Brevet FR2574091A1 — publié le 19860606

L'invention concerne un procédé de traite- ment préalable de sodium liquide contenant des impu- retés dissoutes, avant épuration ou dosage de ces impuretés. Le fluide de refroidissement des chaudières nucléaires à neutrons rapides est très souvent du so- dium liquide dont il est nécessaire de surveiller et de maintenir à un niveau le plus bas possible, la te- neur en impuretés et plus particulièrement en impure- tés dissoutes telles que des oxydes, des hydrures ou de l'hydrogene. Ces impuretés peuvent être introduites dans la chaudière nucléaire au moment de la mise en place des composants lors du renouvellement du combustible ou du remplissage en sodium ou bien encore lorsqu'il se produit des fuites d'eau ou de vapeur dans des générateurs de vapeur. Ces impuretés continuent égale- ment à se former, au sein du sodium liquide de refroi- dissement, pendant le fonctionnement du réacteur, si bien que la teneur de ce sodium liquide de refroidis- sement en impuretés peut devenir excessive. De nombreux phénomènes sont liés directement au taux d'impuretés dans le sodium ou à la forme sous laquelle se trouvent ces impuretés. Par exemple, la corrosion apparait pour des valeurs excessives du taux de soude et le bouchage des tuyauteries pour des va- leurs importantes du taux d'hydrure et d'oxyde. Par ailleurs, la détection d'hydrogène par diffusion ne peut se faire que si-l'hydrogène est sous forme de gaz dissous. Il est donc extrêmement important de sur- veiller la teneur en impuretés dissoutes du sodium li- quide de refroidissement du réacteur et d'épurer le sodium pour limiter cette teneur à une valeur accepta- ble ainsi que de transformer les corps chimiques non piègeables ou non détectables en corps chimiques piè- geables ou détectables. On connait des dispositifs de purification du sodium dans lesquels on refroidit le sodium liquide avant de le faire passer dans une enceinte de précipi- tation ou sur un filtre en fibres métalliques, les impuretés dissoutes telles que les oxydes ou les hy- drures se déposent dans l'enceinte ou sur les fibres du filtre. Cependant, certains composés chimiques qui se forment dans le sodium tels que la soude, ne peu- vent être piègés efficacement par solidification dans les conditions d'utilisation du filtre. Ces composés, en particulier la soude peuvent être particulièrement néfastes et entrainer des détériorations sensibles des composants du réacteur en contact avec le sodium li- quide. Le dosage de ces composés ne peut être réa- lisé en utilisant les appareils de dosage des hydru- res, des oxydes ou de l'hydrogène connus actuellement. Ainsi, on ne peut effectuer une surveillance en conti- nu du taux de soude contenu dans le sodium de refroi- dissement avec un appareil permettant le dosage des hydrures ou des oxydes. Dans le cas des dispositifs de détection de fuites dans les générateurs de vapeur, par exemple, utilisant une mesure de l'évolution du taux d'hydrogè- ne dissous, l'hydrogène présent sous forme d'hydrures n'est pas pris en compte, ce qui réduit considérable- ment la fiabilité de la détection. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de traitement préalable de sodium liquide contenant des impuretés dissoutes, avant épuration ou dosage de ces impuretés, permettant la séparation et/ou le dosage de toutes les impuretés, qu'elles soient du type séparables par refroidissement comme les oxydes ou les hydrures ou du type non séparables comme la soude. Dans ce but, on -porte et on maintient le sodium liquide à une température au moins égale à 300C pour assurer la décomposition des impuretés tel- les que la soude ou les hydrures qui ne peuvent être séparées du sodium par refroidissement ou dosées. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, en se référant aux figures jointes en annexe, un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention et son applica- tion à l'épuration du sodium liquide d'un réacteur nu- cléaire à neutrons rapides et au dosage de composés chimiques dans ce sodium liquide. La figure I est une vue schématique d'un dispositif de traitement préalable de sodium liquide contenant des impuretés. La figure 2 est une vue également schémati- que montrant l'utilisation d'un dispositif de traite- ment préalable comme représenté sur la figure 1 dans le cas de la purification de sodium liquide. - La figure 3 est une vue schématique montrant l'utilisation d'un dispositif de traitement préalable comme représenté sur la figure 1, dans le cas du dosa- ge d'un composé, par exemple de la soude, dans du so- dium liquide. Sur la figure 1, on voit un dispositif de traitement préalable de sodium liquide désigné de fa- çon générale par le repère 1. Le sodium liquide à traiter est amené en continu par une conduite 2 dans le dispositif 1 o il pénètre tout d'abord dans un échangeur économiseur 3 puis dans un réchauffeur 4 qui élève la température de ce sodium liquide jusqu'à une température supérieure à 300'C. Le sodium liquide est maintenu à cette température supérieure à 300'C dans un réservoir 5 pendant une durée variable en fonction du composé chimique à décomposer mais généralement in- férieure à 10 minutes et-dans une canalisation 7 de retour du sodium liquide chaud dans l'échangeur écono- miseur 3. Si le temps de transit dans cette canalisa- tion 7 est suffisant, le réservoir 5 est inutile. Le réservoir 5 est éventuellement en commu- nication avec un dispositif de pompage ou de balayage 9 permettant de récupérer et d'éliminer les impuretés volatiles se dégageant au dessus du niveau de sodium 8 dans le réservoir 5 pendant le maintien en température de ce sodium. A l'intérieur de l'échangeur économiseur 3, le sodium arrivant par la conduite 2 est réchauffé par le sodium venant du réservoir de maintien en tempéra- ture 5 par l'intermédiaire de la canalisation 7. Ce sodium ayant réchauffé le sodium entrant par la cana- lisation 2 sort de l'échangeur économiseur 3 par la canalisation 12 de sortie du dispositif de traitement préalable 1. Dans le cas de sodium liquide utilisé comme fluide de refroidissement d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides contenant des oxydes, des hydrures et de la soude comme impuretés dissoutes principales, le maintien du sodium à une température supérieure à 300'C et par exemple un peu supérieure à 500o'C pour avoir un temps de traitement assez court (par exemple secondes), permet une décomposition de la soude en oxyde Na20 et en hydrure NaH. La proportion de-soude dans le sodium liqui- de peut être comprise par exemple entre 10 ppm (10-6) et quelques pourcents pour un sodium considéré comme très pollué. Dans les conditions mentionnées ci-dessus, la décomposition de cette soude est pratiquement tota- le, la quantité résiduelle représentant à peine quel- ques pourcents de la quantité initiale contenue dans le sodium liquide. Le réchauffeur 4 représenté sur la figure 1 est un réchauffeur à résistance électrique cédant sa chaleur au sodium liquide par contact direct. On peut utiliser au lieu d'un réchauffeur à résistance électrique, un réchauffeur à induction constitué par un inducteur entourant une partie du circuit de sodium liquide extérieur à l'échangeur éco- nomiseur 3. Ce circuit constitue alors le secondaire d'un transformateur dans lequel le sodium est chauffé par effet Joule. Le sodium est alors chauffé dans l'ensemble du circuit et l'on évite ainsi d'avoir des parties de ce circuit à très haute température en contact avec le métal liquide, ce qui réduit d'autant la corrosion. Pendant son temps de séjour dans le réser- voir 5. les impuretés volatiles du sodium liquide sont éliminées pendant que la décomposition des impuretés telles que la soude ou les hydrures se produit. Sur la figure 2. on voit un dispositif de traitement préalable 1 de sodium tel que représenté sur la figure 1 dont la canalisation de sortie 12 est reliée à l'entrée d'un dispositif de purification 14 du type à piège froid par exemple. Un tel dispositif de purification 14 compor- te des moyens de refroidissement 15 du sodium liquide et des éléments de filtration 16 en fibres métalli- ques. Les moyens de refroidissement 15 comportent en particulier un échangeur économiseur dans lequel le sodium entrant dans le dispositif de purification est refroidi par du sodium épuré recyclé dans l'échangeur économiseur par la canalisation 17. Un tel dispositif de purification à piège froid connu permet de retenir les oxydes et les hydru- res contenus dans le sodium entrant par la canalisa- tion 12, par passage de ce sodium refroidi sur les filtres 16 ou dans les chambres de précipitation o il se produit une séparation des impuretés du sodium. Dans le cas o le sodium chaud entrant par la canalisation 12 a traversé préalablement un dispo- sitif tel que représenté à la figure 1. les impuretés dans leur ensemble, y compris la soude, sont sous une forme permettant leur élimination dans le dispositif de purification par refroidissement. Ces impuretés sont en effet sous forme d'oxydes ou d'hydrures qui peuvent être séparés par un dispositif à refroidisse- ment connu. Le sodium récupéré par la canalisation 18 à la sortie du dispositif de purification 14 est donc un sodium exempt à la fois d'oxydes, d'hydrures et de soude. Sur la figure 3, on voit un dispositif de traitement 1 tel que représenté sur la figure 1 placé en amont d'un dispositif 20 permettant de déterminer par mesure différentielle la teneur en impuretés d'un courant de sodium liquide prélevé dans une installa- tion nucléaire à neutrons rapides dont ce sodium cons- titue le fluide de refroidissement. Sur la canalisa- tion d'entrée 2 du dispositif 1 est placée une vanne 21. Une canalisation 24 sur laquelle est placée une vanne 25 est mise en dérivation par rapport à l'ensem- ble constitué par le dispositif de traitement 1 et la vanne 21. Le dispositif 20 permet un dosage des compo- sés tels que les oxydes et les hydrures par un indica- teur de bouchage, c'est-à-dire un orifice calibré par lequel le sodium peut passer tant qu'il nest pas trop chargé en impuretés. Cependant, ce dispositif de dosa- ge ne permet pas de doser la soude. Dans le cas o l'-on utilise un dispositif de dosage de l'hydrogène dissous à la place de l'indicateur de bouchage, celui-- ci ne permet pas de doser l'hydrogène des hydrures, Le dispositif 20 réalise des mesures élec- trochimiques ou physicochimiques sur le sodium lui parvenant en continu par sa canalisation d'entrée 26. Ces mesures sont révélatrices de la teneur du sodium en impuretés dosables telles que les oxydes et les hydrures ou dans le second cas, de l'hydrogène dis- sous. Dans le cas o la vanne 25 est fermée et la vanne 21 ouverte, le sodium passe dans le dispositif de traitement 1 avant de parvenir au dispositif de mesure 20. L'ensemble des impuretés contenues dans le sodium se présente alors sous une forme telle qu'elles peuvent être dosées. La mesure électrochimique ou phy- sico - chimique est alors représentative de la teneur totale en impuretés. Si la vanné 21 est fermée et la vanne 25 ou- verte, le sodium passe en dérivation par rapport au dispositif de traitement 1, si bien que les résultats de mesure obtenus grâce au dispositif 20 seront repré- sentatifs uniquement de la teneur en impuretés dosa- bles telles que les oxydes et les hydrures,dans le premier cas (indicateur de bouchage) ou l'hydrogène dissous dans le second cas. Ces résultats ne sont pas représentatifs de la teneur en soude dans le premier cas et de l'hydrogène sous forme d'hydrures:dans le second cas. - On pourra obtenir ainsi successivement par manoeuvre des vannes 21 et 25, une mesure de la teneur totale en impuretés et une mesure de la teneur en i- mpuretés dosables dans le sodium liquide venant de l'installation nucléaire. Par différence, on obtiendra la teneur en impuretés non dosables telles que la sou- de ou les hydrures. - Dans le cas du dosage d'impuretés, le sodium est généralement peu pollué, la teneur en soude est inférieure à 10 ppm (10 6) et il est nécessaire d'éle- ver la température du sodium dans le réchauffeur 4 du dispositif de traitement 1 jusqu'à environ 500'C au moins et de maintenir-le sodium à cette température pendant une durée par exemple un peu supérieure à 120 secondes, pour obtenir une décomposition à 98' de la soude et des hydrures contenus dans le sodium. Dans le cas d'un dosage avec un indicateur de bouchage, on maintient de préférence, le sodium à 500'C environ, pendant 300 secondes au plus et 10 secondes au moins alors que dans le cas du dosage de l'hydrogène, il est- préférable de porter le sodium à 650'C pendant le même temps. Dans ces conditions, les mesures sont tout-à- fait représentatives de la teneur en soude et en hy- drogène et permettent un contrôle efficace et en continu du sodium de refroidissement de la chaudière. La détermination de la teneur en impuretés dans le dispositif de mesure 20 peut être réalisée par d'autres méthodes que la mesure électrochimique. On peut par exemple utiliser le phénomène de diffusion des impuretés à travers une membrane ou encore la pré- cipitation des composés et leur dosage ultérieur. On voit que le principal avantage du procédé suivant l'invention est de réaliser de façon très simple et très rapide une décomposition complète des impuretés non piègeables et non dosables dans le so- dium liquide, de façon à obtenir des produits de dé- composition séparables et dosables. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits. C'est ainsi qu'on peut associer un dispositif de traitement préalable suivant l'invention à des dispositifs de purification ou à des dispositifs de mesure différents de ceux qui ont été décrits. On peut également mettre en oeuvre le procé- dé suivant l'invention dans des conditions un peu dif- férentes, en particulier en ce qui concerne la tempé- rature d'échauffement du sodium et le temps de main- tien de ce sodium à la température d'échauffement. Ce- pendant, pour pouvoir mettre en oeuvre le procédé dans de bonnes conditions, en particulier pour obtenir une décomposition suffisante de la soude contenue dans le sodium, il est nécessaire de porter ce sodium à une température au moins égale à 300'C. Dans le cas de la purification d'un sodium très pollué la température pourra être maintenue aux environs de 400 C pendant une durée de 2 à 120 secondes alors que dans le cas du dosage d'un sodium peu pollué, cette température devra être voisine de 500 'C pour un temps de maintien sensi- blement équivalent. On peut également imaginer la mise en oeuvre de l'invention avec des dispositifs d'un type diffé- rent de ceux qui ont été décritstavec des moyens dif- férents d'échauffement et de maintien en température du sodium liquide. Enfin, le procédé et le dispositif suivant l'invention peuvent être utilisés dans le cas du trai- tement de métaux liquides un peu différents du sodium, par exemple dans le cas de mélange sodium-potassium ou de lithium. L'invention s'applique dans le cas de tout procédé ou toute industrie utilisant un métal liquide comparable au sodium dont il est nécessaire de contrô- ler la teneur en impuretés et en particulier aux bou- cles d'essais. 1 1 REVENDICATIONS 1.- Procédé de traitement préalable de so- dium liquide contenant des impuretés dissoutes, avant épuration ou dosage de ces impuretés,caractérisé par le fait qu'on porte et qu'on maintient le sodium li- quide à une température au moins égale à- 300C pour assurer la décomposition des impuretés telles que la soude ou les hydrures qui ne peuvent être séparées du sodium par refroidissement ou dosées 2.- Procédé de traitement suivant la reven- dication 1, dans le cas de la purification par refroi- dissement de sodium renfermant de 10 ppm à quelques pour cent d'impuretés non séparables-par refroidisse- ment, caractérisé par le fait que l'on maintien le so- dium liquide à une température de 400C environ pen- dant un temps compris entre 2 secondes et 120 secondes avant son refroidissement pour effectuer le piégeage des impuretés. 3.- Procédé de traitement suivant la reven- dication 1, dans le cas de la purification par refroi- dissement de sodium renfermant moins de 10 ppm d'impu- retés non séparables par refroidissement, caractérisé par le fait qu'on maintient le sodium liquide à une température de 500'C environ pendant un temps compris entre 2 secondes et 120 secondes avant son refroidis- sement pour effectuer le piégeage des impuretés. 4.- Procédé de traitement suivant la reven- dication 1, dans le cas o le sodium est utilisé pour un dosage d'impuretés par un indicateur de bouchage avec dissociation de la soude, caractérisé parle fait que le sodium est porté à une température d'environ 500*C pendant un temps compris entre- 10 secondes et 300 secondes avant son introduction dans l'indicateur de bouchage. 5.- Procédé de traitement suivant la reven- dication 1, dans le cas o le sodium est utilisé pour un dosage d'hydrogène avec dissociation des hydrures, caractérisé par le fait que le sodium est porté à une température d'environ 650'C pendant un temps compris entre 10 secondes et 300 secondes avant son introduc- tion dans l'appareil de mesure. 6.- Dispositif de traitement préalable de sodium liquide contenant des impuretés dissoutes, avant épuration ou dosage de ces impuretés, caractéri- sé par le fait qu'il comporte un échangeur économiseur (3), un réchauffeur (4) et un volume de maintien en température du sodium qui peut être un réservoir (5) ou la tuyauterie de liaison (7), disposés en série, l'échangeur économiseur-(3) étant relié à la sortie du volume de maintien en température par une canalisation (7) pour échauffer le sodium entrant dans le disposi- tif grâce à la chaleur venant du sodium du volume de maintien. 7.- Dispositif de traitement suivant la re- -vendication 6, caractérisé par le fait que le réchauf- feur (4) est du type à résistance. 8.- Dispositif de traitement suivant la re- vendication 6, caractérisé par le fait que le réchauf- feur (4) est constitué par un inducteur entourant une partie du circuit de réchauffage du sodium, à l'exté- rieur de l'échangeur économiseur. 9.- Dispositif de traitement suivant la re- vendication 6, caractérisé par le-fait que le disposi- tif (5) de maintien en température du sodium est un réservoir à niveau libre (9) associé à un dispositif de pompage et de balayage (10) placé audessus de ce niveau libre (9). 10.- Dispositif de traitement 'suivant la re- vendication 6, caractérisé par le fait qu'il est placé en amont d'un dispositif (14) de purification de so- dium à par refroidissement. 11.- Dispositif de traitement suivant la re- vendication 6, caractérisé par le fait qu'il est placé en amont d'un dispositif (20) de dosage d'impuretés dans le sodium. 12.- Dispositif de traitement suivant la re- vendication 11, caractérisé par le fait qu'il comporte une canalisation d'entrée (2) sur laquelle est placée une vanne (21), une canalisation de sortie (12) le reliant au dispositif de mesure (20) et une canalisa- tion (24) en dérivation entre un point de la canalisa- tion d'entrée (2) en amont de la vanne (21) et un point de la canalisation de sortie (12), cette canali- sation (24) en dérivation étant équipée d'une vanne de fermeture (25).