Brevet FR2479542A1 — publié le 19811002

Nouveaux matériaux barrières utilisables pour le conditionnement des effluents radioactifs. La présente invention concerne des nouveaux maté- riaux barrières qui, à ce jour, n'ont jamais été adaptés ni utilisés pour le conditionnement et/ou le stockage d'effluents et de déchets radioactifs. Le développement de l'énergie nucléaire conduit à la production de quantités toujours plus grandes d'effluents et de déchets radioactifs de toutes sortes qu'il convient - - d'une part, de séparer et de confiner sous un volume minimal, - d'autre part, éventuellement après une certaine durée de décrois- sance ou d'évolution, de stocker dans des conditions de sécurité particulièrement strictes. Dans la première phase de ces opérations, on amène- ra, s'ils ne le sont pas déjà, les effluents sous une forme solide et on les enrobera dans une matrice solide convenable susceptible de résister aux agressions mécaniques, physiques ou chimiques provenant des matériaux radioactifs eux-mêmes ou du milieu extérieur. Dans la deuxième phase, les effluents dispersés dans ladite matrice solide seront "conditionnés" de façon a pouvoir être conservés pendant des durées plus ou moins longues qui seront nécessaires à l'évolution du matériau radioactif, puis au stockage proprement dit dudit matériau. La présente invention consiste dans le choix d'un matériau convenable utilisable pour le conditionnement et/ou le stockage des effluents radioactifs dispersés dans une matrice solide. Pour réaliser ledit conditionnement, on a jusqu'à ce jour préconisé l'emploi d'acier, éventuellement revêtu d'alliages inoxydables, de béton, de bois ou encore de matières plastiques. Ainsi, lorsque l'on veut conditionner lesdits effluents radioactifs contenus dans une matrice solide dans des conteneurs en vue d'un stockage immédiat dans un site convenable, on a préconisé l'emploi - de conteneurs en acier noir d'un volume compris entre 50 et 400 1, avec une épaisseur d'acier variant entre 0,6 et 2 mm. Ces conteneurs sont fermés avec un couvercle muni d'un joint en caoutchouc. L'extérieur des conteneurs est généralement recouvert d'une peinture ou d'un enduit de 30 à 110 microns d'épaisseur. Un 247954C revêtement de 100 microns environ sous forme d'acier inoxydable au chrome a été également proposé et utilisé. - de conteneurs en acier noir avec un revêtement intérieur en béton, de manière à obtenir une protection biologique efficace contre le rayonnement; - de conteneurs en tôle d'acier noir d'une épaisseur pouvant aller jusqu'à 10 mm, permettant de disposer d'un volume de plusieurs mètre cubes, et de forme cylindrique ou parallélépipédique, selon les cas; - de conteneurs en béton, avec des épaisseurs de paroi allant de 100 à 350 mm, avec le plus souvent un revêtement en acier à l'intérieur et un ferraillage du béton; - de conteneurs en bois avec un conteneur plastique étanche disposé à l'intérieur; - de conteneurs moulés en matières plastiques, souvent avec une arma- ture en fibre de verre (résines polyester armé). tous ces conteneurs, même les plus élaborés, pré- sentent des difficultés techniques certaines provenant, soit de leur dégradation potentielle dans le temps (vieillissement), soit de leur résistance insuffisante à la corrosion> soit d'une sensibilité trop importante vis-à-vis de la température ou des variations de celle-ci, soit enfin d'un poids exagéré. Il a été trouvé, et c'est là le but de la présente inventionque l'amianteciment dense constituait un matériau de choix pour le conditionnement des effluents radioactifs dispersés dans une matrice solide. L'amiante-ciment choisi est un matériau comportant un fort dosage en ciment (de l'ordre de 1 500 kg au mètre cube), une fine granulométrie due au mélange d'environ 85% de ciment présentant environ 3000 à 4000 cm /g de surface spécifique BLAINE et d'envi- ron 15% d'amiante à 20 000 cm /g et une densité supérieure à environ 1,75 g/cm3 obtenue grâce à l'application en tête de machine formatrice d'une forte compression favorisant la liaison et la densification des couches successives de matériau. Les valeurs données ci-dessus sont des valeurs moyennes. L'homme de l'art pourra adapter, d'une part, 247954e les matériaux de départ et, d'autre part, les conditions de mise en oeuvre pour obtenir un matériau acceptable pour l'application visée. Par ailleurs, les techniques de mise en oeuvre de ce matériau amainteciment, notamment pour la production de tubes ou tuyaux, sont connues et industrialisées et permettent l'obtention de tubes ou tuyaux présentant des diamètres, des épaisseurs et des-pro- priétés adaptés aux problèmes de conditionnement mentionnés ci-dessus. Parmi les propriétés de cet amiante-ciment spécia- lement intéressantes pour ledit conditionnement> on peut mentionner - une densité suffisante pour que l'on puisse envisager la réalisa- tion d'une protection biologique raisonnable par utilisation d'une épaisseur d'amiante-ciment comprise entre 30 et 100 mm; (cas des déchets oy de faible activité spécifique et des déchets émetteurs a); - des résistances mécaniques appréciables; ces propriétés seront spé- cialement intéressantes lors du transport de produits dans des conteneurs en amiante-ciment, ainsi que pour l'empilement des colis et leur enfouissement sous terre, car ces conteneurs devront résister à des efforts ou à des chocs potentiels; - une stabilité dans le temps démontrée par des.études portant sur près de 70 années; - une résistance élevée aux corrosions diverses (eaux souterraines, courants vagabonds, bactéries, gaz carbonique> etc.) que l'on peut rencontrer lors des stockages souterrains; - une étanchéité remarquable vis-à-vis des gaz et de l'eau due à une porosité extrêmement fine et au colmatage progressif de ces pores, au cours du temps, sous l'influence d'agents extérieurs (par exemple carbonatation); - une très grande résistance (et une bonne stabilité) lors des varia- tions de température. Ainsi, l'amiante-ciment est considéré comme pouvant supporter, sans variation notable de ses propriétés, des températures comprises entre -50 et +3000C environ. L'ensemble de ces propriétés fait ressortir que l'amiante-ciment dense constitue bien un matériau de choix pour di- verses réalisations de conditionnement des déchets et/ou des effluents radioactifs dispersés dans une matrice solide. One donne ci-après deux modes d'utilisation de ce matériau. On peut tout d'abord employer ce matériau dans les stockages intermédiaires d'effluents de haute ou moyenne activité, ledit matériau étant alors utilisé comme structure de fractionnement de la masse desdits effluents solidifiés. On sait que les effluents (déchets) de haute acti- vité doivent, après avoir été dispersés dans une matrice solide con- venable (verre par exemple), être conservés dans des stockages inter- médiaires o ils perdent la plus grande partie de leur radioactivité, jusqu'à ce que le dégagement thermique résiduel soit compatible avec un stockage final dans des formations géologiques. Ces effluents seront ensuite stockés de la même manière que les effluents d'acti- vité ou de charge thermique moindre. Pour le cas de structures de fractionnement évoquées ci-avant, on a pris pour exemple le cas du stockage intermédiaire des conteneurs de déchets vitrifiés de haute activité. Ces déchets vitrifiés sont constitués par des blocs de verre cylindrique, de 400 à 500 mm de diamètre extérieur et de 1500 à 2000 mm de hauteur totale. Leur dégagement thermique unitaire peut atteindre quelques kilowatts au début de leur période de stockage. Si l'on désire attendre que leur dégagement ther- mique ne soit plus gênant pour leur entreposage définitif dans une structure géologique, comportant d'autres déchets radioactifs a mais sans charge thermique, il faudra envisager un temps de refroidissement de l'ordre de 1 à 2 siècles. L'utilisation de structures métalliques en acier ordinaire n'offrira pas toutes les garanties de durabilité. L'utilisation d'alliages nobles conduit à des investissements-trop importants et le béton ne présente pas une résistance suffisante à la température pour être utilisé comme structure de fractionnement dans le cas d'un stockage compact. L'utilisation d'éléments de canalisations et de manchons en amianteciment dense permet, selon l'invention, de réaliser des structures de stockage de verre qui permettent: - de stocker un nombre important de conteneurs par m2 de bâtiment; - d'effectuer un refroidissement par air et tirage naturel ou forcé-> avec des températures de sortie de l'air de l'ordre de 200C; - d'obtenir des structures résistantes mécanique- ment, insensibles à la corrosion et résistantes à des températures d'air élevées; - de limiter la température à coeur des verres en absorbant dans la masse des conduits une partie notable des rayonnements gamma émis. L'ensemble du stockage se présentera sous la forme d'un bâtiment enterré, de préférence de forme cylindrique verticale, comportant un faisceau de tubes amiante-ciment dense, de maille trian- gulaire ou carrée. La conception repose sur l'utilisation de canalisa- tions de longueur standard en classe pression, de forte épaisseur, les tuyauteries étant raccordées les unes aux autres à l'aide de manchons en amiante-ciment dense. Ces manchons serviront également d'entretoises, à différents niveaux, avec un décalage d'un tube à l'autre, de manière à constituer une structure rigide et compacte, résistante aux efforts et sollicitations résultant tant de la charge, de la température, que des contraintes sismiques. Pour l'exemple considéré, on choisira des canalisa- tions de 600 mm de diamètre intérieur. En superposant 4 ou 5 éléments de canalisations de m de longueur chacun, on pourra stocker une douzaine de conteneurs de verre dans chaque canal vertical ainsi constitué. Dans le cas de la structure à maille triangulaire (ou hexagonale), on décalera d'un tiers de la longueur les manchons de deux tubes voisins, de manière à réaliser un entretoisement conve- nable. Dans-le cas d'une structure à maille carrée> on décalera d'une demi-longueur de tube les manchons de deux tubes adjacents. L'espace entre les tubes servira, pour une part au moins, à la descente de l'air frais le long des puits, ce même air de refroidissement remontant ensuite à l'intérieur des tubes, dans l'es- pace annulaire laissé libre entre les conteneurs de verre et la paroi intérieure des tubes en amiante-ciment dense. L'échauffement de l'air au cours de la descente est suffisant pour permettre de dépasser la température du point de rosée au début du léchage des conteneurs par l'air, évitant ainsi tout risque de corrosion des conteneurs de verre en acier inoxydable. La vitesse d'ascension de l'air, de l'ordre de 2 m/s, est sensiblement la même que celle choisie pour la descente entre les tubes. L'air chaud sortira à une température de l'ordre de 2000C3 à la partie supérieure du stockage. Un matelas d'air constitué par l'air frais entrant assure la protection des parties en béton sur la surface supérieure du stockage et sur la virole extérieure. Avec une maille triangulaire, le nombre de puits que l'on peut ainsi ins- taller est d'environ 2 par m2 de surface de stockage, chiffre sen- siblement double de celui correspondant aux installations actuelle- ment réalisées. Un stockage à maille carrée permet également d'obtenir de très bons résultats du point de vue de la compacité du stockage. Les températures de verre à coeur restent en dessous de 400'C donc nettement en deçà de la température critique de re- cristallisation. Quant aux canalisations en amiante-ciment dense, leur température de paroi la plus élevée reste inférieure à 200OCi ce qui est nettement inférieur aux limites admissibles. Le guidage des conteneurs à l'intérieur des tubes amiante-ciment peut aussi être réalisé avec des éléments en amiante- ciment dense, (éléments de plaque fixés à l'intérieur des tubes par exemple), sans que ceci soit une solution obligatoire. D'autres variantes sont possiblescomme par exemple des conteneurs munis d'ailettes métalliques de guidage, ou encore par fixation de pièces métalliques, en métal noble, adaptées et fixées sur les canalisa- tions ou sur les conteneurs de verre. Enfin des échancrures et perçages adaptés, munis le cas échéant de clapets réglablespermettent d'adapter le débit d'air de circulation à la puissance thermique à évacuer dans chacun des canaux, selon des dispositions classiques pour de tels types de stockage. La forme cylindrique préférée pour le stockage permet, si nécessaire, de le cloisonner en secteurs, et d'effectuer une circulation de l'arrivée d'air froid de la périphérie vers le centre. Un tel type de stockage peut être aussi bien adapté au refroidissement transitoire des verrespendant quelques années après leur production, qu'au refroidissement de plus longue durée, en attendant leur stockage définitif dans une structure géologique. Une telle structure de fractionnement peut aussi être adaptée au stockage des coques ou fines de dissolution après solidification et miseen conteneur. On peut également employer l'amiante-ciment dense pour la réalisation de "conteneurs" destinés au transport et/ou au stockage (notamment enterré) des effluents radioactifs dispersés dans une matrice solide, lesdits effluents radioactifs étant des effluents sortant directement des installations atomiques industrielles ou pro- venant des installations de stockage intermédiaires telles que défi- nies ci-dessus. Ces conteneurs présentent les caractéristiques suivantes - ils sont réalisés à partir de tuyaux en amiante-ciment, éventuel- lement découpés à longueur, préparés de préférence par le procédé type MAZZA, c'est-à-dire sous forte pression; - ils ont de préférence une épaisseur de l'ordre de 30 à 80 mm; - ils sont pourvus, au voisinage de leurs extrémités et sur leur face interne, d'au moins un dispositif destiné à favoriser l'ac- crochage des bouchons; par exemple une gorge ou un pas de vis garni d'un jonc mou en mastic de silicone, permettant de parfaire l'étan- chéité; 1 - ils sont de préférence pourvus à la face interne de leurs extré- mités de chanfrein. Ces conteneurs sont destinés à être obturés à leurs deux extrémités au moyen d'un "bouchon"; l'une des ces obturations peut avantageusement être réalisée en usine, si bien que le conteneur est livré avec un bouchon et une extrémité ouverte. Le bouchon est avantageusement réalisé en coulant au droit du ou des dispositifs d'accrochage ménagés dans la face interne du tuyau un bouchon de microbéton dont l'épaisseur est comprise entre 50 et 100 mm. Le microbéton est parfaitement compatible dans ses propriétés avec l'amiante-ciment et adhère bien au tuyau grâce au dispositif d'ac- crochage. Le jonc en mastic de silicone ou matériau équivalent, placé dans le dispositif d'accrochage, empêche toute entrée d'eau éventuelle entre la virole du conteneur en amiante-ciment dense et la partie du bouchon constituée par le microbéton, pouvant résulter du très léger retrait de ce dernier. La surface externe dudit micro- béton est avantageusement constituée par une plaque en amiante- 247954t ciment dense que l'on colle au tuyau, en utilisant notamment ledit chanfrein. Il est éventuellement possible de parfaire l'étanchéité au gaz des conteneurs de ce type en utilisant le long des parties jointives (entre le microbéton et le tuyau et entre le microbéton, le tuyau et la plaque externe en amiante-ciment) des matériaux tels que des goudrons, du brai, des résines plastiques, etc. L'utilisation de tels conteneurs peut être prévue de deux manières différentes. La première consiste à effectuer un remplissage direct soit avec un enrobé actif contenant les déchets à condition- ner, soit avec un produit d'enrobage inactif après avoir disposé au préalable les déchets solides sous un volume minimal à l'inté- rieur du conteneur. La seconde consiste en fait en un recondition- nement de déchets préalablement disposés dans des conteneurs du type de ceux déjà employés précédemment, notamment de forme cylin- drique à paroi mince en acier ou en matière plastique. Les dimensions intérieures des conteneurs en amiante-ciment seront alors déterminées de telle manière.qu'il subsiste un jeu de l'ordre de 0,5 à 2 cm entre l'extérieur du conteneur à reconditionner et l'intérieur du conte- neur en amiante-ciment dense. Cet intervalle est destiné à faciliter la mise en place du premier conteneur dont l'enveloppe ne saurait être considérée comme une barrière et également à permettre de ver- ser dans l'intervalle libre une matière fluide qui remplira tous les espaces demeurés libres et qui se solidifiera soit par polymé- risation, soit par refroidissement (à titre d'exemple,> s résines polyesters ou époxy, du bitume ou du brai peuvent être utilisés). Ce second mode de rélisation permet de superposer plusieurs fûts dans un conteneur en amiante-ciment (dont la longueur peut alors avantageusement correspondre à la longueur standard des éléments de canalisation, généralement 5 m, ou à la moitié de cette longueur) et également de renforcer la seconde barrière technolo- gique par la réalisation du complexe amiante-ciment et bitume ou amianteciment et résine plastique autour des conteneurs d'enrobés actifs. - Il est avantageux de prévoir que les conteneurs en amiante-ciment dense, selon l'invention, seront pourvus de dis- positifs facilitant leur manipulation. Ces dispositifs sont très divers, ils peuvent être constitués par des ceintures métalliques placées aux deux extrémités du conteneur soit reliées entre elles par des tirants munis de moyens d'accrochage, soit plus simplement boulonnées dans l'amiante-ciment. Ils peuvent également consister en une ou plusieurs ceintures placées dans des gorges (profondeur à 6 mm par exemple), ménagées dans la partie-périphérique externe des conteneurs. Ces diverses ceintures métalliques pourront égale- ment permettre la préhension latérale du conteneur à l'aide de chariots ou d'engins de manutention a pinces, et contribuer égale- ment à la résistance aux chocs éventuels pouvant survenir lors de leur manutention ou transport. Lorsque ces conteneurs seront utilisés lors du transport d'effluents dispersés dans une matrice solide, ils pour- ront avantageusement recevoir une protection externe convenable. Cette protection, qui a pour but de renforcer la résistance des conteneurs aux chocs et chutes, susceptibles de se produire pendant le transfert, sera de préférence démontable de façon à ne pas pro- voquer un encombrement inutile lors du stockage. On donne ci-après des exemples non limitatifs de l'utilisation d'amiante-ciment dense pour la réalisation de conte- neurs selon l'invention. Les conteneurs sont représentés sur les figures 1, 2, 3 et 4; la figure 1 représente une vue en perspective d'un con- teneur, selon l'invention, dont la moitié est pourvue d'un type de protection externe, et dont l'autre moitié est simplement munie d'un type de dispositif facilitant sa manipulation; la figure 2 repré- sente une coupe selon Il-Il des conteneurs de la figure 1. Sur les figures 1 et 2, on a représenté: - en 1 le tube d'amiante-ciment, ce tube a, par exemple, un diamètre de 1 000 mm, une hauteur de 1 250 mm et une épaisseur de 50 mm; - en 2, 2', 3, 3' deux fois deux gorges ménagées dans la face in- terne du tube au voisinage des extrémités de celui-ci; avant le remplissage du conteneur on réalisera le bouchon inférieur cons- titué par une épaisseur d'environ 60 mm de microbéton 4 qui s'ac- croche au tubed'amiante-ciment au niveau des gorges 2 et 2', et d'une plaque d'amiante-ciment 5 collée sur sa périphérie à un chanfrein ménagé sur le pourtour du tuyau 1, au moyen d'une colle convenable (comme par exemple d'une colle époxydée chargée); le bouchon supérieur de même constitution que le bouchon inférieur sera mis en place après le remplissage du conteneur par le matériau so- lide qui y est conditionné; - en 6 et 7 des ceintures inférieures et supérieures qui sont reliées entre elles par des tirants tels que 8; ces ceintures métalliques sont en outre reliées à l'aide de pattes 9 à des ceintures exté- rieures 10, ll également métalliques; - sous la ceinture inférieure 6, on a soudé deux tunnels métalliques 12 et 13 en tôle d'acier dimensionnés de façon à laisser passer les fourches de chariots élévateurs; - tout l'espace délimité par les ceintures 10 et 11 et le conteneur proprement dit est alors rempli à l'aide d'une mousse de polyuré- thanne. Le conteneur ainsi conditionné a été rempli de béton et a subi certains tests qui ont donné les résultats suivants - le conteneur a été immergé dans l'eau et on y a introduit une pres- sion d'air de 0,5 bar; aucune fuite n'a été décelée; - le conteneur a subi une chute d'une hauteur de 1,5 m sur une dalle en béton; exception faite d'une déformation assez sensible des ceintures métalliques circulaires, aucune détérioration n'est apparue sur le conteneur proprement dit qui est demeuré notamment tout à fait étanche à la même pression de 0,5 bar. Les figures 3 et 4 représentent en coupe des con- ditionneurs selon l'invention munis de moyens de protection utili- sables pour le transport et/ou le stockage de ces conditionneurs. Sur le conditionneur de la figure 3, la protection est réalisée grâce à deux cornières circulaires 14 et 15 reliées entre elles par des tirants 16. Entre les cornières et le conteneur, on a intercalé des éléments en caoutchouc 17. Sur le conditionneur de la figure 4, la protection est réalisée grâce à l'utilisation d'amortisseurs caoutchoutiques de forme delta convenablement disposés. Sur la face supérieure du con- ditionneur, ces amortisseurs sont avantageusement disposés de façon radiale; sur la face inférieure du conditionneur, ces amortisseurs sont disposés de façon à laisser un passage suffisant pour les bras 247 542 1l d'un appareil de manipulation; de plus, des amortisseurs analogues sont disposés sur le pourtour du conditionneur dans sa partie haute et dans sa partie basse. Tous ces amortisseurs sont maintenus en place par des éléments métalliques convenables qui permettent, par démontage, la récupération de ces amortisseurs. Un exemple de réalisation, selon l'invention,, d'une structure de fractionnement utilisable dans les stockages intermé- diaires d'effluents de haute ou de moyenne activité est représenté schématiquement sur les figures 5 et 6. La figure 5 est une vue en élévation de la coupe V-V de la figure 6 et la figure 6 est une vue en coupe au niveau VI-VI de la figure 5. Sur ces figures on a schématisé - en 1 la paroi en béton d'un silo; - en 2 et 3 deux couches de portion de tuyaux en amiante-ciment dense soutenant le stockage proprement dit mais destinés a éloigner les conteneurs chauds de la paroi de béton; on éloigne également ces conteneurs et les tuyaux dans lesquels ils sont stockés des parois latérales du silo en ménageant un espace convenable 4; - en 5 des tubes d'aniante-ciment dense; ces tubes sont empilés les uns sur les autres de façon à former un stockage d'environ 20 à m de hauteur; deux tubes superposés sont réunis par un man- chonnage 6 qui est maintenu grâce à un décrochement convenable ménagé sur une certaine hauteur aux extrémités des tubes; les tubes voisins sont disposés de telle sorte que les manchonnages de deux tubes correspondants sont à des hauteurs différentes dans le silo; - en 7 des plaques également en amiante-ciment dense sur lesquelles reposeront les conteneurs de stockage 8 qui sont agencés de façon à pouvoir être empilés les uns sur les autres; le centrage de ces conteneurs dans les tubes peut être réalisé par diverses techniques telles que l'utilisation d'une plaque perforée 9 solidaire du goulot du conteneur (figure 5) ou d'ailettes 10 disposées radiale- ment dans les tubes (figure 6); - en 11 les bouchons en béton qui ferment chaque alvéole du silo; - la ventilation du silo qui est réaliséepar une arrivée d'air froid 12, une circulation de cet air selon le sens des flèches et une sortie d'air chaud 13. La présente invention a été décrite en se référant à l'amiante-ciment dense; on sait aujourd'hui qu'il est parfois pos- sible et souhaitable, dans un matériau de ce type, de remplacer par- tiellement ou totalement les fibres d'amiante par d'autres fibres sans altérer les propriétés du matériau composite obtenu. Bien évi- demment, l'invention s'étend à l'emploi de ces matériaux équivalents. R E V E N D I C A T IO N S 1. Matériau barrière utilisable pour le conditionne- ment des effluents radioactifs dispersés dans une matrice solide, caractérisé en ce qu'il est constitué d'amiante-ciment dense. 2. Utilisation du matériau selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit matériau est employé dans les stockages intermédiaires d'effluents à haute activité comme structure de frac- tionnement de la masse desdits effluents. 3. Utilisation du matériau selon la revendication l, caractérisée en ce que ledit matériau est employé sous forme de conteneur. 4. Utilisation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le conteneur est constitué par une portion de tuyau en amiante-ciment dense, d'épaisseur comprise entre 30 et 100 mm, ledit tuyau étant pourvu, au voisinage de ses extrémités et sur sa face interne, d'un dispositif d'adhérence comportant un matériau plastique mou (par exemple une ou plusieurs gorges garnies avec un mastic de silicone) pour recevoir et accrocher un bouchon en microbéton d'épais- seur comprise entre 50 et 100 mm, ce microbéton comportant sur sa surface externe une ou deux plaques en amiante-ciment dense solide- ment liées audit tuyau.