Brevet FR2674939A1 — publié le 19921009

FOUR DE FUSION A MICRO-ONDES POUR LA VITRIFICATION DE MATERIAUX DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le stockage définitif de matériaux toxiques, et en particulier, des déchets radioactifs issus des centrales nucléaires, ou constitués de combustibles irradiés retraités ou non L'invention s'applique également à des déchets chimiques Elle concerne plus particulièrement la vitrification de tels déchets au moyen de fours à micro-ondes ART ANTERIEUR Le stockage des déchets toxiques, tels que des déchets radioactifs, pose de graves problèmes vis-à-vis de l'environnement Pour éviter La dissémination de ce genre de matériaux, une solution Largement connue consiste à immobiliser ces déchets dans des matériaux résistant aux différentes corrosions dans Le temps C'est ainsi que la vitrification permet L'immobilisation de ces déchets sous une forme stable. L'effet des micro-ondes sur La matière est connu, car sous l'action d'un champ électrique alternatif, Les matériaux diélectriques s'orientent dans un sens, puis dans l'autre Ces cycles de polarisation conduisent à un échauffement. D'autre part, dans le domaine de la vitrification des déchets radioactifs à l'aide de micro-ondes, il est connu de broyer ces déchets, puis de les déverser dans un conteneur situé dans un four à micro-ondes Les déchets peuvent être constitués en outre de filtres en fibre de verre, d'amiante, de verre, de céramique ou de cendre Le générateur de micro-ondes est alors mis en route, la fusion des déchets s'opérant peu à peu Lorsque celle-ci est terminée, le conteneur est sorti du four. D'une façon générale, dans les procédés actuels, la répartition des micro- ondes se fait selon un processus multimodal Ce type de fonctionnement est avantageux car il permet d'avoir un four suffisamment grand et de traiter suffisamment de déchets pour une installation industrielle rentable fonctionnant en discontinu Toutefois, un tel dispositif ne permet pas de contrôler l'uniformité du champ électrique, et donc du traitement En conséquence, il y a un risque de points chauds et donc de volatilisation incontrôlée et un risque de points froids, donc d'obtention de phases solides de natures différentes Les différents produits alors obtenus ont des propriétés différentes Le manque de reproductibilité de ces propriétés ne permet pas de garantir la sûreté des stockages. La figure I décrit un four de fusion décrit dans la publication de C SHIBATA et H TAMAI, extrait de la revue J 1 de Microwave Power and Electromagnetic Energy (Vol 25, N 2, 1990) Ce four est incliné et utilise un procédé de fusion des déchets en continu et monomodal. Ce four comprend une partie supérieure droite 10, par laquelle arrive les micro-ondes et une partie inférieure inclinée 1, constituant la cuve de fusion et contenant donc le produit de fusion 2 Les micro-ondes arrivent dans la partie supérieure au moyen d'une alimentation par guide d'ondes 8 débouchant par une fenêtre 9, perpendiculairement, dans cette partie supérieure 10 D'autre part, le produit à fondre est stocké dans une trémie 7 et est amené dans la cuve de fusion 1 au moyen d'une vis doseuse latérale 3 Le produit fondu coule par une sortie 4, appelée également "surverse" Cette sortie 4 est placée au niveau de la surface du bain de fusion 2 Les gaz sont extraits par une cheminée A ou 5 B qui peut être placée, soit près de l'alimentation en produit comme c'est le cas pour A, soit du côté de l'arrivée des micro- ondes comme c'est le cas pour 5 B. Un tel dispositif peut fonctionner en continu et permet de garder en réserve une masse de matériau en fusion Après l'arrêt d'un tel four, cette masse de matériau se refroidit et se solidifie La quantité d'énergie nécessaire, sous forme de micro-ondes, pour porter à la fusion cette quantité de matière est bien moindre que s'i L s'agissait du produit brut d'alimentation. D'autre part, un te L dispositif présente de nombreux inconvénients, qui sont Les suivants. Une telle configuration de cuve de fusion 1 fait que la répartition des micro-ondes sur la surface du bain de fusion 6 engendre un gradient de température trop important Il y a alors un risque important de bouchage de l'orifice de sortie 4 Un débouchage nécessite alors l'arrêt et même Le démontage du four 10, ou de la cuve de fusion 1. Dans le souci d'éviter des décharges, l'extraction des gaz par la sortie 5 A doit se faire dans La zone de faib Le puissance par rapport aux micro-ondes, pour éviter une remontée des gaz conducteurs vers La partie supérieure 10 du four o règne la plus forte puissance Dans L'exemp Le décrit, la sortie des gaz 5 A est donc placée au-dessus du bain de fusion 2, près de la sortie de l'alimentation par vis 3 Par contre, il subsiste alors un risque d'aspiration du produit à fondre, si ce produit est constitué en partie de cendres. En conséquence, l'extraction des gaz par la sortie A doit être effectuée à très faible débit On n'est alors pas certain d'éliminer tous les gaz en présence. Si la sortie des gaz se trouve du côté opposé à la sortie de l'alimentation par vis 3, comme c'est le cas pour la sortie de gaz 5 B, cette dernière se trouve donc très près de la zone de forte puissance. Le risque de décharge est donc nettement accru. Le but de l'invention est de remédier à ces différents inconvénients en proposant une structure de four et de cuve de fusion différente. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'invention a pour objet un four de fusion à micro-ondes pour la vitrification de matériaux, comportant: un corps de four comprenant une partie inférieure constituant une cuve de fusion, un orifice d'entrée des matériaux à fondre, un orifice de sortie des matériaux fondus placés à la hauteur du niveau souhaité de bain de fusion, une sortie des gaz et une entrée des micro-ondes; et un générateur de micro-ondes relié à l'orifice d'entrée des micro-ondes. Selon L'invention, la partie inférieure du four a une paroi supérieure horizontale, de manière à délimiter un volume, au-dessus du bain de fusion, de section constante sur la plus grande longueur possible, pour favoriser une répartition régulière de La puissance dispensée par les micro-ondes au bain de fusion. Dans la réalisation préférentielle du four selon l'invention, Le corps du four est un tube et La partie inférieure constituant La cuve de fusion est une partie horizontale de ce tube, L'orifice d'entrée des matériaux à fondre et L'entrée des micro-ondes étant placés à une première extrémité du tube. Cette réalisation se comp Lète avantageusement par le fait que La deuxième extrémité du tube est fermée par une surface de réflexion des micro-ondes, pour renvoyer celle-ci vers la surface du bain de fusion. De préférence, cette surface de réflexion est L'extrémité d'un piston coulissant dans la deuxième extrémité du tube, pour permettre un réglage de la position de cette surface de réflexion en fonction de La longueur d'onde des micro-ondes. Dans ce cas, le piston est avantageusement complété d'un piège à micro-ondes constitué d'au moins une chambre placée derrière la surface de réflexion et débouchant dans le jeu entre Le piston et la paroi interne de La deuxième extrémité du tube. Dans la configuration préférentiel Le du four selon l'invention, les deux extrémités du tube sont verticales, le tube ayant une forme recourbée en U ou en J. Dans La réalisation préférentielle du four selon l'invention, on a choisi Le fonctionnement monomodal, Les différentes parties du tube ayant toutes La même section favorisant la propagation monomodale des micro-ondes. Pour faciliter l'écoulement des matériaux fondus par l'orifice de sortie et empêcher le bouchage de ce dernier, l'orifice de sortie des matériaux fondus est large, permettant ainsi l'action des micro-ondes sur les matériaux s'échappant par cet orifice. Il est avantageux de placer alors la sortie des gaz sur la deuxième extrémité. Il est également possible de compléter la cuve de fusion d'un circuit de refroidissement par eau. Dans le cadre de la réalisation du four avec deux extrémités verticales, ces deux extrémités sont reliées à la partie inférieure horizontale servant de cuve de fusion par des coudes à double coin délimitant ainsi des portions inclinées entre les deux coins d'une jonction. Dans ce cas, le tube a de préférence une section rectangulaire de côtés A et B, avec B = 2 A et avec B C = L/4 A tg 2205 ' et D = L/4 + A tg 2205 '. LISTE DES FIGURES La description qui suit explicite l'invention et ses caractéristiques techniques et est accompagnée de deux figures, qui représentent respectivement: figure 1, un exemple de réalisation d'un four selon l'art antérieur; et figure 2, le four selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UNE REALISATION DE L'INVENTION Le four représenté sur la figure 2 a une forme générale en U, c'est-àdire avec deux branches verticales reliées par une branche horizontale Ceci ne constitue évidemment qu'un exemple de réalisation. Le bain de fusion 22 se trouve dans la partie inférieure 21 qui constitue une cuve de fusion. Par une première extrémité de gauche 20 G, sont introduits les matériaux à fondre On note à ce sujet, que ces matériaux doivent être non conducteurs et susceptibles d'absorber des micro-ondes, autrement dit présentant des pertes diélectriques et étant des matériaux non sujets à la sublimation, c'est-à-dire qui ne passent pas directement de l'état solide à l'état gazeux Ces matériaux sont en général les déchets contenant notamment des métaux lourds oxydés. On note également que les cendres d'incinération sont particulièrement bien adaptées à ce type de traitement. Pour améliorer le rendement des micro-ondes, il est préférable de mettre les déchets sous forme compacte avant leur fusion Il n'est par contre pas obligatoire d'obtenir des pastilles très dures, mais simplement des pastilles d'une rigidité suffisante pour permettre leur manutention Le but de ce compactage est également d'éliminer des envolées de poudre ou de cendre lors de l'introduction des déchets dans le four et de diminuer la quantité d'air introduite dans ces déchets Dans la réalisation décrite sur cette figure 2, les matériaux à fondre sont également introduits par cette première extrémité de gauche 20 G, et plus précisément, par un orifice d'alimentation 23, placé dans la partie supérieure de cette première extrémité 20 G Cette dernière a été représentée recourbée, mais ceci n'est pas une mesure obligatoire Cette forme est simplement adaptée à une insta L Lation fournissant des micro-ondes particulièrement adaptées à ce type de four de fusion, au moyen d'un guide d'ondes orienté dans une direction symbolisée par La flèche horizontale 28 et aboutissant dans la partie supérieure de cette première extrémité de gauche 20 G, par L'intermédiaire d'un orifice d'alimentation en micro-ondes 29. Une caractéristique essentielle de l'invention est que le bain de fusion 22 se trouve dans une portion horizontale du four 21 constituant la cuve de fusion et dont le vo Lume permet une répartition uniforme de La puissance des micro-ondes sur toute La surface 27 du bain de fusion 22 En d'autres termes, Le volume 30 se trouvant au-dessus de la surface 27 du bain de fusion 22 et en-dessous de la paroi supérieure 31 de La partie inférieure 21 faisant office de cuve de fusion a une section transversale favorisant Le passage et la répartition uniforme des micro-ondes sur cette surface 27 du bain de fusion 22 La paroi supérieure 31 de la cuve de fusion 21 est donc horizontale, La hauteur séparant cette dernière de La surface 27 du bain de fusion 22 étant constante sur la majeure partie de La longueur de cette surface 27 Les deux traits d'axe verticaux séparant cette cuve de fusion 21 en deux parties montrent que celle-ci peut être d'une Longueur variab Le, la paroi supérieure 31 devant rester horizontale La section du vo Lume 30 au-dessus de La surface 27 du bain de fusion 22 doit donc être constante sur la p Lus grande Longueur. Dans La réalisation préférentielle du four selon l'invention, le corps de celui-ci est constitué de préférence d'un tube englobant toutes les parties successives du four Ainsi, La première extrémité de gauche 20 G est la première extrémité du tube, et est de préférence verticale Après un coude, le tube constitue la partie horizontale qui est La cuve de fusion 21 Les micro-ondes, introduites par l'accès latéral 29, dans La première extrémité de gauche 20 G, se propagent donc jusque dans la partie inférieure 21, à travers l'espace 30 situé entre la surface 27 du bain de fusion 22 et la paroi supérieure 31 de La cuve de fusion 21. Cette configuration de la cuve de fusion 21 permet d'utiliser une des principales caractéristiques techniques secondaires du four selon l'invention, qui est l'utilisation d'une surface de réflexion 32 des micro-ondes, pour que les micro-ondes non absorbées au préalable parcourent le chemin inverse, dans le but d'exploiter La quantité maximale de la puissance des micro- ondes On rentabilise ainsi Le rendement des micro-ondes en réglant convenablement la position du piston 26, en particulier en adaptant l'impédance du couple four/déchets qui varie considérablement entre Le démarrage du four et la fusion des matériaux. Une deuxième extrémité de droite 20 D termine le four selon l'invention, et en particulier, le tube Cette deuxième extrémité de droite 20 D a été représentée verticale comme l'extrémité de gauche G Ceci n'est qu'un mode de réalisation. La surface de réf Lexion 32 est de préférence ce L Le d'un piston 26 monté coulissant à L'intérieur de La paroi interne 33 de La deuxième extrémité de droite 20 D Ceci permet de rég Ler La position de cette surface de réflexion 32 en fonction de La puissance et de la Longueur d'onde des micro-ondes. IL suffit alors de déplacer le piston 26 au moyen de sa tige de commande 27. On peut également équiper ce piston 26 de deux cavités internes 28 possédant une ouverture 29 mettant en communication La chambre 28 avec L'espace minimal éventuel subsistant entre La paroi interne 33 de la deuxième extrémité de droite 20 D et la paroi externe Latérale 34 du piston 26 Ceci constitue un piège pour Les micro-ondes qui auraient tendance à passer dans le jeu subsistant entre le piston 26 et La paroi interne 33 de cette deuxième extrémité de droite 20 D. Un orifice de sortie des matériaux fondus 24 est placé de préférence vers la deuxième-extrémité de droite 20 D, à L'opposé du côté d'alimentation en déchets solides, pour éviter la sortie de déchets incomp Lètement fondus. Un orifice de sortie des gaz 25 a été p Lacé en bas de cette deuxième extrémité de droite 20 D, mais cette disposition n'est pas la seu Le possible. La position de L'orifice de sortie des gaz 25 sur la deuxième extrémité de droite 20 D du four permet d'éviter La dissémination des gaz dans La partie du four servant à La propagation des micro-ondes. On a symbolisé des canalisations 35 à L'intérieur des parois de La cuve de fusion 21 pour montrer La présence préférentielle d'un circuit de 1 1 refroidissement par eau par double enveloppe Ceci permet d'éviter l'effet de corrosion intense des produits lorsque la fusion atteint 1 100 C. Comme le montre cette figure 2, les deux extrémités 20 G et 20 D sont reliées à la partie horizontale qui est la cuve de fusion 21 au moyen de deux coudes à double coin En effet, la cuve de fusion 21 est reliée à chacune des deux extrémités G et 20 D par deux parois obliques 36 I et 36 E respectivement interne et externe Chaque paroi oblique 36 I et 36 E délimite sur la figure 2 deux coins 37. Dans la réalisation décrite sur cette figure, l'inclinaison de ces parois intermédiaires 36 I et 36 E est de 45 , mais cette inclinaison n'est pas limitative. Par contre, la proportion des distances respectives I de 36 I et E de 36 E doit de préférence respecter les formules suivantes, établies en fonction de la longueur d'onde L des micro-ondes: I = L/4 A tg 22 5 ', et E = L/4 + A tg 22 5 '. Ces proportions sont calculées pour que la propagation des micro- ondes soit monomodale ou ait lieu en monomode. Ces dispositions se complètent avantageusement en adoptant pour toutes les parties constituant le tube, une section rectangulaire dont les côtés A et B sont tels que B = 2 A, avec B 4 L qui est la longueur d'onde de propagation des micro-ondes dans les guides d'ondes. L'orifice de sortie 24 a, dans La réalisation préférentie L Le du four selon L'invention, une forme particulière qui est constituée principalement par une ouverture relativement Large de cet orifice. Ceci facilite L'action des micro-ondes sur Les matériaux fondus qui s'écoulent à travers cet orifice de sortie 24 de manière à empêcher Les phénomènes de bouchage de cet orifice de sortie 24 Cette taille de l'orifice de sortie 24 peut être néanmoins ajustée en fonction de la taille du four et du débit souhaité. On note toutefois La présence d'une surface inclinée 37 donnant à La section de cet orifice de sortie 24 une forme évasée vers le bas, de manière à favoriser L'écoulement des matériaux fondus. FONCTIONNEMENT DU FOUR SELON L'INVENTION Avant La première campagne de fusion, Le four doit être vide On introduit alors les matériaux à fondre, en l'occurrence des déchets sous forme compactée, en quantité suffisante Ceux-ci tombent dans la cuve de fusion 21. Le générateur de micro-ondes est ensuite mis en marche Un tel four est particulièrement bien adapté pour uti iser des fréquences comprises de 915 à 2 450 -M Hz représentant des puissances de 0,5 à 2 k W/kg de déchets à traiter. La température des déchets s'élève alors. Des gaz sont dégagés et sont aspirés par L'orifice de sortie des gaz 25 Cette évacuation des gaz est particulièrement intéressante pour des gaz conducteurs qui peuvent se former, tels que le C 02, ou tout simplement l'air chaud Effectivement, des arcs électriques peuvent se produire, ceci étant très préjudiciable pour le bon fonctionnement du fou r Lorsque les déchets ont atteint leur point de fusion et qu'ils sont en quantité suffisante dans la cuve de fusion 21, ces matériaux fondus s'écoulent par l'orifice de sortie 24. Il suffit alors de rajouter régulièrement des déchets pour entretenir la cou Lée. On note que la fusion comp Lète des matériaux peut ne pas être obtenue, du moment que la viscosité du matériau en cours de fusion est suffisante pour assurer l'évacuation de ce matériau Une viscosité de 1 000 poises environ est une valeur limite au-de Là de Laquelle la coulée s'avère difficile. On précise qu'il est avantageux de maintenir dans la cuve de fusion 21 une quantité de matériau fondu refroidi entre deux campagnes Cette réserve permet de diminuer la puissance nécessaire pour atteindre la fusion lors du début de la seconde campagne, au cours du préchauffage. Dans Le cadre de l'obtention d'un verre, soit en traitant des déchets vitrifiables, soit en ajoutant des composants nécessaires à la formation d'un verre en combinaison avec Les composants des déchets, on peut donner l'exemple de réalisation suivant. EXEMPLE DE VITRIFICATION OBTENUE On a fondu des déchets (cendre d'incinérateur) de composition suivante: Zn O 34 % Ca O 28 % Si O 15,6 % AL 203 11,5 % P 205 4,1 % Ti O 02 2,8 % Mg O 1,6 % Mu 02 1,3 % Fe 203 0,6 % Cd O 0,5 % Cette cendre simule la cendre radioactive d'incinérateur de déchets radioactifs. La coulée est obtenue pour une viscosité de 200 poises. La température de fondu est de 1 100 C. Le débit du four est de 1,8 kg/h. La puissance du générateur est de 5 k W. La fréquence uti Lisée est de 2 450 M Hz. REVENDICATIONS 1 Four de fusion à micro-ondes pour la vitrification de matériaux, comportant: un corps comprenant une partie inférieure constituant une cuve de fusion ( 21), un orifice d'entrée des matériaux ( 23), un orifice de sortie des matériaux fondus ( 24) placé à hauteur du niveau souhaité de la surface ( 27) du bain de fusion ( 22), un orifice de sortie des gaz ( 25) et un orifice d'entrée des micro-ondes ( 29); et un générateur de micro-ondes ( 28) relié à l'orifice d'entrée des micro-ondes ( 29), caractérisé en ce que la cuve de fusion ( 21) a une paroi supérieure ( 31) horizontale, de manière à délimiter un volume ( 30), au- dessus de la surface du bain de fusion ( 27), de section constante, sur la plus grande longueur possible, pour favoriser une répartition régulière de la puissance dispensée par les micro-ondes au bain de fusion ( 22). 2 Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps est un tube, la partie inférieure constituant la cuve de fusion ( 21) étant une partie horizontale de ce tube, les orifices d'entrée des matériaux ( 23) et des micro-ondes ( 29) étant placés sur une première extrémité ( 20 G) de ce tube. 3 Four selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube a une deuxième extrémité ( 20 D) fermée par une surface de réflexion ( 32) des micro-ondes, pour renvoyer les micro- ondes non absorbées vers la surface ( 27) du bain de fusion ( 22). 4 Four selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surface de réflexion ( 32) est l'extrémité d'un piston ( 26) coulissant dans la deuxième extrémité ( 20 D) pour permettre un réglage de la position de cette surface de réflexion ( 32) en fonction de la longueur d'onde (L) des micro-ondes. Four selon la revendication 4, caractérisé en ce que le piston ( 26) est complété d'un piège à micro-ondes constitué d'au moins une chambre ( 28) placée derrière la surface de réflexion ( 32) et débouchant par un trou ( 29) dans le jeu subsistant entre le piston ( 26) et la paroi interne ( 33) de La deuxième extrémité ( 20 D) du tube. 6 Four selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les première et deuxième extrémités ( 20 G, 20 D) sont verticales, le tube ayant une forme recourbée en U ou en J. 7 Four selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les différentes parties du tube ont toutes la même section favorisant la propagation monomodale des micro-ondes. 8 Four selon la revendication 7, caractérisé en ce que la section des différentes parties du tube est rectangulaire de côtés A et B avec B = 2 A et B 9 Four selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'orifice de sortie des matériaux fondus ( 24) est large pour permettre l'action des micro-ondes sur les matériaux qui s'en écoulent, de manière à empêcher d'éventuels bouchages de cet orifice de sortie ( 24). Four selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la sortie des gaz ( 25) est placée sur la deuxième extrémité ( 20 D) du tube. 11 Four selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cuve de fusion ( 21) est entourée d'un circuit de refroidissement ( 35) - 12 Four selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux extrémités ( 20 G, 20 D) sont reliées à la partie inférieure horizontale servant de cuve de fusion ( 21) par des coudes à double coin, délimitant des portions inclinées ( 36) entre deux coins ( 37). 13 Four selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison des portions inclinées ( 36) est égal à 45 , et en ce que les longueurs intérieure ( 30 I) et extérieure ( 30 E) des portions inclinées ( 36) de coude à double coin ont des longueurs respectives correspondant : I = L/4 A tg 22 O ', et E = L/4 + A tg 22 O '.