Brevet FR2598248A1 — publié le 19871106

Procédé de transformation de sodium en soude aqueuse, et installation pour la mise en oeuvre de ce procédé L'invention a pour objets un procédé de transformation de sodium en soude aqueuse et une installation pour La mise en oeuvre de ce procédé. L'invention est relative, de manière générate, au traitement des déchets du sodium radioactif ou non provenant des circuits primaires ou secondaires de refroidissement d'un réacteur nucléaire à neutrons rapi10 des ou encore de certaines installations d'essais ou de certains chantiers d'entretien ou d'intervention. L'invention se rapporte au traitement de ce sodium suivant un principe connu consistant à le faire réagir avec de l'eau ou une solution aqueuse pour obte15 nir d'une part de la soude aqueuse contenant les produits de la réaction, lesquels seront éliminés ultérieurement par tout moyen approprié et, d'autre part, de l'hydrogène gazeux. On sait que le contrôle de la réaction de ce 20 procédé doit être très précis pour garantir que les quantités de sodium mises en réaction avec l'eau restent bien en-dessous d'un seuil à partir duquel la réaction est dangereusement exothermique, voire explosive. Dans l'état actuel de la technique, la trans25 formation du sodium se fait généralement en mettant en contact le sodium avec une dispersion d'une phase liquide réactive dans une phase liquide non réactive. Cet état de la technique est illustré notamment par le brevet français n 1 549 735 déposé le 15 décembre 1967 par 30 la Société: E.I. DUPONT DE NEMOURS AND CO. Cette technique de transformation présente cependant un certain nombre d'inconvénients. Ainsi, la réaction chimique ne peut pas être arrêtée instantanément et son contrôle est plus déLi35 cat; en outre, les quantités de sodium transformé par unité de temps ne peuvent pas être connues d'une manière très précise. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé et une insta5 ltation de réaction en continu entre le sodium et un liquide de réaction qui soit à la fois de toute sécurité et d'un débit suffisant pour une production industrielLe. 15 20 25 30 35 Selon la principale caractéristique du procédé objet de l'invention, la mise en contact du sodium avec le liquide de réaction est réalisée par projection d'un jet de liquide de réaction sur du sodium expulsé sous pression d'une tête d'injection. Le liquide de réaction peut être soit de l'eau, soit une solution aqueuse. L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. SeLon la principale caractéristique de cette installation, celte-ci comporte: - un déflecteur de jet, - une tête d'injection de sodium à débit contrôlé incorporée à ce déflecteur de jet, - des moyens d'alimentation en sodium de la tête d'injection, et - une lance de projection d'un liquide de réaction. De préférence, cette lance est disposée de manière à projeter le liquide de réaction sur le deflecteur. Selon un mode particulier de réalisation de cette installation, le déflecteur de jet est disposé à l'intérieur d'une cuve et orienté vers le fond de celleci. Selon un autre aspect de l'invention, la tête d'injection constitue la partie centrale du déflecteur. Dans le mode de réalisation préféré, le déflecteur présente une symétrie de révolution autour d'un axe vertical, la tête d'injection constituant la partie centrale de ce déflecteur, et la lance de projection est placée suivant cet axe et au-dessous de la tête d'injection. Selon une autre caractéristique de l'instal5 Lation objet de l'invention, l'ensemble formé par le déflecteur, la tête d'injection de sodium et la lance de projection du liquide de réaction est entouré d'au moins une paroi poreuse permettant le passage de l'hydrogène dégagé au cours de la réaction. De préférence également, le niveau du liquide de réaction est régLé de manière à se trouver au-dessous de la tête d'injection de sodium. Les produits de la réaction sont d'une part de la soude aqueuse formée lors du contact turbulent et 15 intime du jet de liquide de réaction avec le sodium injecté sous débit contrôlé et, d'autre part, de l'hydrogène gazeux. La présence d'au moins une paroi poreuse disposée comme indiqué ci-dessus et le fait que le niveau du liquide de réaction soit réglé de manière à se 20 trouver au-dessous de la tête d'injection de sodium au niveau du couvercle intermédiaire de séparation des phases liquide/gaz permet d'obtenir un lavage et un filtrage de l'hydrogène avant que celuici ne se dirige vers le haut de la cuve. En outre, on interdit ainsi, 25 lorsque l'installation est à l'arrêt, le contact entre le sodium contenu dans la tête d'injection et le liquide de réaction. Selon un autre aspect de l'invention, la tête d'injection de sodium comporte au moins un trou calibré 30 à travers lequel le sodium est évacué sous pression. En cas d'interruption du jet de liquide de réaction et de l'alimentation sous pression du sodium, les trous de la tête d'injection sont rapidement obturés par la formation de soude. Selon un mode particulier de réalisation de cette installation, les moyens d'alimentation de la tête d'injection en sodium comprennent: - une cuve de stockage du sodium Liquide, - au moins une conduite reliant ladite cuve au déflecteur de jet, - une boite à clapets disposée sur Ladite conduite, et - une pompe volumétrique reliée à cette boite à clapets par une conduite. Selon un mode de réalisation préféré, L'instaLLation comporte en outre des moyens de régulation 10 thermique du sodium arrivant à La tête d'injection. Dans Le mode de réalisation préféré, ces moyens de réguLation thermique comprennent: - une conduite communiquant avec La tête d'injection et dans Laquelle passe le sodium, - un tube entourant cette conduite, l'espace intérieur du tube étant rempli d'un Liquide organique, et - des moyens de chauffage de ce liquide organique. Les moyens de chauffage du liquide organique peuvent comprendre au moins un élément chauffant pLacé à 20 l'intérieur du liquide et on peut en outre prévoir un matériau d'isolation thermique placé à l'extérieur du tube contenant le liquide organique et en contact avec 30 35 ce tube. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, description faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est le schéma d'ensemble d'une installation de transformation de sodium en soude aqueuse selon l'invention, - la figure 2 représente à plus grande échelle les détails de la tête de réaction de cette installation, et - la figure 3 est une vue schématique en coupe verticale montrant comment cette installation peut être placée sur un cadre transportable. On se reportera tout d'abord à la figure 1 pour décrire l'ensemble de l'installation. Celle-ci comprend une cuve de stockage 1 de 5 sodium maintenu liquide à une température supérieure à 980C. Ce sodium est introduit dans La cuve par une canalisation 2. Le volume supérieur 3 de la cuve, au-dessus du niveau de sodium liquide, est rempli d'argon à l'aide de 10 canalisations (non représentées sur la figure 1). Le sodium est extrait de la cuve 1 par une canalisation descendante 4 alimentant la base d'une colonne montante 5 équipée en sa partie inférieure d'une boîte à deux clapets 6 dont la partie centrale est re15 liée par une canalisation 7 et un filtre 8 à une pompe à membrane 9 reliée par ailleurs au volume supérieur 3 de la cuve 1 par une canalisation 10. Des moyens de chauffage, schématisés par des éléments 11, permettent de maintenir le sodium à l'état liquide. Les diverses cana20 lisations sont équipées de moyens de calorifugeage, non représentés. La canalisation 10 équipée d'un clapet antiretour 61 permet, lors d'un remplissage initial de la cuve 1 avec du sodium pur, de purger le circuit de la 25 pompe et d'amener ainsi au niveau de la membrane 9a, sensible aux impuretés, du sodium pur. Après cette purge préliminaire, le sodium est solidifié dans la canalisation 10 par arrêt du chauffage, et maintenu Liquide dans la canalisation 7 et au 30 niveau de la pompe 9. Le chauffage de la canalisation 5, située au-dessus de la boite à clapets 6, permet ensuite d'injecter du sodium à traiter dans la tête d'injection 21. L'extrémité supérieure de la canalisation 5 35 alimente axialement la tête de réaction 12 de!'instal- 15 20 25 30 Lation, qui est représentée à plus grande échelLe sur La figure 2. Cette tête de réaction 12 est fixée en-dessous du couvercle supérieur 13 de La cuve de réaction 14. ELle comprend une canalisation centrale 15 disposée axiaLement à L'intérieur d'un tube 16 rempli d'un Liquide organique neutre vis-à-vis du sodium et permettant Le contrôle de La température de La canalisation 15 grâce à des éléments chauffants 17. Cet ensemble est Lui-même à L'intérieur d'un autre tube 18 avec interposition d'un matériau isolant thermique 19. A la base de cet ensemble se trouve suspendu un défLecteur de jet 20 dont La partie centraLe est constituée d'une tête d'injection 21 à débit contrôlé de sodium liquide alimentée par La canalisation 15. La forme de révolution du déflecteur de jet 20 et de sa partie centrale 21 est profilée de manière à répartir au mieux le jet de liquide projeté par la lance de jet 22 disposée axialement et juste en-dessous de la tête d'injection 21. Cette lance, maintenue en position axiale par trois tiges de fixation 23 disposées à 1200 les unes par rapport aux autres et dont une seule est visible sur la coupe de la figure 2, est alimentée en liquide de réaction par une canalisation 24 qui aspire celui-ci en fond de cuve (figure 1) et le met sous pression par une pompe 25 reliée par une canalisation 26 à la lance 22. Une canalisation 27 d'injection d'eau propre permet d'ajuster La concentration en soude de la solution. La partie centrale du réacteur, qui comprend le déflecteur 20 et, en visà-vis, la tête d'injection de sodium Liquide 21 et la lance de jet 22, est entourée de cylindres successifs 28 en tôle présentant des petites perforations constituant des parois poreuses de filtration qui permettent de retenir les particules solides entraÂnées par l'hydrogène formé dans la partie centrale du réacteur. Cette solution aqueuse peut se déverser par un trop-plein 29 et une tuyauterie 69 dans une cuve de réception (non représentée). Pour éviter l'entrainement d'hydrogène dans 5 la cuve de réception, on peut disposer un purgeur 62 sur la tuyauterie 69. La figure 1 montre encore qu'on peut prévoir un élévateur pour monter et abaisser la cuve de réaction 14. On a représenté schématiquement en traits mixtes la 10 cuve de réaction en position basse 14a reposant sur l'élévateur 30 également représenté en traits mixtes. Le niveau de la solution aqueuse à l'intérieur de la cuve de réaction 14 est maintenu à la cote repérée par la référence 32 sur la figure 2, juste au 15 niveau d'un couvercle intermédiaire 33 séparant la cuve 14 en un volume inférieur rempli de soude aqueuse en formation et un volume supérieur 34 de récupération de l'hydrogène formé par la réaction qui est évacué par une tuyauterie 67 à travers un filtre 63 et un débitmètre 64 20 (figure 1). La figure 3 montre comment l'installation objet de l'invention peut être placée sur un cadre support, ce qui permet de la transporter d'un site à un autre, suivant les besoins: on évite ainsi d'avoir sur 25 chaque site une installation qui ne serait utilisée qu'a des intervalles de temps assez longs. On retrouve sur la figure 3 la cuve de stockage 1 reliée à la cuve de réaction 14 par les canalisations 4 et 5, cette dernière étant reliée à la pompe 9 30 par la boite à clapets 6. On retrouve également, à l'intérieur de la cuve 14, la tête de réaction 12 et la tête d'injection 22 alimentée par la pompe 25, ainsi que l'élévateur 30 de la cuve 14. On voit sur cette figure 3 que la cuve 1 est 35 placée à l'intérieur d'un récipient 36 qui sert de bac de rétention en cas de fuite de sodium. Elle est reliée à un ensemble de commande 38 par un certain nombre de canalisations. L'alimentation en sodium se fait par la conduite 40 équipée d'un filtre 42 tandis que la canaLi5 sation 44 sert à la vidange du sodium. La canalisation 46, équipée d'un filtre à vapeur de sodium 48, sert à alimenter la partie supérieure de la cuve 1 en azote et la canalisation 50 à alimenter en azote la partie supérieure de la cuve de réaction 14. Enfin, un manomètre 52 10 permet de contrôler La pression à l'intérieur de La cuve de stockage. 20 e 30 35 L'ensemble de l'installation qu'on vient de décrire est monté sur un cadre 54 équipé d'anneaux 56 qui en permettent la manutention. Ce cadre comporte en outre des roues 58, qui peuvent être auto-orientables, et des vérins d'immobilisation 60. Pour le transport il peut être fermé sur toutes ses faces par des panneaux Légers et résistants (non représentés). L'invention présente des avantages intéressants dont le principal est de permettre une bonne maitrise de La réaction entre Le sodium et la solution aqueuse puisque le sodium est injecté en petites quantités dans Le jet de La solution aqueuse à fort débit. De plus, la structure de la tête d'injection de sodium avec les trous inclinés par rapport à l'axe de révolution du déflecteur et la forme de ceLui-ci empêchent L'eau de pénétrer à l'intérieur des trous. La sécurité est accrue par le fait que les trous d'injection de sodium sont obturés rapidement par la formation d'un bouchon de soude en cas d'interruption de l'alimentation en sodium. En effet, dans ce cas, une partie de La masse de sodium qui se trouve dans les trous réagit avec de l'eau résiduelle ou avec l'hydrogène qui se trouve dans l'atmosphère de la cuve pour former de la soude;-cette dernière se solidifie, créant ainsi un bouchon de soude qui obture Les trous. D'autre part, la présence des parois perforées 28 et le réglage du niveau de la surface Libre du Liquide de réaction juste au-dessous de la tête d'injection 20 et du couvercle 33 assurent un bon lavage de l'hydrogène 5 et interdisent tout contact entre Le sodium contenu dans la tête de réaction et l'eau lorsque l'installation est à l'arrêt: en effet, comme on peut le voir sur la figure 2, le dessin de la tête d'injection 21 et du déflecteur 20 est tel que les trous d'injection débouchent 10 légèrement au-dessus de la surface libre du liquide. Enfin, les moyens de régulation thermique du sodium arrivant à la tête d'injection 21 permettent soit de le maintenir liquide, soit de le maintenir solide. Il est bien entendu que l'invention ne se li15 mite pas au seul mode de réalisation qui vient d'être décrit, mais qu'on peut envisager des variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de transformation de sodium en soude aqueuse, dans lequel le sodium est mis en contact avec un Liquide de réaction, caractérisé en ce que La mise en contact du sodium avec le Liquide de réaction est réalisée par projection d'un jet de Liquide de réaction sur du sodium expulsé sous pression d'une tête d'injection. 15 25 30 35 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide de réaction est de l'eau. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide de réaction est une solution aqueuse. 4. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte - un déflecteur de jet (20), - une tête d'injection à débit contrôlé de sodium (21) incorporée à ce déflecteur de jet (20), - des moyens d'alimentation en sodium de la tête d'injection (21), et - une lance (22) de projection d'un liquide de réaction. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que le déflecteur de jet (20) est disposé à l'intérieur d'une cuve (14) et orienté vers le fond de celle-ci. 6. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que la tête d'injection (21) constitue la partie centrale du déflecteur (20). 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que, le déflecteur (20) présentant une symétrie de révolution autour d'un axe vertical, la lance de projection (22) est pLacée suivant cet axe et au-dessous de la tête d'injection. 1 1 8. Installation selon L'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que l'ensemble formé par le déflecteur (20), la tête d'injection de sodium (21) et la lance de projection (22) est entouré 5 d'au moins une paroi poreuse (28) permettant le passage de l'hydrogène dégagé au cours de la réaction. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisée en ce que le niveau du liquide de réaction est réglé de manière à se trouver 10 au-dessous de la tête d'injection de sodium (21). 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisée en ce que la tête d'injection de sodium (21) comporte au moins un trou permettant le passage du sodium sous pression. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisée en ce que les moyens d'alimentation en sodium de la tête d'injection (21) comprennent: - une cuve (1) de stockage de sodium liquide, - au moins une conduite (5) reliant ladite cuve (1) au deflecteur de jet (20), - une boîte à clapets (6) disposée sur ladite conduite (5), et - une pompe volumétrique (9) reliée à cette boite à cla25 pets par une conduite (7). 12. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 11, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens de régulation thermique du sodium arrivant à la tête d'injection (21). 13. Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que lesdits moyens de régulation thermique du sodium arrivant à la tête d'injection (21) comprennent: - une conduite (15), communiquant avec la tête d'injec35 tion (21), et dans laquelle passe le sodium, - un tube (16) , entourant la conduite (15), l'espace intérieur du tube (16) étant rempli d'un Liquide organique, et - des moyens de chauffage de ce Liquide organique. 14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que les moyens de chauffage du liquide organique comprennent au moins un élément chauffant (17) placé à l'intérieur de ce liquide organique. 15. Installation selon l'une quelconque des I1 revendications 14 et 15, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un matériau d'isolation thermique (19) placé à l'extérieur du tube (16) et en contact avec cel u i - c i.