Brevet FR2516237A1 — publié le 19830513

L'invention concerne un calorimètre à flux de chaleur, pour la mesure du débit de chaleur d'un fût contenant des déchets radioactifs, dans le cas de déchets ayant un débit de chaleur d'environ 300 watt par fût, la mesure étant effectue par détermination d'un gradient de température. Pour le choix du mode de stockage de déchets radioactifs dans une mine de dépôt et pour assurer la sécurité il est nécessaire de connartre notamment le dégagement de chal provenant des déchets emballés dû à la décomposition radioactif des nucléides de radon. C'est ainsi que, dans le cas de déchet sans dégagement de chaleur, on peut choisir un stockage en chambres, de coût favorable, tandis que, lors de déchets à dé; gement de chaleur, tels que les boues de clarification cimenté en fûts de 200 litres provenant du retraitement de combustible nucléaires, il est nécessaire de prévoir un stockage coûteux dans des forages de mines en vue d'accroître l'évacuation de la chaleur dégagée.Suivant l'âge et la proportion volumétriqu des déchets dans des conteneurs de stockage, le dégagement de chaleur, par exemple dans le cas de boues de clarification cimentées, pour varier de moins de 10 watt jusqu'à environ 150 watt par fût de 200 litres. Les affirmations relatives au dégagement de chaleur de ces fûts de déchets ont été appuyées jusqu'à mainte sur des estimations grossières basées sur des calcules sur la combustion et d'analyses lors du retraitement de combustibles nucléaires usagés. Avec de telles estimations, on n'a disposé, jusqu'à maintenant, que de valeurs limites pour le débit de chaleur de fûts de déchets de la catégorie supérieure de déche émetteurs de chaleur. Aucune mesure de débit de chaleur n'a encore été effectuée sur de petits échantillons. La méthode employée jusqu'à ce jour pour la détermination du débit de chaleur des déchets à haute émission de chaleur emballés, sur la base de calculs de combustion et d'analyses présente les inconvénients suivants - étant donné que l'analyse de boues de classification ne peut être effectuée que très difficilement (en raison des teneurs en solides extrêmement différentes) et avec des dépenses importantes (technique à cellules de chauffage) on n'a pu établir jusqu'à maintenant que des résumés de résultats de référence (car les résultats d'analyses varient fortement). La répartition des nucélides calculée sur la base de la combustion complète des éléments combustibles ne donne les véritablescomentrations dans les boues de clarification qu'avec une grande imprécision, ce qui influence également défavorablement le débit de chaleur calculé. - pour le calcul du débit de chaleur rapporté au fût de stockage, il est nécessaire de connattre les volumes et masses individuels des composants (déchet en suspension dans du béton). Ces données ne peuvent être obtenus lors du traitement en cellules de chauffage qu'avec une grande imprécision. - indépendamment de l'imprécision de la détermination du débit de chaleur des fûts, le procédé actuel ne constitu pas une méthode de routine et, par suite, il ne convient pas au contrôle d'entrée de produits dans un stockage définitif. - avec le procédé actuel, on est dépendant des indications fournies par le producteur de déchets. L'invention a pour but de fournir une installation avec laquelle le débit de chaleur de récipients remplis de déchets radioactifs peut être mesuré. Dans ce but, l'invention a pour objet un calorimètre à flux de chaleur, pour la mesure du débit de chaleur d'un conteneur de déchets radioactifs, avec une émission de chaleur d'environ 300 watts, par conteneur, par détermination d'un gradi3nt de température, caractérisé en ce que le conteneur de déchets est entouré par une enveloppe absorbante qui absorbe le rayonnement radioactif émis par le conteneur et qui s'échauffe, au moins le corps cylindrique de l'enveloppe absorbante est entouré par un bloc de mesure de chaleur, qui détermine le gradien de température entre sa face intérieure et sa face extérieure, et qui est entouré par un élément refroidisseur réglable, le conteneur de déchets, l'enveloppe absorbante, le bloc de mesure de chaleur et l'élément refroidisseur étant enfermés dans une enveloppe extérieure en matériau isolant de la chaleur. L'invention propose différentes formes de réalisation avantageuse de cette installation. L'invention apporte les avantages suivants - le calorimètre à flux de chaleur convient pour des mesures de routine qui peuvent être effectuées après l'emballage des déchets, par exemple dans le cas de contrôle d'entrée des produits dans un stockage définitif. - avec ce calorimètre le débit de chaleur d'emballages finaux de déchets de 200 litres peut être déterminé avec précision, sans recevoir d'informations du productetir de déchets (par exemple sur la composition et l'åge des déchets). - la simplicite de la constitution de l'alJpareil de mesure et de ses éléments de service donne la possibilité de le mettre en oeuvre dans le cas de cellules de chauffage, avec les installations de manipulation déjà existantes (par exemple, appareil de saisie de fAts, grues). Le système électronique de mesure et d'exploitation de résultats nécessaire est placé à l'intérieur des cellules chaudes. L'invention est expliquée ci-après à propos d'un exemple de réalisation avec référence aux figures 1 à 3 annexées, représentant - en figure 1, un calorimètre suivant l'invention - en figure 2, la courbe de rayonnement à travers une couche de plomb en fonction de son épaisseur - en figure 3, la courbe d'accroissement de'tempé- rature du calorimètre en fonction du temps. Le calorimètre à flux de chaleur de la figure 1, pour un fût de déchets de 200 litres, contient, entre autres, une enveloppe absorbante, par exemple en plomb, destinée à absorber et convertir en chaleur le rayonnement gamma radioactif. Cette enveloppe est composée d'un corps cylindrique 3 avec un couvercle 5 et une pièce de fond 4. Le fût ou récipient de déchets 1 est placé dans un conteneur en acier hautement allié 2, sur l'extérieur duquel s'appuient les éléments 3 eut 4 de l'enve- loppe absorbante. La pièce de couvercle 5 de l'enveloppe est entourée par une enveloppe d'acier 18 avec dispositif saillant de saisie 21 et elle repose sur une collerette circulaire 20 qui constitue un pont de chaleur. Sur ce couvercle 5 est placé le couvercle isolant 13 en matériau isolant de la chaleur dont la surface supérieure est recouverte d'une plaque d'acier 19 avec dispositif de saisie 21. Le couvercle isolant 13 est séparé du couvercle absorbant 5 du point de vue de transmission de chaleur. L'enveloppe d'absorption 3 à 5 et notamment son corps cylindrique 3, est entourée étroitement par un bloc de mesure de chaleur thermostatique 6 qui fait saillie au-delà des deux faces frontales du corps d'enveloppe 3 et qui est constitué en alliage de métal léger. Concentriquement au bloc de mesure de chaleur 6 et au corps d'enveloppe cylindrique 3, est prévu un élément refroidisseur thermostatique réglable 7 qui est monté étroitement sur la surface extérieure 16 du bloc de mesure de chaleur 6.-Avec cet élément refroidisseur, la température extérieure du bloc de mesure de chaleur 6 est réglable à une valeur constante. Les températures sur la surface intérieure 15 et la surface extérieure 16 du bloc de mesure de chaleur 6 peuvent être déterminées au moyen de thermo-éléments Il et 12. L'ensemble de mesure 3, 6,7 est entouré par une enceinte isolante de la chaleur avec enveloppe 9, couvercle 13 et fond 17 en matière minérale thermiquement isolante. Des épaulements prévus sur les surfaces extérieures et les surfaces frontales de l'enveloppe du couvercle et du fond 9, 13, 17 servent au maintient de l'ensemble de mesure ainsi qu'au maintien du conteneur de déchets 2 et du fût 1. Les éléments 2 17, 9 et 13 des moyens d'isolation peuvent en supplément être enfermés dans une enveloppe en acier 10, 19 tandis que la pièce de couvercle 5 de l'enveloppe absorbante est entourée d'une gaine 18 d'alliage d'acier. le calorimètre à flux de chaleur du type décrit ci-dessus peut être disposé sur une plateforme de montage dépla çable sur roues 14. les pièces de couvercle 13 et 5 de l'enveloppe d'isolation de chaleur et de l'enveloppe d'absorption sont pourvues chacun d'un appendice de saisie 21 pour un appareil manipulateur adapté au conteneur de déchets 1. Le calorimètre pour la mesure de débit de chaleur des conteneurs de déchets 1 se compose par conséquent d'un récipient intérieur 2, 18 pour recevoir l'échantillon de mesure, qui est monté séparément, par un absorbeur 3, 4, 5 et une couche de transmission de chaleur 5, dans un récipient extérieur 9, 13, 17, 10, 19. Dans ce type de calorimètre, la température du récipient extérieur est maintenue constante (par exemple égale à la -température du local). lors de l'introduction de l'échantillon producteur de chaleur, il se forme un gradient de température, de l'intérieur vers l'extérieur, dans le bloc de mesure 6. De la chaleur s'écoule vers l'extérieur. Cette évacuation de chaleur est en équilibre avec la production de chaleur dans l'échantillon (conteneur de déchets 1). Le gradient de température mesuré entre les thermo-éléments 15, 16 prévus sur la paroi intérieure 15 et la paroi extérieure 16 est proportionnel à la chaleur émise par l'échantillon de mesure Dans le cas décrit ici, on peut partir du fait que, malgré Da décomposition radioactive des nucléides fixés dans le conteneur de déchets 1, le débit de chaleur reste constant pendant la durée du temps de mesure relativement courte (de 1 È 3 jours). Le débit de chaleur est ainsi directement proportionr à l'augmentation de température par unité de temPs mesurée. Dans cette équation, P s débit de chaleur de l'échantillon en conteneur 1 en watt, Mj= masse de l'échantillon en conteneur 1 ainsi que des élémen i de construction du calorimètre en Kg, C Pi = capacité thermique spécifique de l'échantillon en conten 1 ainsi que des éléments de construction en Ws/Kg K, = = coefficient de conduction de chaleur du bloc de mesure 6 en W/m2 X, S = surface extérieure efficace du calorimètre en m2, T = température en K sur la face intérieure 15 du bloc de mesure 6, T = température en E sur la face extérieure 16 du bloc de v mesure 6, dTs = variation ae la température (? ) du calorimètre en fonct dt du temps (t) en S/K, QC.S. = (TS-Tv) = échange de chaleur avec l'extérieur. Après un temps de mesure suffisant, il 'établit un état stationnaire, dans lequel l'évacuation de chaleur est égale à la production de chaleur dans le calorimètre, c'est-àdire que dTs = 0. dt L'équation ci-dessus peut ainsi entre simplifiée et on obtient P o(.S. (T5 - Tv) Le facteur .S peut être déterminé par étalonnage avec un corps échantillon chauffé électroniquement. Pour l'absorption de l'énergie totale dans le calorimètre, le revêtement isolant en plomb 3 à 5 dans l'espace intérieur est nécessaire. (Une épaisseur d'environ 3 cm suffit pour capter 98 % de la chaleur émise). Dans la figure 2, l'énergie de rayonnement absorbe dans la source de rayonnement 1 et dans l'isolation en plomb rapportée à la quantité totale d'énergie rayonnée en fonction de l'épaisseur tpb de l'isolation 9 à 5. Des estimations ont montré que, lors de l'emploi de conteneurs de 200 litres avec des déchets cimentés, qui ont un débit de chaleur de 100 watt, il s'établit un gradient de température sur l'élément transmetteur de chaleur d'environ 100C, pour une capacité calorifique de 0,22 W/mE du bloc de mesure de chaleur et une épaisseur de 6 cm. Le temps de mesure jusqu'à atteinte d'un état d'équilibre de température est'de l'ordre de grandeur de 2 jours. La figure 3 montre l'accroissement de température en fonction de temps t (en jours). REVENDICATIONS 10)Calorimètre à flux de chaleur, pour la mesure du débit de chaleur d'un conteneur de déchets radioactifs, avec une émission de chaleur d'environ 300 Watts par conteneur, par détermination d'un gradient de température, calorimètre caractérisé en ce que le conteneur de déchets (1) est entouré par une enveloppe absorbante (3à 5) qui absorbe le rayonnement radioactif émis par le conteneur et qui s'échauffe - au moins le corps cylindrique (3) de l'enveloppe absorbante (3à 5) est entouré par un bloc de mesure de chaleur (6) qui détermine le gradient de température entre sa face intérieure (15) et sa face extérieure (16), et qui est entouré par un élément refroidisseur réglable (7) - le conteneur de déchets (1), l'enveloppe absorbante (3 à 5), le bloc de mesure de chaleur (6) et l'élément refroidisseur (7) étant enfermés dans une enveloppe extérieure (9, 13 17) en matériau isolant de la chaleur. 20) Calorimètre à flux de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le conteneur de déchets (1) est placé dans un cylindre d'acier (2) avec pièce de couvercle (18) qui est en contact étroit avec l'enveloppe absorbante (3 à 5). 30) Calorimètre à flux de chaleur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le bloc de mesure de chaleur (6) ainsi que l'élément refroidisseur (7) ont une forme cylindrique et font saillie au delà des faces frontales du cylindre d'enveloppe (3) de l'enveloppe absorbante (3 à 5). 40) Calorimètre à flux de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, sur la face intérieure (15) et sur la face extérieure (16) du bloc de mesure de chaleur (6) sont disposées des thermoéléments (11, 12, 8) pour la mesure de la température ainsi que pour le réglage de la température de l'élément refroidisseur (7). 50) Calorimètre à flux de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enveloppe extérieure (9, 13, 17) est entourée par une enveloppe en acier (10, 19). 60) Calorimètre flux de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le couvercle de protection de rayonnement (5) et le couvercle d'son latin(15) du conteneur (1) sont pourvus chacun d'un appendice de sortie (21) pour un appareil manipulateur.