro-ondes, une ouverture (18) de guidage des micro-ondes destinée à intro- duire ces dernières, en les guidant, à l'intérieur de la cuve (11), une grille (14) subdivisant l'espace à l'inté- rieur de la cuve, des dispositifs (12, 13) permettant d'ame- ner une substance devant être traitée à l'intérieur de la cuve et permettant d'évacuer la substance hors de ladite cuve et qui sont disposées au niveau d'éléments de paroi de la cuve (11), situés sur des côtés opposés de ladite grille de subdivision (14), plusieurs corps sphériques (15) constitués en un matériau transmettant les micro-ondes et placés dans la cuve (11) sur le côté voisin du dispositif (12) permettant d'amener la substance devant être traitée, et un dispositif (16) permettant d'imprimer un mouvement aux corps sphériques (15). 5. Appareil de traitement thermique selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que plusieurs grilles (14) sont disposées dans la cuve (11) de manière à former plusieurs étages, à une distance appropriée les uns des autres. 6. Appareil de traitement thermique selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que la grille (14) est mobile suivant la direction longitudinale de la cuve (11). 7. Appareil de traitement thermique selon la revendi- cation 4, caractérisé par le fait que le dispositif (16) permettant d'imprimer un mouvement aux corps sphériques est constitué par un système vibrant permettant de mettre en vibrations la cuve (11). 8. Appareil de traitement thermique selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que le dispositif (16) comporte une palette rotative (25) montée dans la cuve (11). 9. Appareil de traitement thermique selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que la cuve (11) est disposée verticalement. 10. Appareil de traitement thermique selon la reven- dication 4, caractérisé en ce que la cuve (11) est disposée en étant inclinée. 11. Appareil de traitement thermique selon la reven- dication 4, caractérisé en ce que la cuve (11) est disposée horizontalement. 12. Appareil de traitement thermique selon la reven- dication 4, caractérisée en ce que les corps sphériques (15) contiennent un matériau qui est un poison pour les neutrons.