Brevet FR2560071A1 — publié le 19850830

La présente invention a pour objet une centrifugeuse pendulaire de décantation. De façon plus précise, la présente $nvention concerne une machine qui permet d'obtenir la décantation de particules de taille réduite en suspension dans un liquide par mise en rotation du liquide dans un bol de centrifugation, ce bol étant fixé à l'extrémité inférieure d'un arbre de mise en rotation. On sait que dans le retraitement des assemblages combustibles de réacteurs nucléaires, l'ensemi1e des opérations 1 de retraitement, c'est-à-dire dans la récupération des acti- nides encore présents dans les assemblages combustibles usés, sortis du coeur du réacteur, on trouve plusieurs opérations. Tout d'abord, on procède au démantèlement des assemblages cornbustibles, c'est-à-dire & leur cisaillage en éléments de longueur réduite. Chacun de ces petits éléments comporte donc une partie du matériau fissile irradié, des produits de Fission solides et une partie de la gaine de protection de l'assemblage combustible qui est en général réalisée en zir- calloy. Dans une deuxième étape, on effectue une dissolution des éléments. Cependant, les gaines et certaines particules ne passent pas en solution et restent en suspension. Il s'agit par exemple de petits éléments de la gaine qui se présentent ainsi sous forme de "limaille" et dont les dimensions peuvent aller de quelques microns à quelques millimètres, On trouve 2; sgal e!ment des produits de fission solides insolubles dont les dimensions peuvent aller de moins d'un micron à quelques mi- crons. Le deuxième type de particules qui restent en suspen- sion est bien sOr très radioactif. On sait qu'après cette dissolution, on extrait de cette solution par des procédés chimiques. les produits fissiles ou non encore présents; c'est le retraitement. Cependant, la présence des deux types de produits insolubles est très genan- te pour cette opération d'extraction. D'une part, les produits insolubles risquent de s'accumuler et d'obturer les appareils d'extraction. D'autre part, parmi ces particules solides, le zircalloy finement divisé présente des risques d'inflammation spontanée. Enfin, les produits de fission insolubles risquent de créer des points chauds dans les appareils. B 6589.3 GD 2' 2560071 C'est pourquoi, il est prévu entre la phase de dis- solution et la phase d'extraction, une phase dite de 'clari- fication' pour extraire au maximum les particules encore en suspension dans la solution. Trois types de solutions ont été déjà proposés. On peut d'abord citer la décantation statique. En fait, cette solution est peu intéressante car vu la taille des particules, cette opération ne permet en fait que d'enlever les particules les plus importantes si on ne veut consacrer à cette opération qu'un temps raisonnable. Une autre solution est la filtration. L'inconvénient maJeur de cette solution est qu'on a un colma- tage rapide des cartouches filtrantes. On a utilisé également une troisième solution qui consiste à utiliser une décanteuse centrifuge pendulaire. Cette solution consiste à placer dans un bol tournant la solution contenant les insolubles et à prévoir sur le rebord supérieur du bol un passage de déversement. Compte tenu de la vitesse de rotation, les particules solides se plaquent le long de la paroi latérale du bol pour constituer un 'gateau" et le liquide sort du bol par les passages de déversement. Cepen- dant, l'inconvénient des centrifugeuses- décanteuses de l'art antérieur réside dans le traitement ultérieur du "gateau" d'insolubles. En effet, après l'opération de centrifugation, ce gâteau retient encore une certaine fraction de solution de matériau fissile ou autre à récupérer. On procède donc à une phase de rinçage à l'acide nitrique de ce gateau. Cependant, ce rinçage présente certains problèmes. D'une part, il faut des volumes de rinçage importants qui sont donc générateurs de quantités supplémentaires d'affluents liquides puisque l'opé- ration doit être répétée plusieurs fois. Il s'effectue en régi- me quasi laminaire et est donc peu efficace. Il nécessite donc des volumes importants de solution. De plus, ce rinçage est d'autant plus efficace que les solutions de rinçage ont une densité égale ou supérieure à celle du liquide de rétention à chasser. On est donc limité dans le choix des solutions de rinçage. B 6589.3 GD 25600 71 En outre, dans les centrifugeuses de l'art antérieur, on ne trouve pas de géométrie nucléaire sûre, c'est-à-dire qu'en cas de bouchage accidentel des orifices de sortie, la configuration du matériau fissile susceptible d'être présent peut être critique. La présente invention a précisément pour objet une centrifugeuse pendulaire de décantation qui pallie les in- convénients cités ci-dessus. En particulier, la centrifugeuse objet de l'invention permet d'obtenir une plus grande effi- cacité de décantation. En outre, le bol de la centrifugeuse est tel qu'une géométrie sous critique est réalisée, Enfin, l'opération de rinçage du gâteau se fait dans des conditions beaucoup plus favorables et qui permettent une meilleure ex- traction des matériaux fissiles restant dans ce gâteau, en nécessitant des quantités très réduites de solution de rinçage. Pour obtenir ces résultats, l'invention consiste en une centrifugeuse pendulaire de décantation d'un liquide con- tenant des particules solides; elle est du type comportant sous un bouchon fermant une dalle de protection biologique, une enveloppe externe fixe suspendue à la dalle et dans cette enveloppe, un bol rotatif fixé par son fond à l'extrémité inférieure d'un arbre vertical de mise en rotation, cet arbre traversant ledit bouchon, ladite centrifugeuse se caractéri- sant en ce que ledit bol comporte une partie supérieure de forme cylindrique dont le rebord supérieur constitue un bord de déversement pour ledit liquide et une partie inférieure, la paroi interne de la partie inférieure étant inclinée par rapport à l'arbre de mise en rotation, raccordée d'une part au fond dudit bol et d'autre part à. ladite partie supérieure du bol par une surface de raccordement conique très évasée, en ce que ledit bouchon comporte un prolongement cylindrique pénétrant a-1'intérieur de ladite partie supérieure et déli- mitant avec ladite partie cylindrique un espace annulaire dit de "clarification" communiquant par un passage de révolution avec ladite partie inférieure du bol, et en ce qu'elle com- prend ou moins une premiere tubulure d'introduction traversant ledit bouchon et apte à envoyer ledit liquide vers ledit pas- B 6589.3 GD 4 - 2560071 sage, une deuxi-me tubulure munie de buses aptes & envoyer un liquide vers la paroi cylindrique de la partie supérieure du bol, des moyens pour recueillir dans ladite enveloppe ledit liquide dit 'clarifié" qui a franchi le bord de déversement, des moyens par siphon pour extraire ledit liquide contenu dans la partie inférieure dudit bol et des moyens solidaires dudit bouchon pour créer une agitation du li.qui.de contenu dans la- dite partie inférieure dudit bol lorsque celui-ci est mis en rotation, la conicité de ladite partie inférieure du bol et a0 celle de la surface de raccordement étant telles qu'à partir d'une certaine vitesse de rotation du bol, le liquide et les particules contenus initialement dans la partie inférieure remontent dans l'espace annulaire de "clarification". De préférence, la paroi interne de la partie infé- rieure du bol présente dans sa portion supérieure une forme conique. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté: - sur la figure 1, une vue en coupe verticale de l'ensemble de la centrifugeuse selon un premier plan vertical diamétral, et - sur la figure 2 une vue en coupe verticale selon un deuxième plan diamétral sensiblement perpendiculaire au pre- mier. Sur les figures, on a représenté un exemple de réali- sation de la centrifugeuse L'ensemble des parties actives de la centrifugeuse est disposé en-dessous d'une dalle 2 de protection biologique par exemple en béton. Au-dessus de la centrifugeuse proprement dite, cette dalle est constituée par un bouchon amovible 4. La centrifugeuse est enfermée dans une enveloppe de forme générale cylindr. ique: 6 suspendue à- la dalle 2 et munie d'un tube évent 96. Lebol de la centrifugeuse portant la xé.férance générale 8 est fixé par son fond sur nn arbre d'entraenement en rotation 10 qui traverse le.iouchon 4 B 6589.3 GD p.r un alésage vertical 12. A son extrémité supérieure 1Oa, l'arbre 10 est supporté par un palier 12 permettant un certain effet de rotulage. Cet arbre 10 au-dessus de son extrémité supérieure 10a est relié a l'arbre 14 d'un moteur électrique d'entraînement 16. De plus, il est prévu des moyens d'étan- chéité par exemple par balayage de gaz introduit par une tubu- lure 18. Le bol rotatif 8 comprend une partie supérieure 8a de décantation et une partis inférieure 8b munie d'un fond constituant une zone-de recueil. La zone de décantation 8a est constituée par une paroi cylindrique de diamètre D1 alors que la paroi interne 20 de la partie inférieure 8b de recueil est conique. Plus précisément, cette paroi fait un angle de l'ordre de 15 avec la direction verticale, c'est-à-dire la direction de l'axe de rotation 10. Plus généralement, ce demi- angle est compris entre 10 et 20 degrés et de préférence très voisin de 15 degrés. Une portion annulaire de raccordement légèrement conique 22 réunit la partie inférieure 8b et la partie supérieure 8a. En fait, comme on l'a déjà indiqué, il n'est pas nécessaire que la paroi interne de la partie inférieure 6b soit conique. Il suffit que la partie supérieure de cette paroi au voisinage de la portion de raccordement 22 soit inclinée par rapport à l'axe vertical. Par exemple, cette por- tion de la paroi pourrait être un paraboloide. Dans ce cas, ce sont les plans tangents à cette surface qtui vérifieraient les conditions d'angle. Enfin, le bord supérieur de la partie supérieure 8a est mLuni d'une plaque annulaire 24. Il faut préciser que le bouchon 4 se prolonge à sa partie inférieure 4a à l'intérieur de la partie supérieure 8a du bol rotatif. Cette paroi 8a est munie d'ailettes radiales 9. Il y en a quatre par exemple. La paroi latérale 26 du prolongement 4a du bouchon définit avec la paroi latérale 8a du bol rotatif un espace annulaire de clarification 28. Il est important de noter que cet espace annulaire 28 est en commu- nication par un passage supérieur 30 annulaire avec l'inté- rieur de l'enveloppe 6 et que d'autre part, il communique à B 6589.3 GD sa partie inférieure, par un passage annulaire 32 avec la zone de recueil 34 définie par la partie inférieure du bol 8h. Une virole 35 solidaire de l'enveloppe 6 sépare celle-ci en un espace de déversement externe 36 communiquant avec le passage 30 et un espace de recueil 38 interne à la virole 35. Une tu- bulure 40 débouche à l'extrémité inférieure de l'espace an- nulaire 36. De même, une tubulure 41 d'évacuation débouche dans le fond de l'espace 38. Il faut ajouter qu'à l'intérieur de la zone 34 de recueil, on trouve une virole cylindrique 52 qui définit avec la paroi interne 54 de la partie 8b une zone de trop plein 56. Celle-ci est munie d'un passage 58 tra- versant le fond de la partie inférieure 8b, ce qui met en com- munication l'espace de trop plein 56 avec la région 38. On trouve également, traversant la partie inférieure 4a du bouchon 4, une tubulure 42 débouchant dans la face infé- rieure 4b du bouchon 4. Cette tubulure 42 se prolonge par un déflecteur 44 qui dirige le liquide traversant la conduite 42 vers le passage annulaire 32. A son autre extrémité; la tubu- lure 42 est raccordée à une tuyauterie 46 rétractable d'ali- mentation en liquide à décanter. A l'intérieur de la centrifugeuse, on trouve également une conduite 60 dont l'extrémité libre est voisine du fond de la partie inférieure 8b, cette tubulure 60 traversant le bou- chon 4a et constituant une des branches d'un siphon 62 dont l'autre branche est référencée 64. Ce siphon sera décrit plus en détail ultérieurement. En réalité, il y a deux dispositifs de siphon iden- tiques pour assurer le fonctionnement. On peut prévoir deux siphons en 'réserve'. Sur les figures, on voit que la centrifugeuse comporte également une tuyauterie 70 de décolmatage du gâteau qui est munie de buses 72 dirigées vers la paroi latérale de la partie cylindrique 6a du bol rotatif. On trouve également une conduite 74 dont l'extrémité débouche au voisinage du fond de la partie inférieure 8b. On trouve enfin une tubulure 76 traversant également le bouchon 4 et servant au lavage de la zone de trop plein 56. - B 6589.3 GD A titre d'exemple, on peut indiquer que dans sa partie supérieure 8a, le bol rotatif a un diamètre D égal à 900 mm. En outre, ce bol est réalisé en titane, ce qui permet grâce à cette diminution de densité, d'avoir un bol de diamètre plus important pour une même vitesse nominale de rotation. Cette augmentation de diamètre par rapport aux centrifugeu- ses de l'art antérieur, permet, toutes choses égales par ail- leurs, d'améliorer le pouvoir d'arrêt, c'est-à-dire l'effica- cité de la décantation. Le fonctionnement de la centrifugeuse est le suivant: lors de l'opération proprement dite de décantation, on envoie la solution par la tubulure 42 après mise en rotation du bol à sa vitesse nominale de fonctionnement. Sous l'effet de la rotation et grâce à la présence du déflecteur 44, le liquide pénètre dans la zone annulaire de décantation 28. Les parti- cules en suspension viennent se plaquer sur la paroi 8a (ces particules sont symbolisées par les croix P] formant ainsi le gâteau. Le liquide sous l'effet centrifuge sort par le passage 30 et se déverse dans la zone 36. Ainsi, la solution est clarifiée, c'est-à-dire qu'elle ne contient pratiquement plus de particules en sus- sension. Cette solution clarifiée sort par la tubulure 40. Après clarification du volume de solution correspondant au tonnage fixé, on arrête le bol 8 par ralentissement naturel. Le gâteau reste colle sur la paroi latérale 8a du bol. Les liquides tombent dans l'espace 34 de recueil. On vidange par siphon cette solution qui peut contenir des fragments de "gâeteau" en amont de la clarification pour âtre recyclée ul- térieurement. Comme on l'a déjà indiqué, le "gâteau" qui s'est formé sur la paroi latérale 8b doit être rincé pour en extraire la.solution qui y est encore retenue. Pour effectuer cette opération, on effectue les opérations suivantes à l'aide de la tubulure 70, on injecte de la solution nitrique par les buses 72 pour provoquer le décolmatage du gâteau. Cela nécessite dans le mode de réalisation représenté un volume de solution inférieur au volume de l'anneau de clarification. B 6589.3 GD Sous l'effet de ce décolmatage, les boues tombent dans la zone inférieure 34 o elles sont maintenues en suspension par des rotations de préférence alternées à faible vitesse du bol 8, obtenues par commande du moteur 16. Les extrémités inférieures des tuyauteries de siphonnage 60 Jouent le rôle d'agitateurs. On obtient ainsi un très bon rinçage. Après cette opération de brassage, le bol est mis progressivement en rotation à sa vitesse nominale. Les liquides et les solides remontent le long de la paroi conique 20 de la partie inférieure 8b du bol jusqu'à ce que l'ensemble se retrouve dans l'espace annulaire de clarification 28, cette remontée se produisant à une vi- tesse largement inférieure à la vitesse nominale. Après la reconstitution du gâteau, on arrête la centrifugeuse, de pré- férence par ralentissement naturel. La solution de rinçage retombe au fond de la partie inférieure 8b, elle est recyclée en amont de la clarification, c'est-à-dire à l'entrée de la tubulure 42. On répète les opérations de rinçage plusieurs fois. On comprend que grâce à ce dispositif et à ce proces- sus de rinçage du gâteau, le nombre de rinçages peut être limité tout en assurant une bien meilleure efficacité qu'avec les dispositifs de l'art antérieur. Comme le nombre de rinçages est limité, on comprend que la quantité d'effluents ainsi créés est également limitée. Lorsque le rinçage est terminé, les particules se trouvent dans la zone de recueil 34 en constituant une sus- pension à forte concentration en particules. Pour l'évacuer, on continue à alimenter en solution de rinçage le bol tout en maintenant l'agitation de la solu- tion par des rotations lentes du bol. La solution chargée déborde dans la zone de trop plein 56 d'o elle passe dans la zone 38. Lorsque la concentration de la suspension a suffisamment diminué, on se sert d'un deuxième siphon iden- tiquauau siphon 62 pour évacuer la solution. L'amorçage des siphons 62 se fait grâce à un piston référencé 80. Ce piston est logé dans une chambre 82 ménagée dans le bouchon 4 et obturée par un petit bouchon 84. La cham- bre 80a du piston est fixée sur le bouchon 84. Le piston proprement dit est constitué par un soufflet BOb fixé d'une B 6589.3 GD part sur le boifchon 84 et, d'autre part, sur une plaque circulaire 80c, Une tige de commande 80d est fixée sur la plaque 84. Il traverse le petit bouchon 84 et est entrainé par un moteur 86. La chambre 80e du piston est raccordée au siphon 82 par un passage 80f. On comprend qu'en relevant la. tige 80d on crée une dépression dans la chambre 80e, ce qui provoque l'amorçage du siphon. Bien entendu, on pourrait utiliser d'autres dispositifs d'amorçage classiques. Cepen- dant, il Faut noter que ce dispositif présente des avantages importants. D'une part, le soufflet 80b assure une très bonne étanchéité puisqu'il n'y a que des étanchéités statiques. D'autre part, en cas d'avarie sur le siphon, on voit qu'en soulevant le petit bouchon 84 on peut extraire l'ensemble du siphon. On voit également sur la Figure I que la deuxième branche 64 du siphon pénètre dans une enceinte intermédiaire munie d'un fond 90a au pot d'amorçage. Une conduite 92 permet d'introduire dans le pot 90 le volume de solution inac- tive nécessaire à l'amorçage du siphon. Un deuxième siphon 94 23 permet la sortie de la solution. Il résulte de la description précédente que la centrifugeuse objet de l'invention présente de nombreux avanteges par rapport aux centrifugeuses de l'art antérieur. D'une part, elle présente une géométrie sous critique du fait en particulier, du remplissage de l'espace central par le prolongement 4a du bouchon. D'autre part, elle assure une meilleure décantation. Enfin, les opérations de rinçage du gâteau ne nécessitent qu'un volume réduit de solution, ce qui diminue d'autant la quantité d'effluents liquides produits, Ces opérations peuvent être effectuées avec des solutions nitriques diluées donc ne présentant pas de risques d'inflam- mation des particules de Zircalloy. B 6589.3 GD mi E'6g99 l (9) loq np eJneTJqJUT aTeJed a;Tpel ap uosTeu$[ou$,l 'uo$; Se -eqoJ ua sTw;sa To-$nteo anbsJol loq 4Tpnp (q]) eanaTJ -gauT aelqed a; îpel suep nuaquoo apTnbîI np uo$3e;2Be aun Jaq.om xnod (t) uoqanoq qTpnp saaJepT[os suaiow sap 4a (9) [oq;îpnp aJnaaUT aFzaed el suep nua;uoo apînbTI 4pal aj.erçxa inod uoqdTs jed suafiow ap selqwasua xnap 0O suTow ne ';UawaSJaeap ap pioq al T4qoueJ e Tnb gTJTeloo. 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Centrifugeuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite paroi interne (20) de ladite partie inférieure du bol est conique. 3. Centrifugeuse selon la revendication 2, caractérisée en ce que le demiangle -au sommet de ladite paroi conique est compris entre 10 et 20 degrés. 4. Centrifugeuse selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisée en ce que ledit bol (8) est réalisé en titane. 5. Centrifugeuse selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisée en ce que ladite partie inférieure (8b) du bol comprend intérieurement une virole (52) cylindrique à bord supérieur libre, entourant l'arbre (10) et définissant intérieurement un espace de trop-plein (56) pour ladite partie infé- rieure. 6. Centrifugeuse selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisée en ce que lesdits moyens par siphon consistent en une première branche de siphon (60) plongeant dans ladite partie inférieure (8b) du bol et traversant partiellement ledit bouchon (41 en une deuxième branche (80d) raccordée à la pre- mière par un té, et débouchant dans un pot extérieur à ladite enveloppe, et en des moyens d'amorçage. 7. Centrifugeuse selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens d'amorçage con- sistent en un piston (80) comportant une chambre (80e) raccordée au té (80f) dudit siphon et dans cette chambre un soufflet métallique (80b) déformable dont un bord est solidaire de la paroi de la chambre et dont l'autre B 6589.3 LW bord est solidaire de la périphérie d'une plaque (80c) liée è des moyens de déplacement de ladite plaque selon l'axe de ladite chambre. 8. Centrifugeuse selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit piston (80) est logé dans une cavité ménagée dans ledit bouchon (4), ladite cavité étant elle-même fermée par un petit bouchon (84) de protection biologique, ladite chambre (80e) du piston étant suspendue audit petit bouchon (84). B 6589.3 LW