Brevet FR2502381A1 — publié le 19820924

L'invention concerne un procédé pour enrober des matières solides contenant des matières radio-actives ou con- taminées par radioactivité, provenant d'installations nucléai- res, dans une matrice destinée au stockage définitif. Dans les centrales nucléaires, les installations de retraitement et autres installations nucléaires, il apparaît aussi outre les déchets solides à radioactivité faible de grandes quantités de déchets solides à radioactivité moyenne ou élevée. La transformation de ces déchets en un produit apte au stockage définitif, s'effectue à ce jour dans la plupart des cas, par incorporation dans du ciment, dans des fûts de 200 1, ou par enrobage des déchets solides à l'aide d'un lait de ci- ment durcissant en ciment. Lors du retraitement d'éléments combustibles brûlés selon le procédé Purex, les éléments de combustion sont traités avec de l'acide nitrique chaud et la matière combustible nucléaire se dissout dans une large mesure. Les gaines des élé- ments combustibles demeurent ici insolubles et on les sépare de la solution de matière combustible. La solution de matière combustible contient, outre les matières et produits de fission dissous, des matières solides insolubles, de composition et de nature diverses. Les résidus insolubles peuvent, par dép8t dans les conduites, les systèmes de transport et de dosage, conduire à des incidents et des obstructions dans les étapes suivantes du procédé. Dans le cycle d'extraction qui suit surtout, ces matières solides insolubles peuvent s'accumuler à la limite des phases, et perturber la séparation de ces phases. Afin d'éviter de tels incidents, la séparation du résidu insoluble de l'étape de dissolution, dit " boues légères d'alimentation ", de la solution de matière combustible dans l'acide nitrique, est nécessaire. On peut envisager essentiellement deux procédés de séparation: a) centrifugation b) filtration. Comme procédé unique à ce jour pour la transformation des boues légères en produit apte au stockage définitif, on peut considérer le procédé pratiqué dans l'installation de re- traitement pour matières combustibles irradiés de Karlsruhe. Le résidu insoluble est séparé ici de la solution de matière combustible, sur un filtre à poche en matière plastique, et la poche de filtration est solidifiée en commun avec les morceaux de gaines et de structures, un lait de ciment. Dans une installation de retraitement de grande capacité, le résidu insoluble est séparé de la solution de matière combustible par centrifugation. Ensuite, les boues légères sont extraites de la centrifugeuse par lavage avec une solution de lavage à base d'acide nitrique dilué. Il se produit alors une suspension de boues légères à environ 20 g/l de matières solides. Pour le traitement ultérieur, une suspension avec une teneur plus élevée en matières solides serait souhai- table, afin d'obtenir un plus faible volume de déchets. Lors d'une incorporation homogène dans le ciment, de 160 à 170 1 d'une suspension de boues légères sont mélangés et solidifiés en commun avec du ciment dans un fût de 400 1. Si l'on retraite 350 tonnes de déchets, on produit ainsi quel- que 440 fûts de boues légères solidifiées. Les avantages de ce procédé connu sont constitués par sa simplicité et sa disponibilité. Les principaux inconvénients de la solidification hétérogène et homogène des boues légères, avec du ciment, selon cette conception, sont les suivants: - grand volume des déchets incorporés dans du ciment, - activité élevée dans une matrice de solidification de qualité relativement mauvaise, - lourde charge de la matrice par les radiations et la chaleur, - teneur en eau de la matrice et de ce fait, libéra- tion de gaz de radiolyse (avec formation d'hydro- gène). En France, en Angleterre et aux U.S.A, les boues légères subissent un stockage intermédiaire sous l'eau, soit seules, soit avec des gaines et autres déchets, L'opération de solidification n'y est pas pratiquée. Il en est de même pour les gaines d'éléments combustibles. Dans l'installation de Karlsruhe, les gaines d'éléments combustibles sont laminées et enrobées de lait de ciment, ce qui les rend aptes au stockage définitif. Dans d'autres pays, elles subissent un stockage in- termédiaire sous l'eau pour une durée indéterminée, comme les boues légères. Pour les autres déchets solides, dont la radio- activité est de moyenne à forte, il est également prévu une incorporation dans le ciment. Tous ces produits présentent les inconvénients mentionnés. L'invention a pour objectif de proposer un procédé pour enrober des matières solides contenant des matières radio- actives ou contaminées par radioactivité, provenant d'instal- lations nucléaires, dans une matrice destinée au stockage défi- nitif qui permette d'éliminer les inconvénients des procédés connus à ce jour, et de conduire à des produits solidifiés avec des propriétés nettement améliorées. Aussi bien la résistance à la lixiviation que la résistance à l'irradiation et à la chaleur des produits solidifiés devront être nettement supé- rieures aux propriétés correspondantes des produits solidifiés selon l'état antérieur de la technique. La libération de gaz par radiolyse devra être évitée. Avec ce procédé, il devra être possible de solidifier aussi bien des déchets solides de radio- activité moyenne à forte de tous types, que des boues légères et des débris de gaines d'éléments combustibles. A cet effet, l'invention propose un procédé caracté- risé en ce que l'on ajoute aux matières solides radioactives de la fritte de verre en quantité correspondant à 30-90 % en poids du produit final, et introduit le mélange dans un réci- pient de stockage définitif, puis lui fait subir un frittage sous pression dans un four de frittage, pendant une durée com- prise entre 15 minutes et 50 heures, sous une pression comprise entre 20 et 500 bars et à une température comprise entre 650 et 9500K, pour former un corps solide, et qu'ensuite le récipient de stockage définitif est fermé. L'objectif particulier qui consiste à solidifier des résidus de dissolution ou des débris de gaines d'éléments combustibles et/ou fertiles lessivés, est atteint en ce que: -) le résidu insoluble, c'est-à- dire les boues légères (FKS), sont mélangées ou enrobées, avant ou après la séparation des solutions de matière combustible et/ou fertile, les segments de gaines après laminage avec de la fritte de verre, dans un rapport entre la boue ou le débris de gaines et la fritte de verre, qui se situe entre 10 et 90 % et 70 et 30 % en poids, -) le mélange est introduit dans un récipient de stockage défi- 4 2502381 nitif, l'espace libre qui reste éventuellement entre le mélange et la paroi ou le fond du récipient étant comblé avec de la fritte de verre, -) le récipient chargé, encore ouvert, est chauffé pendant une durée pouvant se monter jusqu'à 10 heures, pour éliminer l'humi- dité et les autres matières volatils, à une température com- prise entre 350 et 523 K, et enfin, -) après transfert du récipient dans un' four de frittage et après couverture du mélange dans le récipient, le contenu du 1' récipient est soumis à un frittage sous pression pendant une durée de 15 minutes à 50 heures, sous une pression de 20 à 500 bars, et à une température de l'ordre de 650 à 950 K. Les boues légères peuvent être ici soit mélangées avant la filtration avec un agent filtrant avec une fritte de verre, soit être amenées sur cet agent filtrant séparément de cette fritte mais en même temps qu'elle. Les boues légères seront introduites en commun avec l'agent filtrant dans le fût de stockage définitif. Pour réduire les pertes en produits de fission, ces boues peuvent être lavées avec de l'acide nitrique dilué après l'opération de filtration ou de centrifugation et avant le séchage. Le mélange de matières solides radioactives ou de boues légères et/ou de débris de gaînes, et de fritte de verre, peut être recouvert dans les futs de stockage définitif par au moins une couche inactive, comme par exemple une couche de fritte de verre et/ou une couche de poudre métallique (pour améliorer la conductivité thermique). L'invention sera mieux comprise en regard des des- sins annexés, qui représentent trois modes différents de réali- sation du procédé selon l'invention. soit - la figure 1 illustrant le schéma 1 représente l'en- robage et la solidification de débris solides radioactifs, de com- posants du coeur du réacteur ou des structures, ou de pellets céra- miques radioactifs etc. - la figure 2 illustrant le schéma 2 représente la façon de procéder pour la transformation des boues légères en produit apte au stockage définitif. - la figure 3 illustrant le schéma 3 représente la façon de procéder pour la transformation des gaÂnes d'éléments combustibles et/ou fertiles en produit apte au stockage définitif. Façon de procéder selon la figure 1 Selon le procédé de l'invention, des matières soli- des radioactives, qui peuvent être constituées par exemple de débris solides, de composants du coeur ou des structures, ou de pellets céramiques, etc, sont introduites en commun avec une fritte de verre dans une coquille utilisable pour le stockage définitif, puis elles sont soumises à un frittage sous pression dans un four de frittage. Façon de procéder selon la figure 2 Selon le procédé de l'invention, la suspension pro- venant de la centrifugeuse de clarification (ou la solution d'alimentation provenant directement de la dissolution)est transférée en commun avec la fritte de verre sur un filtre, les boues légères et le verre à fritter arrivant simultanément sur la paroi du filtre. Comme filtre, on peut utiliser soit la technique utilisée à Karlsruhe avec des poches en matière plas- tique, soit.des bougies filtrantes en verre fritté appropriées. Les unités de filtration chargées de boues légères et de verre à fritter en proportions appropriées (par exemple 20 % en poids de boues et 80 % en poids de fritte de verre) peuvent être encore lavés avec de l'acide nitrique dilué, afin de réduire les pertes en produits de fission. Le filtrat de la supension peut être transféré à nouveau dans la centrifugeuse afin de relaver les boues légères. De cette façon, il ne se produit pas de déchets secondaires. Après lavage et séchage, les unités de filtration sont disposées dans une coquille en acier, et les espaces res- tant libres entre les unités de filtration et la paroi ainsi que le fond de la coquille sont remplies de fritte de verre. Après l'opération de séchage préalable, o l'on a éliminé de la coquille l'humidité et les produits de décomposi- tion des poches filtrantes en matière plastique, si celles-ci ont été utilisées, le contenu de la coquille est d'abord recou- vert d'une couche de fritte de verre, et si nécessaire, il est compacté un peu par vibrations. Ensuite, une couche d'une-épais- seur appropriée d'une poudre métallique est déposée sur la fritte de verre, puis la coquille est amenée dans le four chauffé par induction o il est porté sous pression selon un programme prédéterminé, à la température de frittage nécessi- tée par la fritte de verre. La durée de En.vie Coule (par exemple 1 à 3 heures) et après application d'une pression de 20 à 500 bars sur le produit du frittage, la coquille est en même temps hermétiquement fermée par frittage de la couche de poudre métallique. Pour plus de sécurité, il est possible de souder ensuite un couvercle avec tète de prise. Les avantages suivants peuvent être notés par rap- port aux procédés utilisés jusqu'à présent ou proposés: - faibles pertes en matière combustible par possibilité de lavage des boues, LO - filtration dans un récipient qui peut être introduit directe- ment dans la coquille de dépôt définitif, - concentration élevée des boues, - répartition homogène des boues dans la fritte de verre, - la fritte de verre sert d'agent auxiliaire de filtration par L5 le fait qu'il arrive simultanément avec la boue sur la paroi du filtre, - pas de problème de gaz d'échappement, car l'opération de frit- tage se déroule pratiquement dans une coquille fermée, - peu d'étapes d'opérations par rapport à d'autres procédés, !0 - matrice exempte d'hydrogène et de ce fait, pas de problème de radiolyse avec le produit, - facteur élevé de réduction du volume en comparaison avec l'in- corporation dans du ciment. Mode de réalisation selon la figure 3: !5 Des gaines d'éléments combustibles lessivées sont, après rinçage à l'acide nitrique, séchées à l'air chaud, leur position étant souvent modifiée par des secousses, afin d'éli- miner toute l'humidité. Après cela, les gaines laminées ou non sont intro- [0 duites en commun avec la fritte de verre dans la coquille de stockage final. Le remplissage s'effectue ici de façon à obtenir un tassement aussi compact que possible des gaines et de la fritte de verre avant l'opération de frittage. Ce tassement peut être obtenu par des secousses ou des vibrations appropriées. R E V E N D I C A T I O N S ) Procédé pour enrober des matières solides con- tenant des matières radioactives ou contaminées par radioacti- vité, provenant d'installations nucléaires, dans une matrice destinée au stockage définitif, procédé caractérisé en ce que l'on ajoute aux matières solides radioactives de la fritte de verre en quantité correspondant à 30 - 90 % en poids du produit final, et introduit le mélange dans un récipient de stockage définitif, puis lui fait subit un frittage sous pression dans un four de frittage, pendant une durée comprise entre 15 minu- tes et 50 heures, sous une pression comprise entre 20 et 500 bars et à une température comprise entre 650 et 9500K, pour former un corps solide, et qu'ensuite le récipient de stockage définitif est fermé. 2 ) Procédé pour l'enrobage et la solidification de résidus insolubles radioactifs apparaissant, durant l'opéra- tion de dissolution dans l'acide nitrique chaud, lors du retrai- tement d'éléments combustibles nucléaires et/ou d'éléments fertiles irradiés, et/ou de débris de gatnes lessivés d'élé- ments combustibles et/ou d'éléments fertiles, selon la revendi- cation 1, o: a) - dans le cas de résidus insolubles, ceux-ci sont séparés par filtration ou par centrifugation de la solution de ma- tière combustible et/ou de matière fertile, dans le cas de débris de gaînes, ces matières sont laminées après disso- lution et séparation des matières combustibles et/ou fer- tiles, et b) - ensuite, le résidu insoluble et/ou les débris de gaines, sont mélangés avec une matrice de solidification ou y sont enrobés, et transformés en une forme apte au stockage définitif, procédé caractérisé en ce que c) - le résidu insoluble, c'est-à-dire les boues légères (FKS) sont mélangées ou enrobées, avant ou après la séparation des solutions de matière combustible et/ou fertile, les segments de gaines après laminage avec de la fritte de verre, dans un rapport entre la boue ou le débris de gaines et la fritte de verre, qui se situé entre 10 et % et 70 et 30 % en poids, d) - le mélange est introduit dans un récipient de stockage définitif, l'espace libre qui reste éventuellement entre le mélange et la paroi ou le fond du récipient étant comblé avec de la fritte de verre, e)le récipient chargé, encore ouvert, est chauffé pendant une durée pouvant se monter jusqu'à 10 heures, pour éliminer l'humidité et les autres matières volatiles, à une tempéra- ture comprise entre 350 et 523 K, et enfin, f)- après transfert du récipient dans un four de frittage et après couverture du mélange dans le récipient, le contenu J0 du récipient est soumis à un frittage sous pression pendant une durée de 15 minutes à 50 heures, sous une pression de à 500 bars et à une température de l'ordre de 650 à 950 K. ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la boue est amenée sur un agent filtrant, soit avant la filtration en mélange avec de la fritte de verre, soit sépa- rément de celle-ci mais en meme temps qu'elle. ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la boue est introduite dans le récipient de stockage définitif en commun avec l'agent filtrant. 20. 5 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la boue est lavée avec de l'acide nitrique dilué, après l'opération de filtration ou de centrifugation, et avant le séchage, afin de réduire les pertes en produits de fission.-