Brevet FR2490812A1 — publié le 19820326

La présente invention concerne un procédé permettant de s'assurer de façon précise de l'état présent à l'intérieur d'un four de fusion utilisé pour immobiliser des déchets radioactifs dans du verre, de la céramique au verre, des blocs et des pierres synthétiques, etc. On a essayé d'immobiliser et de solidifier des dé- chets radioactifs dans du verre ou dans un matériau analogue de manière à stocker ou traiter de façon sûre et économique des produits de fission nucléaire et des nuclides radio- actifs tels que des éléments transuraniens, que contiennent les déchets radioactifs. C'est pourquoi des recherches et des développements dans ce domaine ont été entrepris dans différents pays du monde. Lorsque l'on immobilise et que l'on solidifie les déchets radioactifs dans le verre, on charge tout d'abord dans un four de fusion ces déchets à l'état liquide (incluant une boue) ou à l'état solide, et on les fond ensemble dans le verre et on les place ensuite dans un conteneur séparé. Le procédé est usuel dans la technique. Afin de faire fonctionner, dans ce cas, de maniè- re fiable et stable le four de fusion, il est nécessaire de mesurer de façon précise des quantités de produits (tels que le verre fondu, le liquide non fondu, la boue et des subs- tances séchées et calcinées, d'autres matériaux solides, etc.) à l'intérieur du four, leurs positions dans ce dernier et des variations de leurs quantités et de leurs positions. Les exigences requises imposées aux instruments de mesure prévus à cet effet consistent en ce que ces instruments permettent aisément de réaliser une commande à distance, soient sans pannes, possèdent des dimensions réduites et présentent une fiabilité élevée, étant donné que l'on ne peut pas faire fonctionner ou maintenir en l'état directe- ment ces instruments en raison de la radioactivité intense présente autour du four de fusion. Dans l'industrie du verre, on a utilisé de façon classique différents dispositifs pour mesurer le niveau du verre tels que par exemple des appareils de mesure ultra- sonique du niveau, des appareils de mesure du niveau de radiation, des appareils de mesure du niveau du type à con- densateur électrostatique, des appareils de mesure du niveau utilisant des thermocouples, des appareils de mesure de ni- veau du type à électrodes et analogues. Cependant ces appa- reils de mesure du niveau ne peuvent pas être aisément appli- qués aux fours de fusion du verre pour les déchets radio- actifs, et ce en liaison avec leur capacité de fonctionnement, leur fiabilité, leur durée de vie utile, leur entretien et analogues. En particulier lorsque le matériau brut sous la forme d'un liquide ou d'une boue est chargé dans le four et est fondu avec du verre, ce matériau est séché et calciné à la surface de la substance fondue en formant ainsi des élé- ments solides et durs. Les éléments solides ainsi formés recouvrent à leur tour la surface de la substance fondue et créent un pont dur. Dans de telles conditions les gaz, qui sont produits initialement lorsque les substances solides sont fondues, s'accumulent dans un espace situé entre le verre fondu et le pont constitué par les substances solides, ce qui provoque un accroissement de la pression dans cet espace et ehtraîne un endommagement du four. En outre, si le pont est interrompu, les gaz sont projetés par un souffla- ge intense à l'intérieur du four et perturbent l'équilibre de pression. Dans le cas d'un four de fusion du type à trop- plein, le verre situé dans le four de fusion est refoulé vers le bas tandis que le verre situé dans une partir for- mant sole à réchauffer est au contraire refoulé vers le haut, ce qui entraîne également une perturbation de l'équili- bre de pression. Si-le verre fondu seul est retiré du four dans un état o les substances solides forment le pont, seul le niveau du verre s'abaisse, tandis que le pont des substan- ces solides reste tel quel de sorte qu'il se forme une cavité importante au-dessous du pont. Dans ce cas, l'évacuation thermique de chaleur par conduction à partir du verre fondu diminue de sorte que la vitesse de fusion des substances solides diminue et qu'il peut se produire un affaissement du pont des substances solides. Par conséquent il est de la plus haute importance, dans le but d'obtenir un fonctionne- ment sûr du four de fusion, de s'assurer si les substances solides forment ou non ledit pont à l'intérieur du four de fusion. Un procédé classique utilisable jusqu'à présent à cet effet consistait à regarder à l'intérieur du four, en examinant ce dernier par une fenêtre d'inspection. C'est pourquoi il est souhaitable de développer un procédé appro- prié de détection. Un objet de la présente invention est donc de four- nir un procédé permettant de s'assurer de façon précise de l'état présent à l'intérieur d'un four de fusion pour des déchets radioactifs, qui soit d'une mise en oeuvre sim- ple, tout en présentant une fiabilité élevée. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé permettant une détection simple du niveau et de la densité d'une substance fondue et des variations du niveau et de la densité de cette dernière à l'intérieur d'un four de fusion pour des déchets radioactifs. Un autre objet de la présente invention est de four- nir un procédé permettant la détection précise de la pré- sence ou de l'absence d'un pont formé pendant la fusion de déchets radioactifs chargés dans un four de fusion pour de tels déchets. Afin de répondre aux objectifs mentionnés ci-dessus, la présente invention utilise de façon fondamentale une méthode de mesure de niveau classique du type à bulles et permet de s'assurer de façon précise de la variation des conditions présentes à l'intérieur du four de fusion. Un tel procédé de mesure de niveau du type à bulles est basé sur le principe fondamental selon lequel une pres- sion minimale P requise pour le dégagement de bulles à par- tir d'un tube mince inséré perpendiculairement à l'intérieur d'un liquide, est fournie par l'équation suivante P = 2y/r + pgh + P0 (l) dans laquelle y tension superficielle du liquide r: rayon du tube mince P: densité du liquide g accélération de la pesanteur h profondeur du liquide P0 pression à la surface du liquide. Le rayon r du tube mince peut être choisi à volonté, alors que la tension superficielle y du liquide ainsi que sa densité p sont des propriétés caractéristiques de base du liquide, que l'on peut mesurer au préalable. Par conséquent la profondeur du liquide ou le niveau h peut être détermi- née conformément à l'équation suivante en mesurant la diffé- rence de pression P - P0 P - P - 2y/r h= pg (1') Bien que l'on connaisse de nombreux exemples dans lesquels la méthode de mesure du niveau du type à bulles, mentionnée ci-dessus, soit adaptée à un appareil de mesure de niveau, on ne connaît aucun exemple dans lequel ce procé- dé de mesure est adapté à la mesure du niveau dans un four de fusion pour des déchets radioactifs. Ceci est da au fait que, dans un four de fusion, la densité du liquide varie en fonction d'une substance devant être fondue, de sorte qu'on ne peut pas effectuer une mesure précise de niveau basée de façon simple sur l'équation mentionnée précédemment (1'). Une autre raison peut être imputée-au fait que la mesure de niveau du type à bulles ne peut pas être appliquée aisément au verre fondu qui possède une densité et une viscosité très importantes. La présente invention est mise en oeuvre sur la base du concept selon lequel la mesure de niveau du type à bulles peut être appliquée même aux fours de fusion pour des dé- chets radioactifs et que l'on peut effectuer une mesure pré- cise du niveau en réalisant une correction de densité, et qu'il est également possible de détecter la présence ou l'absence du pont formé par les déchets chargés dans le four. Conformément à la présente invention, il est prévu un procédé permettant de s'assurer de l'état présent à l'in- térieur d'un four de fusion pour des déchets radioactifs, qui consiste: à souffler un gaz dans une substance fondue située à l'intérieur du four de fusion en utilisant au moins deux tubes minces disposés en des -points supérieur et inférieur situés à une distance réciproque Ah, à détecter 24908 12 une contre-pression différentielle AP dans les tubes minces de manière à déterminer la densité p de la substance fondue conformément à la relation p = AP/g.Ah (dans laquelle g dési- gne l'accélération de la pesanteur), et à déterminer le niveau h de la substance fondue située dans le four en utili- sant la densité p cidessus mentionnée, conformément à la relation (1'). Conformément à la présente invention il est égale- ment possible de détecter, à l'intérieur du four, la forma- tion d'un pont due à la substance solide non fondue des déchets chargés à l'intérieur du four en obtenant au préala- ble la relation entre une quantité de déchets chargés et la pression P dans un cas normal ou les déchets chargés sont fondus dans le four, et à détecter une variation de la pres- sion P par rapport à ladite relation obtenue par avance. A titre d'exemple on -a décrit ci-dessous et illustré schématiquement aux dessins annexés un mode d'exécution du procédé conforme à l'invention. La figure 1 représente une vue schématique illus- trant un mode d'exécution de la présente invention. La figure 2 est un diagramme représentant la varia- tion de pression à l'instant de la formation du pont. La figure 3 est une vue schématique de l'appareil expérimental permettant de mettre en oeuvre la présente invention. La figure 4 est un diagramme montrant un exemple de la relation entre la profondeur du verre et la différence de pression. La figure 5 est un diagramme montrant un exemple des variations du niveau du verre et de la quantité déchargée En se référant maintenant à la figure 1, on voit qu'un four 1 de fusion du verre est équipé, à sa partie inférieure, d'un orifice 3 d'évacuation du verre s'ouvrant dans un dispositif 2 de réception du verre et, à sa partie supérieure, d'un orifice 4 d'évacuation des gaz résiduaires et d'un orifice 5 de chargement destiné à recevoir les déchets radioactifs devant être traités. La pression du gaz provenant d'une source de gaz comprimé 6 est commandée, en étant amenée à une valeur de pression prédéterminée, par une valve de régulation de pression montée sur son orifice de sortie et est aussi commandée par des débitmètres 7a, 7b de manière à atteindre un débit prédéterminé. Ensuite le gaz pénètre librement à l'intérieur du four par l'intermé- diaire de tubes minces 8a, 8b qui traversent la paroi du four. La pression P du tube mince 8b est mesurée au moyen d'un manomètre 9b et la pression PO située à l'intérieur du four 1 est mesurée séparément par le tube mince 8a et par un manomètre 9a. La différence de pression P - PO est détermi- née par un manomètre différentiel 10 et une valeur corres- pondant constamment au niveau h du verre peut être calculée à partir de la différence de pression déterminée, conformé- ment à l'équation mentionnée ci-dessus (1'). Dans la forme de réalisation de la figure 1, on utili- se un tube mince Ba de purge du gaz situé à la partie supé- rieure du four de fusion 1, avec trois tubes minces 8b, 8c, Bd de purge du gaz situés sur le'côté du four et un tube mince 8e de purge du gaz situé à sa partie inférieure. Cepen- dant, les positions et le nombre dences tubes minces ne sont pas limitatifs et notamment ces tubes peuvent être disposés comme on le désire. Des tubes tels que 8b, Bc par exemple peuvent être disposés audessous du niveau du verre fondu afin de permettre une mesure de la densité de la substance fondue. En effet, en utilisant les deux tubes minces supé- rieur et inférieur 8b, 8c de purge du gaz, disposés au-dessous du niveau du verre fondu, en étant écartés réciproquement d' un intervalle Ah, on réalise un soufflage du gaz et on déter- mine dans ce cas la différence de la contre-pression AP. A partir de cette différence de contre-pression AP, on peut déterminer la densité précise p du verre fondu conformément à l'équation suivante: p = AP/g.th (2) Etant donné que les positions et les rayons des tubes minces de purge du gaz sont déterminés par avance, la profon- deur et la quantité de la substance fondue et leurs varia- tions peuvent être déterminées de façon précise à partir de l'indication de la pression, de la taille et de la forme du four et de la densité de la substance fondue. Fortuitement on a trouvé que, dans le cas du verre fondu en général, il est possible d'utiliser une valeur constante pour la tension superficielle Y du liquide, étant donné que son coefficient de température est faible par rapport à la plage ordinaire de tem- pératures de fonctionnement, même lorsque la température de fonctionnement varie dans une certaine plage de valeurs ou même lorsqu'il existe une certaine distribution de températu- re à l'intérieur du four. Sur la figure 1, lorsque le gaz est déchargé à partir de l'état du niveau A du verre, la valeur indiquéede la dif- férence de pression P - P0 devient en proportion inférieure à la diminution du niveau et devient sensiblement nulle lorsque le niveau du verre passe par la position B du tube mince. Par conséquent il est possible de détecter en ce point le niveau du verre fondu. Si la position réglée des tubes minces 8 pour l'appareil de mesure de niveau est déterminée de façon appropriée, on peut réaliser efficacement la détec- tion de la limite supérieure ou de la limite inférieure de la quantité de verre située à l'intérieur du four 1. Il n'existe aucune limitation en particulier de la position de l'extrémité des tubes 8 de purge du gaz. Cepen- dant si le tube doit être disposé à la partie inférieure ou sur la paroi latérale du four, il est préférable, en vue d' obtenir une corrosion minimum du tube mince par le verre, que l'extrémité du tube soit placée dans le même plan que, ou nettement en retrait par rapport à, la surface intérieure de la paroi du tUbe. Pour la même raison, cet agencement est préférable à une construction dans laquelle le tube mince est suspendu à la partie supérieure du four. Il peut être suffisant que le diamètre du tube mince 8 soit compris entre environ 1 et 4 mm et que le débit de purge du gaz soit égal à environ 40 Nl/heure. Cependant si l'on commande la pression du gaz de manière qu'elle soit éga- le à la pression P de l'équation (1), il est possible de me- surer le niveau sans réaliser un écoulement du gaz. Tant que le gaz est purgé, l'utilisation du tube mince n'est pas interrompue, en raison de verre ou a.- analoule pénétrant dans le tube et se solidifiant à l'intérieur de ce enier. zfin de permettre une déu.ilisa.on du tube mince lorscue le verre ou une substance analcaue pénetre dans ce dernier et ostrue éventuellement le tube, il est pré.erale d'utiliser une construction dans laquelle un dispositif de chauffage ou analogue est dispcsé autour cu tube mince en vue d'assurer son chauffage, ou bien une construction dans laquelle le tube mince lui-même produt ce la chaleur (par suite d'une alimentation directe en courant par exemple) au moyen d'un choix du matériau du tube ou d'autres dispositifs nécessaires. Conformément à la présente invention, il est éeqale- mernt possible de détecter la présence ou l'absence du pont formé par la charge de déchets radioactifs à l'intérieur du four de fusion. En effet, si la substance solide non fondue des eanets radioactifs recouvre la surface de 'a substance fondue et forme le pont dur, ceci provoque l'accumulation de gaz produits au moment de la fusion de la substance soli- de, ce qui entraîne un. accroissement de la pression dans un es-ace situé entre ie Dont et le verre fondu. Par consé9u t-, co.MM!e ceia est représenté par une ligne en trait mixte su_ la figure 2, la pression P du tube mince de purge du caz varie en arecotii d'une valeur aui est suporieure à la variation de pression normale (rerésentée oar la ligne en trait lin de la igure2), ce ui est provocué ar 'a-oi- sement du niveau du verre fondu causé par '!augmentation de la cuantité de chargement des déchets radioactifs. Par consécuent la formation du pont peut être détectée d'art s !'apparition de cette variation, et, si l'on arrête le char- gem.ent de d--hets radioactifs à cet instant, il est ossible d' éviter des accidents susceptibles de résulter de la forma-a tion du pont. On va décrire maintenant un exemle e:xérimental destiné a illustrer l'efficacit du procédé sclon la r-sen- te invention. La figure 3 est une vue schnématique montreant un aDppareil utilisé Dour l'expérience. Du verre contenant des déchets radioactifs simulés est fondu à l'intérieur d'un four-de fusion du verre du type à alimentation en cou- rant cont.nu 21 (surface-endcoupe transversale A l'intérieur du four = 0, 3 m 2) équipé d'une électrode en molybdène 20, et un appareil 22 de mesure de niveau du type à bulles est installé dans le four à partir de l'extrémité supérieure de ce dernier en vue d'effectuer l'expérience. L'appareil 22 de mesure de niveau comporte un tube mince 23 de purge du gaz, un manomètre 24, un dispositif de purge 25, une cellule à manomètre différentiel 26 ou analogues. Un dispositif 27 de réception du verre fondu disposé au-dessous du four est installé sur une bascule 28 de telle manière que la quantité évacuée de verre fondu peut être également mesurée par cette bascule 28. La figure 4 illustre la relation entre la hauteur h du verre et la différence de pression P - P0 lors- que la mesure est effectuée en utilisant de l'air en tant que gaz de purge, une température du verre de 12000C, un rayon de 1,2 mm pour le tube mince de purge et un débit d'air de 10 Nl/h. Il ressort à l'évidence de ce graphique que la différence de pression P - Po est proportionnelle à la hauteur h du verre et que la courbe peut être exprimée par l'équation suivante P - Po =2,57 h + 50 (3) L'unité de différence de pression P - P est le mm de H20 et l'unité de la hauteur h du verre est le mm. La densité du verre à 1200'C s'avère être de 2,57 (g/cm3 et que la tension superficielle s'avère être égale à environ 290 dyn/cm. Lorsque l'on effectue des expériences à des températures de 1000 et de 11000C, on obtient essentielle- ment les mêmes résultats. La figure 5 est un diagramme montrant la relation entre la variation du niveau du verre et la quantité évacuée de verre en fonction de la mesure réelle lorsque le verre fondu est évacué du four. La hauteur h du verre dans ce diagramme est la valeur calculée en utilisant la relation exprimée par l'équation (3). La quantité évacuée de verre représentée par la ligne en trait plein est mesurée au moyen de la mesure effective de la variation du poids du dispositif 27 de réception du verre évacué, disposé à l'extrémité infé- rieure du four, par la bascule 28. La quantité évacuée de verre représentée par la ligne formée de tirets est calculée à partir de la variation de la hauteur du verre, de la den- sité de-ce dernier et de la surface de la section transver- sale à l'intérieur du four. La valeur effectivement mesurée de la quantité évacuée de verre obtenue par ces expériences, au cours de laquelle 155 kg de verre sont évacués, concorde bien avec la valeur calculée à partir de la valeur de la pression mesurée de l'appareil de mesure du niveau du verre du type à bulles. C'est pourquoi ceci prouve à l'évidence l'efficacité du procédé conforme à la présente invention. Comme cela a été décrit précédemment, la présente invention fournit un procédé permettant de s'assurer- de l'état présent à l'intérieur du four en utilisant le princi- pe de l'appareil classique de mesure de niveau du type à bulles. De façon correspondante, la présente invention ne nécessite qu'un simple dispositif dans lequel la quantité devant être mesurée est uniquement la contre-pression du tube mince de purge du gaz, et ce tube peut être tout aussi bien installé sur la paroi du tube du four de fusion, sou- mise à une radioactivité intense. Comme on peut le compren- dre d'après l'exemple expérimental mentionné ci-dessus, le procédé conforme à l'invention peut présenter une haute fiabilité et rend possible de s'assurer de manière précise non seulement du niveau, de la densité et des variations de niveau et de densité de la substance fondue, mais égale- ment de l'absence ou de la présence du pont qui pourrait être formé au cours-de la fusion des déchets radioactifs chargés. Par conséquent le procédé selon la présente inven- tion est extrêmement utile pour permettre un fonctionnement sur et stable du four de fusion pour des déchets radioactifs, pendant un intervalle de temps de longue durée. REVENDICATIONS 1. Procédé pour s'assurer de l'état présent à l'in- térieur d'un four de fusion (1) pour des déchets radio- actifs, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire par soufflage un gaz à l'intérieur d'une substance fondue située dans le four de fusion (1) en utilisant au moins deux tubes minces (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) disposés en des points supérieur et inférieur situés à une distance réciproque Ah, à détec- ter une différence de contre-pression AP au niveau des tubes minces (8b, 8c) pour déterminer la densité p de la substance fondue conformément à l'équation suivante p = AP/g.Ah dans laquelle g est l'accélération de la pesanteur; et à déterminer le niveau h de la substance fondue dans le four (1) en utilisant la densité p déterminée ci-dessus, confor- mément à l'équation suivante P - P0 2y/r h _pg dans laquelle P représente la pressionminimale requise pour le dégage- ment de bulles à partir de l'un des tubes minces, P0 est la pression à la surface de la substance fondue, y est la tension superficielle de la substance fondue, r est le rayon des tubes minces. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à obtenir par avance la relation entre une quantité de déchets chargés dans le four de fusion (1) et la pression P dans le cas normal o les déchets char- gés sont fondus dans le four (1), et à détecter une variation de la pression P par rapport à la relation obtenue d'avance de manière à détecter de ce fait la formation d'un pont à l'intérieur du four sous l'effet d'une substance solide non fondue des déchets chargés.