Brevet FR2710181A1 — publié le 19950324

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DECOUPE PAR INDUCTION D'ELEMENTS D'UNE INSTALLATION NUCLEAIRE. DESCRIPTION La présente invention concerne la découpe par induction d'éléments entrant dans la constitution d'une installation nucléaire. Elle s'applique particu- lièrement à la découpe des pots de fusion. Le démantèlement des installations nucléaires est un problème qui préoccupe particulièrement les auto- rités responsables de la sûreté et de la protection nucléaire ainsi que les exploitants nucléaires. Depuis quelques dizaines d'années, de nombreux moyens de déman- tèlement ont été mis en oeuvre et l'expérience à montré qu'il est nécessaire d'améliorer les équipements de démantèlement existants ou même d'en créer de nouveaux. De nombreux pays ont d'ailleurs mis en route des program- mes de recherche et de développement à ce sujet. Les installations nucléaires étant de type et de tailles différents, il est nécessaire de disposer d'une grande variété de moyens pour réaliser les opéra- tions de démantèlement. Celles-ci sont effectuées généra- lement par découpe au moyen de l'un des nombreux procédés existants: thermiques, électrothermiques, pyrotechni- ques, mécaniques, etc.. Le choix d'un procédé de découpe se fait en fonction de nombreux critères: efficacité de la découpe, son coût, les contraintes de mise en oeuvre, le degré de nuisances émises, le matériau à découper. Il est connu de pratiquer une découpe mécanique par scie circulaire, scie alternative, disque, câble et meule abrasifs, jet d'eau à haute pression avec ou sans abrasif, outils de coupe par alésage. Le poids et l'encombrement de ces outils les rendent difficilement télémanipulables. Certains constituants des installations nu- cléaires s'avèrent particulièrement difficiles à décou- per. Ceci peut être dû à la nature du matériau qui les compose, à leur épaisseur et à leur état. C'est notamment le cas des pots de fusion en alliage de nickel, de chrome et de fer, tel l'Inconel 601, qui ont une épaisseur d'environ 10 mm. En outre, les pots de fusion usagés présentent un dépôt résiduel de verre sur leur paroi intérieure qui accroît la difficulté de découpe. Ceci fait qu'il est actuellement pratiquement impossible de découper ces pots. Des essais à la scie alternative ont permis de constater qu'il faut environ deux mois pour découper un tel pot. Les procédés de découpe thermique sont en général très efficaces et permettent de découper de fortes épaisseurs d'aciers. Ils génèrent cependant des quantités importantes de scories, de fumée et d'aérosols, ce qui oblige à leur associer des dispositifs de ventila- tion, de filtration et de confinement. On connaît, par le document FR-A-2 667 533, un procédé permettant la séparation des combustibles irradiés de leur gaine métallique. Il consiste à chauffer par induction la gaine métallique pour provoquer la fusion d'un point faible de la gaine et à propager la fusion pour créer une fente. L'induction est générée par passage d'un courant électrique dans un solénoïde entourant la gaine métallique. Ce procédé permet de séparer correctement les combustibles irradiés de leur gaine sans contaminer les combustibles par du métal en fusion. On connaît aussi, par le document FR-A-2 080 952, un procédé de traitement de cartouches de combustible nucléaire céramique irradiées. La gaine métallique entourant le combustible est soumise à un chauffage local par l'induction générée par une bobine disposée autour de la cartouche. Lorsqu'une partie de la cartouche disposée dans le bobine d'induction est exposée à un champ magnétique haute fréquence appropriée, la gaine métallique finit par se rompre. Ces procédés de découpe par induction s'appli- quent particulièrement bien à la découpe de tubes de diamètre relativement faible puisqu'ils nécessitent la mise en place des tubes dans des solénoïdes. Ils ne peuvent s'appliquer à la découpe de pièces volumineu- ses, encombrantes ou de forme quelconque. Dans un autre domaine, celui de la soudure, on connaît des dispositifs de chauffe par induction permettant le préchauffage de pièces à souder. On utilise pour cela un inducteur comprenant une bobine plate dans laquelle on fait passer un courant électrique. La chauf- fe est obtenue en plaçant la bobine à proximité des pièces à souder. Pour réaliser une découpe rapide des pièces particulièrement résistantes à la découpe mécanique, telles les pots de fusion usagés, l'inventeur de la présente invention a pensé à découper ces pièces par induction, l'induction n'étant pas classiquement générée à partir d'un solénoide entourant la pièce mais à partir d'un inducteur du type utilisé pour simplement chauffer des pièces à souder. L'invention a donc pour objet un procédé de découpe par induction d'un élément entrant dans la constitution d'une installation nucléaire en vue de son démantèlement, l'induction étant générée par le passage d'un courant électrique dans une bobine d'induc- tion, caractérisé en ce que l'induction est produite par une bobine plate disposée en vis-à-vis de la partie de l'élément à découper. L'invention a aussi pour objet un dispositif de découpe par induction d'un élément entrant dans la constitution d'une installation nucléaire en vue de son démantèlement, comprenant une bobine d'induction et des moyens de connexion électrique de chaque extrémité de cette bobine à une alimentation électrique, caractéri- sé en ce que la bobine est une bobine plate. Pour une meilleur efficacité, la bobine compor- te de préférence deux spires. Egalement pour une meilleure efficacité, la bobine a de préférence une forme allongée. Le dispositif comprend avantageusement des moyens de refroidissement de la bobine par circulation d'un fluide de refroidissement. La bobine peut être creuse pour permettre le passage du fluide de refroidissement entre ses deux extrémités. Les moyens de connexion électrique peuvent se composer de deux parties par extrémité de bobine, une partie servant à la connexion électrique avec cette extrémité de bobine et une partie servant à la circula- tion du fluide de refroidissement. Ils peuvent comprendre deux ensembles, chaque ensemble étant constitué d'un premier conducteur électri- que, tubulaire et relié par l'une de ses extrémités à une extrémité de la bobine en assurant la continuité du circuit de refroidissement et par son autre extrémité à un conduit de circulation du fluide de refroidissement, et d'un deuxième conducteur électrique relié à l'alimen- tation électrique et en contact électrique et thermique avec le premier conducteur. Les deux ensembles peuvent être fixés l'un à l'autre par des moyens de serrage entre les deuxièmes conducteurs avec interposition d'un isolant entre ces deuxièmes conducteurs. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 représente un équipement de découpe pourvu d'un inducteur selon l'invention disposé au bout d'un bras télémanipulateur; - la figure 2 représente un inducteur selon l'invention isolé de l'équipement auquel il est affecté; - la figure 3 représente la circulation du courant dans la bobine de l'inducteur à un instant donné; - la figure 4 représente les courants induits dans la pièce à découper lorsque le courant dans la bobine circule dans le sens représenté à la figure 3; - la figure 5 illustre l'effet thermique généré dans la pièce à découper par un inducteur à deux spires selon l'invention; et - la figure 6 illustre l'effet thermique généré dans la pièce à découper par un inducteur à une spire selon l'invention. La figure 1 représente un équipement de découpe selon l'invention prêt à découper un élément 1 entrant dans la constitution d'une installation nucléaire. Cet élément 1 est par exemple un pot de fusion. L'inducteur 2, représenté isolément à la figure 2, est supporté par un transformateur fixé à l'extrémité d'un bras télé- manipulateur 3. Cette extrémité du bras 3 supporte, outre le transformateur, les connexions électriques et du circuit d'eau de refroidissement de l'inducteur, l'ensemble portant la référence globale 4. Comme le montre la figure 1, la découpe se fait à l'intérieur d'une cellule de démantèlement 5 pourvue d'une table 6 servant de support à l'élément à découper. L'un des murs 7 délimitant la cellule 5 assure le maintien du télémanipulateur 8 et est pourvu d'un hublot 9 permettant l'observation de la pièce à découper. Une nappe de câbles 10, passant au travers du mur 7, permet de véhiculer le courant d'alimentation et l'eau de refroidissement depuis le générateur 11 situé dans la zone de commande du dispositif jusqu'à l'inducteur 2. A titre d'exemple, l'équipement peut comprendre un générateur ELVA du type Maximinac de 50 kW de puissan- ce de sortie maximum. C'est un appareil qui est d'habitu- de utilisé au cours d'opérations de brasage tendre et dur, de forgeage de petites pièces, de trempe superfi- cielle et de préchauffe. Il se branche sur le secteur triphasé de 380 V, 50/60 Hz. La tension du secteur est tout d'abord redressée, puis convertie dans un onduleur pour obtenir un courant alternatif d'une fréquence comprise entre 10 et 30 kHz. Il convient d'adapter ce courant alternatif à la bobine de l'inducteur. La sortie du générateur est reliée à la bobine d'inducteur par l'intermédiaire du transformateur fixé mécaniquement à l'extrémité du bras télémanipulateur. La figure 2 permet une vue de détail de l'in- ducteur 2. Cet inducteur est réalisé par assemblage et soudage de plusieurs éléments. Il comprend une bobine plate 20 comprenant, dans l'exemple représenté ici, deux spires. La bobine est creuse pour permettre la circulation d'un fluide de refroidissement. Les extrémi- tés de la bobine 20 sont raccordées par soudage à des branches creuses et conductrices 21 et 22. Le raccord entre la bobine 20 et les branches 21 et 22 est effectué de façon à assurer non seulement la liaison électrique mais aussi la continuité du circuit de refroidissement entre l'extrémité 23 de la branche 21 et l'extrémité 24 de la branche 22. Des raccords rapides assurent la liaison hydraulique entre les extrémités 23 et 24 et les connexions du circuit de refroidissement portées par l'extrémité du bras télémanipulateur. La liaison électrique avec le secondaire du transformateur porté par l'extrémité du bras télémanipu- lateur se fait par l'intermédiaire des bornes électriques et 26. Ce sont deux plaques pliées à angle droit. Les premières parties 27, 28 de ces plaques se fixent par vissage sur les bornes de sortie du transformateur pour assurer une liaison électrique et mécanique de l'inducteur. Les secondes parties 29, 30 sont solidement fixées entre elles par une visserie isolante, par exemple en téflon, avec interposition d'une plaque isolante 31. Les branches 21 et 22 sont soudées respective- ment sur les bornes 25 et 26 pour assurer la continuité électrique jusqu'à la bobine 20. Les figures 3 et 4 sont à considérer ensemble. On a représenté à la figure 3 la circulation du courant alternatif parcourant la bobine à deux spires de l'induc- teur à un instant donné, la bobine étant disposée en vis-à-vis et à une faible distance de l'élément 1 à découper. Il se crée alors dans l'élément 1, dans les régions situées en regard des spires de la bobine, des courants induits circulant comme cela est représenté sur la figure 4. Pour illustrer l'effet thermique généré dans l'élément 1 à découper, on a représenté sur la figure un diagramme de la température T à laquelle est soumise la partie de l'élément située en regard de la bobine en service pour une section transversale telle que celle indiquée par les flèches sur la figure 3. On remar- que que les spires de la bobine utilisée ont des sections de formes différentes. La spire extérieure a une section rectangulaire dont les côtés parallèles à l'élément 1 sont plus longs que les côtés perpendiculaires à cet élément 1. La spire intérieure a une section rectangu- laire dont les côtés parallèles à l'élément 1 sont plus courts que les côtés perpendiculaires à cet élément 1. On a représenté autour des spires de la bobine 20 l'induction magnétique produite par le courant parcourant la bobine.5 Le diagramme de la figure 5 montre l'évolution de la température dans l'élément 1 consécutive aux cou- rants induits. Celle-ci passe par un maximum situé dans l'axe longitudinal de la bobine pour descendre rapidement de chaque côté de ce maximum et avec des petites remon-10 tées au niveau de la spire externe. On conçoit que la forme allongée donnée à la bobine favorise une accumu- lation d'énergie calorique selon l'axe longitudinal de cette bobine. L'induction produit, dans les zones chauffées de l'élément 1 des forces s'exerçant dans les directions indiquées sur la figure 5. Dans la zone située en regard de l'axe longitudinal de la bobine, il se crée une force F qui refoule le métal en fusion pour créer l'amorce d'une fente qui va se prolonger. Les forces f1 et f2,20 dues à la spire extérieure, ont pour conséquence d'éviter une remontée de la matière en fusion sur les côtés. On obtient alors une découpe assez nette de l'élément 1. Une bobine a une seule spire ne permet pas d'obtenir un tel résultat. C'est ce que montre la bobine qui n'a qu'une seule spire et pour laquelle la courbe de température est plus large. Tous les éléments constituant l'inducteur sont de préférence réalisés en cuivre. Des essais effectués ont montré que l'invention a un intérêt certain. Ils ont été menés pour une fréquen- ce de la tension appliquée à la bobine de l'ordre de 12 kHz. La puissance de sortie continue était d'environ 46,2 kW. Le générateur fournissait au primaire du trans- formateur situé à l'extrémité du bras du télémanipulateur une tension alternative de 420 V crête à crête pour une intensité du courant de 110 A crête à crête. La tension aux bornes de l'inducteur était de 40 V maximum pour une intensité comprise entre 1500 et 6000 A. La bobine était constituée d'un tube de cuivre de 7 x 10 mm pour 1 mm d'épaisseur. Le refroidissement consistait en un débit d'eau de 12 1/min pour une pression de 5 bars. Dans ces conditions, on a réalisé la découpe complète d'un pot de fusion, y compris ses manipulations, en 76 heures au lieu de 2 mois avec la scie alternative. Le verre collé à l'intérieur du pot ne pose aucune contrainte. REVENDICATIONS 1. Procédé de découpe par induction d'un élé- ment (1) entrant dans la constitution d'une installation nucléaire en vue de son démantèlement, l'induction étant générée par le passage d'un courant électrique dans une bobine d'induction, caractérisé en ce que l'induction est produite par une bobine plate (20) disposée en vis- à-vis de la partie de l'élément à découper. 2. Dispositif de découpe par induction d'un élément entrant dans la constitution d'une installation nucléaire en vue de son démantèlement, comprenant une bobine d'induction (20) et des moyens de connexion élec- trique de chaque extrémité de cette bobine à une alimen- tation électrique, caractérisé en ce que la bobine est une bobine plate. 3. Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la bobine (20) comporte deux spires. 4. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 2 ou 3, caractérisé en ce que la bobine a une forme allongée. 5. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de refroidissement de la bobine par circulation d'un fluide de refroidissement. 6. Dispositif selon la revendication 5, carac- térisé en ce que la bobine est creuse pour permettre le passage du fluide de refroidissement entre ses deux extrémités. 7. Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que les moyens de connexion électrique se composent de deux parties par extrémité de bobine, une partie servant à la connexion électrique avec cette extrémité de bobine et une partie servant à la circula- tion du fluide de refroidissement. 8. Dispositif selon la revendication 7, carac- térisé en ce que les moyens de connexion électrique comprennent deux ensembles, chaque ensemble étant consti- tué d'un premier conducteur électrique (21,22), tubulaire 5 et relié par l'une de ses extrémités à une extrémité de la bobine (20) en assurant la continuité du circuit de refroidissement et par son autre extrémité (23,24) à un conduit de circulation du fluide de refroidissement, et d'un deuxième conducteur électrique (25,26) relié à l'alimentation électrique et en contact électrique et thermique avec le premier conducteur. 9. Dispositif selon la revendication 8, carac- térisé en ce que les deux ensembles sont fixés l'un à l'autre par des moyens de serrage entre les deuxièmes conducteurs (25,26) avec interposition d'un isolant (31) entre ces deuxièmes conducteurs.