Brevet FR2605788A1 — publié le 19880429

La présente invention concerne un procédé et un appareil de mélange d'un coulis colloïdal, et plus précisé- ment elle concerne à titre illustratif mais non limitatif, un procédé et un appareil de mélange de coulis colloïdaux dans un système d'immobilisation de déchets radioactifs solides. L'expression "coulis colloïdal" est utilisée dans le présent mémoire pour désigner des coulis contenant du ci- ment et préparés à l'aide de mélangeurs de type colloïdal. Ces coulis ne sont pas colloïdaux au sens scientifique riggureux, bien qu'ils contiennent indubitablement une certaine quantité de matériaux de dimension colloïdale. Les propriétés qui rendent les coulis colloïdaux particulièrement bien adaptés aux applications d'injection de qualité élevée (par exemple l'injection dans des organes de béton précontraint, et l'immobilisation des déchets radioactifs) sont un ressuage (c'est-à-dire l'éjection d'eau du coulis), une ségrégation et une filtration (c'est- à-dire la séparation par filtration ou le dépôt des parti- cules) qui sont minimaux, et la possibilité de déplacer l'eau. Ceci assure l'obtention d'une bonne pénétration des fissures fines, et le maintien à l'état rempli des cavités initialement remplies du coulis à base de ciment, après l'hydratation du ciment. De nombreux types de mélangeurs pour coulis sont déjà connus, y compris les mélangeurs à palettes et colloï- daux. Les mélangeurs à palettes mélangent simplement le coulis à l'aide d'une palette rotative qui repousse le coulis contre des déflecteurs fixés sur le côté d'un réser- voir de mélange, et on les utilise habituellement pour les coulis ayant un rapport eau/ciment qui dépasse 0,5. Les mélangeurs colloïdaux forment un coulis de plus grande qualité et fonctionnent par application d'un gradient élevé de vitesse aux particules de ciment dans l'eau, supprimant ainsi l'air qui peut être fixé aux particules et assurant un mouillage poussé des particules. La force créant le gradient de vitesse, dans ces mélangeurs colloïdaux, est parfois appliquée par des rouleaux rotatifs, mais elle l'est habituellement par une roue qui tourne à grande vitesse. Les mélangeurs colloïdaux de coulis de type connu présentent un certain nombre d'inconvénients. D'abord, ils ne peuvent habituellement, pour la plupart, que mélanger des quantités relativement faibles de coulis, et ceux dont la capacité est plus grande consomment beaucoup d'énergie. Ceci provoque une élévation inacceptable de la température (par exemple au-delà de 30 C), lors du mélange du coulis; et peut provoquer la formation de microfissures dans le coulis lorsqu'il est totalement hydraté. En outre, le gra- dient élevé de vitesse créé par le mélangeur indique qu'un second réservoir est nécessaire afin qu'il contienne le coulis avant la distribution par une pompe n'exerçant pas un gradient élevé de vitesse, puisque le pompage par le mélangeur créerait des forces supplémentaires excessives de cisaillement et nuirait ainsi aux propriétés du coulis. L'invention concerne donc un procédé de mélange d'un coulis colloïdal, comprenant la transmission d'une quantité mesurée d'eau à un récipient cylindrique, l'entraînement en rotation d'un dispositif à palettes, comportant plusieurs palettes, dans le récipient, à une vitesse relativement élevée, les palettes ayant un emplacement, par rapport à la base du récipient, et une configuration et une dimension, par rapport au rayon interne du récipient, tels qu'une région à gradient élevé de vitesse est formée près de la base et qu'un tourbillon est formé dans l'eau, et l'intro- duction d'une quantité mesurée des matériaux du coulis afin qu'ils descendent dans le tourbillon, si bien que les matériaux du coulis sont mélangés et qu'un coulis colloïdal se forme. De préférence, le dispositif à palettes est ensuite entraîné en rotation à vitesse relativement faible afin qu'il assure le maintien du coulis colloïdal à l'état mobile dans le récipient. L'invention concerne aussi un appareil de mélange d'un coulis colloïdal, comprenant un récipient cylindrique de mélange, un orifice de sortie placé à la base du réci- pient ou à proximité de celle-ci, une pompe à faible gra- dient de vitesse, destinée à évacuer le coulis mélangé par l'orifice de sortie, et un dispositif de mélange ayant deux vitesses et pénétrant dans le récipient, le dispositif de mélange ayant un arbre sensiblement aligné coaxialement à l'axe longitudinal du récipient et un dispositif à palettes monté sur l'arbre et comprenant plusieurs palettes qui ont chacune une configuration telle qu'elles provoquent un déplacement radial important vers l'extérieur lorsque l'ar- bre tourne, chaque palette étant disposée pratiquement à une distance commune au-dessus de la base du récipient et ayant une dimension radiale, par rapport au rayon interne du récipient, telles que, lors du fonctionnement à la plus grande des deux vitesses, le dispositif à palettes crée un tourbillon dans le liquide présent dans le récipient et une région à gradient élevé de vitesse près de la base et que, à la plus faible des deux vitesses, il maintient le coulis colloïdal à l'état mobile dans le récipient. La base a de préférence une forme creuse et le dispositif à palettes est placé par rapport à la base de manière qu'il forme une région présentant un tourbillonne- ment sensiblement uniforme à proximité de la base. Un circuit de recirculation peut être placé entre le dispositif de pompage et le récipient afin qu'il assure la recirculation du mélange d'eau et des matériaux du coulis, évacués hors du récipient. L'invention concerne aussi une installation d'immobilisation de déchets radioactifs, com- prenant un appareil de mélange d'un coulis colloïdal selon l'invention, une plate-forme vibrante destinée à supporter un récipient de déchets radioactifs, et un conduit d'éva- cuation destiné à assurer la connexion entre le dispositif de pompage et le récipient. L'installation comporte de préférence une source de gaz sous pression qui peut être connectée au conduit d'évacuation. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé dont la figure unique est un schéma d'une installation d'immobilisation de dé- chets radioactifs, comprenant un appareil de mélange de coulis selon l'invention. On se réfère à la figure; un récipient cylindrique est représenté avec une base creuse 12, et il. est sup- porté par des jauges dynamométriques 11 coopérant avec des saillies radiales 13. Un mélangeur 14 à entrée supérieure pénètre dans le récipient 10 et comporte un mélangeur 18 à palettes monté sur un arbre 20 aligné pratiquement sur l'axe longitudinal du récipient 10 et destiné à être en- traîné par un moteur électrique 22 à deux vitesses. Le mélangeur 18 à palettes est placé près de la base 12 et il est destiné à créer une région à gradient élevé de vitesse lorsque le moteur 22 est à sa vitesse supérieure. Les dimensions radiales du mélangeur 18 à palettes sont telles qu'il crée un tourbillon dans le liquide (non représenté)- dans le récipient 10, à cette vitesse élevée. Des entrées 28 et 29 destinées aux matériaux du coulis et à l'eau respectivement sont placées au-dessus du récipient 10 et un conduit 30 d'évacuation partant de la base 12 est raccordé, par l'intermédiaire d'une soupape d'arrêt 32, à une pompe 34 à faible gradient de vitesse, par exemple une pompe péristaltique ou une pompe "Mono" qui refoule dans un conduit 36 vers une soupape à deux voies 38. Un conduit 42 relié à la soupape 38 est connecté au côté du récipient 10, au niveau de deux orifices 46, 48 d'injection, décalés verticalement. Un conduit 50 partant de la soupape 38 est raccordé à une soupape 52 à trois voies ayant un conduit 54 qui est raccordé, par une soupape 56 à trois voies, un autre conduit 58 rejoignant une décharge à coulis (non représentée) et un troisième conduit 60, à des réservoirs de sédimentation (non représentés). La vanne 56 a un con- duit 62 qui rejoint un fût 64 contenant des déchets radio- actifs (non représentés) et monté sur une plate-forme vi- brante 66. Un conduit 68 d'air comprimé débouche dans la soupape 56, et un conduit 70 de retour est placé de la soupape 56 au récipient 10. Lors du fonctionnement, pendant lequel les jauges dynamométriques 11 sont utilisées pour le contrôle des poids nécessaires, de l'eau est d'abord introduite par le conduit 29, et le moteur 22 est mis en fonctionnement à sa vitesse élevée, si bien qu'un tourbillon se forme dans l'eau du fait de la rotation du mélangeur 18 à palettes. Les matériaux prémélangés du coulis sont introduits par le conduit 28, dans le tourbillon et dans la région à gradient élevé de vitesse formée par le mélangeur 18 à palettes, si bien que les matériaux du coulis sont bien mouillés. Lors- que le mélange des matériaux du coulis et de l'eau-a formé un coulis colloïdal, le moteur 22 est entraîné à sa vitesse inférieure afin que le coulis colloïdal reste mobile, sans qu'il subisse un gradient élevé supplémentaire de vitesse. Les matériaux du coulis et l'eau peuvent recirculer par l'intermédiaire du conduit 30 et.du conduit 42, avec injec- tion par les orifices 46, 48 dans le récipient 10, jusqu'à ce que le mélange soit terminé, afin que le régime de mélange dans le récipient 10 soit optimisé. Lorsque du coulis colloïdal est nécessaire, la sou- pape 32 est ouverte et la pompe 34 évacue le coulis par le conduit 54, la soupape 56 et le conduit 62 dans le fût 64, la quantité de coulis évacuée étant contrôlée par les jauges dynamométriques 11 et l'excès de coulis étant ren- voyé dans le récipient 10 par le conduit 70. Le fût 64 est soumis aux vibrations par la plate-forme 66, afin que le remplissage du coulis colloïdal dans les fissures et cre- vasses des déchets radioactifs présents' dans le fût 64 soit facilité, et l'air comprimé transmis par les conduits 68, 62 facilite l'injection du coulis dans le fût 64. Un anneau de pulvérisation interne (non représenté) est monté dans le récipient 10 afin qu'il lave l'intérieur de celui-ci, la soupape 52 étant alors réglée afin qu'elle assure la transmission du coulis colloïdal en excès prove- nant du récipient 10 par le conduit 58 ou du liquide de lavage provenant du récipient 10 par le conduit 60 vers les réservoirs de sédimentation. Le récipient 10 est avantageu- sement formé d'acier inoxydable afin que le lavage soit facilité. L'utilisation d'une base creuse 12 est avanta- geuse car elle assure un tourbillonnement très uniforme à proximité de la base 12. A la place de l'évacuation par les orifices 46, 48, le conduit 42 peut rejoindre la partie supérieure du récipient 10 (caractéristique non représen- tée) et peut déboucher directement dans le récipient 10, à un emplacement décalé par rapport à l'arbre 20, et du côté opposé à celui qui comporte le conduit 28. On a constaté que, dans le cas d'un mélangeur 18 à palettes ayant un diamètre D et d'un récipient 10 ayant un diamètre interne T, les caractéristiques optimales sont obtenues lorsque D/T = 7/16. Lorsque D = 35 cm, la hauteur optimale du mélangeur 18 à palettes est comprise entre 30 et 43 cm au-dessus de la base du récipient 10 et de préfé- rence à 35 cm environ. Un mélangeur à palettes qui convient, par exemple du type R100, disponible auprès de Lightnin Mixers Ltd, Poynton, Cheshire, Angleterre ou auprès de Mixing Equipment Co, Rochester, New York 14603, Etats-Unis d'Amérique, peut être utilisé à une vitesse comprise entre 380 et 466 tr/min lors du mélange et entre environ 180 et 210 tr/min lors du maintien mobile du coulis colloïdal. Un tel mélangeur à palettes a des palettes plates alignées dans des plans longitudinaux axiaux de l'arbre 20 et toutes placées à la même hauteur au-dessus de la base du récipient 10. L'appareil de mélange de coulis selon l'invention a été utilisé pour la formation de coulis colloïdaux qui peuvent continuer à être utilisés pendant deux heures et demie au maximum. Des matériaux formant des coulis convenant à l'immo- bilisation des déchets radioactifs peuvent avoir une base de coulis de laitier broyé de haut fourneau (BFS) et de ciment Portland ordinaire (OPC) , à raison de 70 à 90 % de laitier BFS en poids, un rapport de 75 % de laitier pour % de ciment en poids, étant préférable. Un rapport eau/matières solides compris entre 0,31 et 0,35 en poids est souhaitable et il est de préférence égal à 0,33 + 0,2. Dans le cas d'un rapport eau/matières solides de 0,33, de l'eau refroidie à 8 C environ doit être utilisée afin que le coulis ne présente pas une élévation excessive de tempé- rature lorsqu'il est maintenu mobile pendant un temps pou- vant atteindre 2,5 heures. Un plus faible rapport eau/ma- tières solides de 0,31 peut nécessiter l'utilisation d'eau refroidie à 5 C environ afin que l'élévation de tempéra- ture ne soit pas excessive. Une température maximale accep- table du coulis est d'environ 30 C. Lorsque le coulis doit être utilisé peu après son mélange, l'utilisation d'eau refroidie n'est pas nécessaire. Un appareillage classique (non représenté) peut être utilisé pour la formation de l'eau refroidie nécessaire. Des cendres pulvérisées de combustible (PFA) et du ciment OPC forment un autre mélange à base de ciment qui peut être utilisé, surtout pour l'immobilisation des maté- riaux de déchets contaminés par du plutonium, des propor- tions de 70 à 80 % de cendres PFA, avec un rapport eaux/ma- tières solides compris entre 0,41 et 0,50 pouvant être utilisées. Un ciment préféré OPC a un rapport (CaO) SiO relativement faible, équilibré par SiO afin que l'énergie de la réaction entre le ciment OPC et l'eau soit réduite. Dans le cas de ciment utilisé pour l'immobilisation des déchets radioactifs, on utilise avantageusement les matériaux suivants: (i) le ciment OPC doit correspondre à la norme britannique 12:1978, incorporée au présent mémoire à titre de référence, et il correspond de préférence aux limites suivantes, exprimées en pourcentages pondéraux: Silicate tricalcique 48-55 Silicate dicalcique 12-24 Aluminate tricalcique 9-11 Aluminoferrite tétracalcique 5-11 Equivalent de Na O = Na O + 0,658 K O = 2 2 2 0,8 % en poids au maximum Chlorure (soluble dans l'eau) = 30 ppm au maximum Surface spécifique = 350 + 30 m /kg Perte au feu, ne dépassant pas 1,0 % en poids. (ii) Le laitier BFS doit correspondre à la norme. britannique provisoire BS6699 incorporée à titre de réfé- rence au présent mémoire, et il correspond de préférence aux limites suivantes, indiquées en pourcentages pondé- raux: Fe O 0,80 % au maximum 2 3 Al 0 15 au maximum Na O 0,6 au maximum K O 1,0 au maximum Chlorure (hydrosoluble) 30 ppm au maximum Surface spécifique = 340 + 30 m /kg - 3 Masse volumique = 2,90 - 2,95 g/cm Perte au feu, ne dépassant pas 0 %.en poids. (iii) Les cendres PFA doivent correspondre à la norme BS3892, partie 1:1982, incorporée au présent mémoire à titre de référence, et elles correspondent de préférence aux limites suivantes, exprimées en pourcentages pondé- raux: Equivalent de Na O (hydrosoluble) 0,20 au maximum Chlorure (hydrosoluble) 0,03 au maximum Indice de couleur 7 au maximum Masse volumique 2,0 g/cm au minimum Bien qu'on ait décrit l'invention en référence au mélange d'un coulis colloïdal destiné à être utilisé pour l'immobilisation des déchets radioactifs, les coulis prépa- rés selon l'invention ont aussi des applications dans les industries de la construction et du génie civil. REVENDICATIONS 1. Procédé de mélange d'un coulis colloïdal, carac- térisé par l'introduction d'une quantité mesurée d'eau dans un récipient cylindrique (10), par la rotation d'un dispo- sitif (14) ayant plusieurs palettes (18), à une vitesse relativement élevée, dans le récipient (10), les palettes (18) ayant un emplacement, par rapport à la base (12) du récipient (10), et ayant une configuration et une dimension radiale, par rapport au rayon interne du récipient (10), tels qu'une région à gradient élevé de vitesse est formée près de la base (12) et qu'un tourbillon est formé dans l'eau, et par l'introduction d'une quantité mesurée de matériaux pour coulis dans le tourbillon, vers le bas, afin que les matériaux pour coulis et l'eau se mélangent et forment ainsi un coulis colloidal. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre la rotation du dispositif (14) à palettes à une vitesse relativement faible afin que le coulis colloïdal reste mobile dans le récipient (10). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en outre en ce que les matériaux du coulis forment un mélange contenant 70 à 90 % en poids de laitier broyé de haut fourneau et du ciment Portland ordinaire, et les quantités mesurées sont telles que le rapport eau/ma- tières solides est compris entre 0,31 et 0,35 en poids. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le mélange contient 75 % de laitier broyé de haut fourneau. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en outre en ce que le rapport eaux/matières solides est égal à 0,33 + 0,02 en poids. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le ciment contient: Silicate tricalcique 48 55 % en poids Silicate dicalcique 12 - 24 % en poids Aluminate tricalcique 9 - 11 % en poids Aluminoferrite tétracalcique 5 - 11 % en poids 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en outre en ce que le laitier de haut fourneau contient: Fe203 0,80 % en poids au maximum Al203 15 % en poids au maximum AlO15 % en poids au maximum A203 Na O 0,6 % en poids au maximum K O 1,0 % en poids au maximum 8. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en outre en ce que les matériaux du coulis comprennent un mélange contenant 70 à 80 % en poids de cendres pulvérisées de combustible et du ciment Portland ordinaire, et les quantités mesurées sont. telles qu'un coulis colloïdal est formé avec un rapport eaux/matières solides compris entre 0,41 et 0,50 en poids. 9. Appareil de mélange d'un.coulis colloïdal compre- nant un récipient cylindrique de mélange, un orifice de sortie placé à la base du récipient ou à proximité de celle-ci, et une pompe à faible gradient de vitesse desti- née à évacuer le coulis mélangé par l'orifice de sortie, caractérisé par un dispositif (22) de mélange pouvant fonc- tionner à deux vitesses et pénétrant dans le récipient (10), le dispositif de mélange (22) ayant un arbre (20) pratiquement coaxial à l'axe longitudinal du récipient (10) et un dispositif (14) à palettes monté sur l'arbre (20) et - comprenant plusieurs palettes (18) qui ont chacune une configuration telle qu'elles provoquent un déplacement radial important vers l'extérieur lorsque l'arbre (20) tourne, chaque palette (18) étant disposée pratiquement à une même distance au-dessus de la base (12) du récipient (10) et ayant une dimension radiale, par rapport au rayon interne du récipient (10), telle que, lors du fonctionne- ment à la plus grande des deux vitesses, le dispositif (14) à palettes crée un tourbillon dans le liquide présent dans le récipient (10) et une région à gradient élevé de vitesse près de la base (12), et, à la plus faible des deux vites- ses, il maintient mobile un coulis colloïdal présent dans le récipient (10). 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que la base (12) a une forme creuse, et le dispositif (14) à palettes est disposé, par rapport à la base (12), de manière qu'il forme une région de tourbillonnement sensi- blement uniforme à proximlité de la base (12). 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en outre en ce que le rapport du rayon des palettes (18) au rayon interne du récipient (10) est égal à 7/16. 12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en outre en ce que le diamètre des palettes (18) est prati- quement égal à la hauteur des palettes (18) au-dessus de la base (12). 13. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 9 à 12, caractérisé en outre en ce que des jauges dynamométriques (11) supportent le récipient (10) afin qu'elles contrôlent le poids des matériaux introduits dans le récipient (10) et évacués du récipient. 14. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 9 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (42) de recirculation placé entre la pompe (34) et le récipient (10) et permettant la recirculation du mélange d'eau et des matériaux du coulis, évacué du récipient (10). 15. Installation d'immobilisation de déchets radio- actifs, comprenant un appareil de mélange de coulis colloï- dal selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, et caractérisée en outre par une plate-forme vibrante (66) destinée à supporter un récipient (64) de déchets radioac- tifs, et un conduit (50, 54, 62) d'évacuation destiné à raccorder la pompe (34) au récipient (64) afin que celui-ci soit rempli du coulis colloïdal provenant de l'appareil de mélange.