Brevet FR2759239A1 — publié le 19980807

APPLICATEUR DE MICRO-ONDES, ET SON APPLICATION À LA SCARIFICATION SUPERFICIELLE DU BÉTON CONTAMINÉ DESCRIPTION L'invention ressortit à un applicateur de micro-ondes et à son application à la scarification superficielle du béton contaminé. Le démantèlement d'installations nucléaires usagées impose la destruction du matériel contaminé et en particulier sa division en morceaux qui sont ensuite jetés dans des fûts de bitume qu'on entrepose dans des installations spécialisées. Les parois de béton qui doivent subir ce traitement de morcellement posent cependant un problème particulier à cause de leur épaisseur : comme la contamination est absorbée dans les couches superficielles du béton, le coeur reste sain et n' est ainsi justifiable d'aucun traitement particulier. L'intérêt de ne pas accroître excessivement le volume de matériaux à entreposer a donc conduit les industriels à séparer la couche contaminée du reste des parois de béton, par des techniques qu'on désigne sous le nom d'écroûte et qul consistent à réaliser une scarification superficielle des parois de béton qui laisse le coeur sain en place mais détache la couche contaminée. On a utilisé un certain nombre d'outils purement mécaniques pour réaliser cela, parmi lesquels les bouchardes, les marteaux-piqueurs et les lances à eau sous pression, ainsi que l'application de microondes. Cette nouvelle technique exploite la présence d'eau dans le béton, que chauffent les micro-ondes pour produire son ébullition et des explosions dans la matière solide, qui finissent par produire la scarification souhaitée. L'exploitation correcte du procédé repose cependant sur un choix approprié de certains paramètres tels que la puissance des micro-ondes, leur fréquence, leur superficie d'application et leur direction. Dans un appareil décrit dans l'article Microwave system for removal of concrete surface layers par P. Corleto et collaborateurs et publié par l'Agence italienne pour les nouvelles technologies, l'énergie et l'environnement (ENEA), on utilise plusieurs magnétrons de forte puissance pour émettre des micro-ondes distribuées sur une surface importante. On chauffe ainsi un volume de béton important, d'autant plus que les micro-ondes, dont la fréquence est relativement basse, 2450 Mhz dans la réalisation proposée, pénètrent plus profondément dans le béton. Cet appareil semble efficace, mais on suppose que d'autres façons de procéder seraient tout aussi convenables en permettant par exemple d'écroûter une même surface de béton en employant une puissance bien moindre, afin d'empêcher les ondes de diverger, entraînant ainsi une diminution de la puissance volumique déposée dans le béton et, en définitive, une moindre efficacité du procédé. L'lnvention a été conçue en tenant compte de ces considérations et sa caractéristique essentielle consiste en ce que les micro-ondes sont focalisées en une zone à peu près ponctuelle, ou à peu près filiforme, dans laquelle I'échauffement produit se concentre, ce qui détermine la profondeur de béton écroûté une fois que la zone de focalisation a été stabilisee. Les appareils connus pour écroûter le béton finissent en un applicateur comprenant une tête par laquelle les micro-ondes quittent un guide d'ondes. Cette tête d'application, posée sur la paroi de béton ou placée à peu de distance d'elle, doit donc être conçue ici pour créer la focalisation souhaitée. Bien que la focalisation d'ondes ne semble pas avoir été proposée dans la technique qui nous occupe, on connaît des applicateurs développés en médecine pour focaliser des micro-ondes et créer une hyperthermie locale dans le corps d'un patient, par exemple pour détruire une tumeur au point focal. Trois appareils différents sont décrits dans les articles A direct-contact microwave lens applicator with a microcomputer-controlled heating system for local hyperthermia par Nikawa et d'autres (IEEE transactions on microwave theory and techniques, vol. MTT-34, n"5, mai 1986), An electric field converging applicator with heatin pattern controller for microwave hyperthermia , encore par Nikawa et d'autres (même source) et Microwave applicator using two slots on sphere par Krairiksh et d'autres, édité par IEEE et donné à l'occasion de la conférence Asia Pacific Microwave en 1992 à Adélaide. Un de ces appareils comprend une lentille convergente à la sortie du guide d'ondes. Un autre comprend un guide d'ondes présentant un élargissement final et divisé à cet endroit par des plaques parallèles qui sont exposées à un faisceau de micro-ondes rendu divergent en entrant dans l'élargissement. Des réflexions d'ondes produites sur les plaques parallèles rendent le faisceau convergent et focalisé à la sortie de l'applicateur. Enfin, le troisième porte sur une tête d'application hémisphérique d'où les micro-ondes sortent par des fentes en arc de cercle. Une focalisation satisfaisante est obtenue avec ces systèmes, mais on en souhaite un autre pour la technique d' écroûte de béton, car ces têtes d'applications de grande superficie d'ouverture peuvent être facilement endommagées par les poussières et les débris détachés du béton scarifié. On constate aussi que les ouvertures importantes impliquent une perte de rendement car la part des micro-ondes réfléchies par le béton vers l'extérieur, et qui sont donc perdues, est plus grande. L'objet essentiel de l'invention est donc un applicateur ayant une tête constituée d'une enveloppe munie d'une ouverture de sortie des microondes, qui permette de focaliser un faisceau de microondes sur une cible avec une bonne netteté sans que sa structure soit compliquée ni que son ouverture soit importante. Et comme l'application principalement envisagée d'écroûte de béton nécessite un traitement de grande ampleur, portant sur des parois étendues et impliquant une dépense importante d'énergie, on souhaite aussi limiter les fuites de micro-ondes à la sortie de l'applicateur et surtout les réflexions de micro-ondes en retour dans le guide d'ondes, vers l'appareil producteur de micro-ondes, qui pourrait facilement être endommagé. Ces différents problèmes sont résolus avec un applicateur comprenant un guide d'ondes et une tête dans laquelle aboutit ce guide d'ondes, la tête ayant une ouverture dirigée vers une cible des micro-ondes et comprenant essentiellement une enveloppe réfléchissant les micro-ondes. Deux variantes principales sont proposées, et qui présentent l'élément original commun que l'enveloppe est une surface à section elliptique tronquée et présente deux zones focales dont l'une, située hors de l'ouverture, est le lieu de focalisation des micro-ondes. L'autre des zones focales est un lieu de dispersion des micro-ondes originaires du guide d'ondes vers la surface de l'enveloppe, où les microondes se réfléchissent pour converger vers la zone de focalisation. Dans l'une des variantes, la zone focale de dispersion est occupée par une pièce réfléchissant les micro-ondes et le guide d'ondes est dirigé vers cette pièce, qui peut être notamment sphérique, cylindrique de révolution ou en forme de dièdre à angle dirigé vers le guide d'ondes. Dans l'autre réalisation, il n'y a pas de réflexion à la zone focale interne, mais une diffusion des micro-ondes, qui sortent du guide d'ondes à cet endroit. Une pièce de diffusion munie de fentes multiples dans laquelle finit le guide d'ondes peut être prévue. L'application principale envisagée est donc l'écroûte des bétons contaminés, mais elle n'est pas unique et l'invention pourrait trouver emploi pour le broyage des pierres ou la médecine. L'invention va maintenant être décrite à l'aide des figures suivantes, qui donnent quelques exemples de sa mise en oeuvre la figure 1 représente une vue générale de 1' invention, la figure 2 représente une première conception de l'applicateur, la figure 3 illustre une autre vue de cette conception de l'applicateur, la figure 4 illustre une deuxième conception de l'applicateur, la figure 5 illustre une troisième conception de l'applicateur, et les figures 6 et 7 illustrent des variantes de réalisation des figures 2 et 4. L'appareillage peut être monté sur un chariot 1 roulant sur la paroi de béton 2 à écroûter il comprend un générateur de micro-ondes 3, une tête d'application 4, un guide d'ondes 5 reliant les deux précédents, un aspirateur 6, une coupelle d'aspiration 7 entourant l'extrémité de la tête d'application 4, un conduit d'aspiration 8 débouchant dans la coupelle 7, et éventuellement une membrane 9 bouchant l'ouverture 10 de la tête d'application 4. Les micro-ondes originaires de l'émetteur 3 circulent par le guide d'ondes 5 et quittent la tête d'application 4 par l'ouverture 10, posée directement sur la paroi 2 ou à très peu de distance d'elle afin de limiter les fuites ; la membrane 9 facultative sert à protéger l'intérieur de la tête d'application 4 des poussières et des débris produits par l'effritement du béton, mais elle est évidemment perméable aux micro-ondes. Les poussières et débris s'élèvent dans la coupelle 7 et sont aspirés par l'aspirateur 6. Si on se reporte aux figures 2 et 3, on voit que la tête d'application 4 est une enveloppe en forme de cylindre tronqué à base elliptique ou cylindre ellipsoldal, qui comprend deux zones focales F1 et F2, et que la troncature est telle que la seconde zone focale F2 est située hors de I'enveloppe, sous la surface de la paroi de béton 2. Le guide d'ondes 5, qui peut être formé d'une gaine métallique à section rectangulaire, présente un plan de symétrie qui coïncide avec le plan joignant les zones focales F1 et F2 du cylindre ellipsoidal. La première zone F1, située dans l'enveloppe, est occupée par un réflecteur 11, ici formé par un cylindre métallique de révolution relié à la tête d'application 4. Les ondes M, dont le trajet de l'une d'elles est représenté par des flèches, sortent du guide d'ondes 5 parallèlement au plan de symétrie de l'enveloppe puis sont réfléchies par le e réflecteur 11 vers la surface de la tête d'application 4, qui les réfléchit à son tour vers la zone focale F2 quel que soit leur trajet initial et en particulier leur point de réflexion sur le réflecteur 11 : la focalisation est presque parfaite grâce aux propriétés géométriques du cylindre ellipsoïdal et elle n'est gâtée que par le diamètre non nul du réflecteur 11, qui interdit la réflexion à la première zone focale F1 elle-meme. La seconde zone focale F2 est en réalité placée un peu plus profondément dans la paroi de béton 2 que ce qui est représenté, à cause de la réfraction des ondes produite à la séparation de l'air et du béton. L'interface air-béton produit aussi des réflexions d'ondes dans toutes les directions, vers le guide d'ondes 5 et vers l'extérieur en particulier. Les premières n'ont cependant pas d'effet dommageable car le réflecteur 11 en arrête la plus grande partie et protège donc le guide d'ondes 5 ; et les secondes sont réduites à cause de l'aspect resserré de l'ouverture 10. L' intérêt d'une enveloppe en forme de cylindre à base elliptique est qu'on peut lui donner une largeur sensiblement plus grande dans la direction transversale à son déplacement 1, afin d'étaler l'échauffement sur une plus grande largeur du béton et de scarifier celui-ci le long de bandes plus larges. La figure 3 montre que les zones focales F1 et F2 sont linéaires et prennent l'aspect de segments parallèles à l'axe du réflecteur 11 en cylindre ellipsoldal, et que la zone focale F2 représente la largeur de bande échauffée sur le béton. Le guide d'ondes rectangulaire 5 a sa section dont le grand côté est parallèle à la direction transversale pour émettre les ondes sur une plus grande largeur. Comme le réflecteur cylindrique 11 présente cependant l'inconvénient de renvoyer une partie du rayonnement, qui est pratiquement confondue avec le grand axe de l'ellipse, vers le guide d'ondes 5, ce qui peut endommager l'émetteur 3, on peut conseiller de le remplacer par le dièdre 14 de la figure 4, composé de deux facettes plates 15 se joignant par un angle 16 dirigé vers le guide d'ondes 5 et s'ouvrant vers l'ouverture 10. On supprime ainsi les portions réflectrices normales au guide d'ondes 5 et les réflexions dangereuses pour l'émetteur 3. L'lnconvénlent du dièdre 14 est cependant qu' il focalise moins bien le rayonnement vers le second foyer F2. Une autre conception peut encore être proposée, dans laquelle le guide d'ondes 5 coaxial à la tête d'application 4 est remplacé par un guide d'ondes 20 coaxial à la première zone focale et situé dans son prolongement. Le guide d'ondes 20 s'étend à l'intérieur de l'enveloppe sous l'aspect d'un tube 17 percé de fines fentes rayonnantes 18 s'allongeant selon sa longueur et réparties sur une grande partie de sa surface, sauf vers l'ouverture 10. Les ondes sortent du tube 17 dans toutes les directions provenant du premier foyer F1. Comme dans les réalisations précédentes, elles se réfléchissent contre la surface interne de la tête d'application 4 vers la seconde zone focale F2. Comme le trajet des ondes reste le même que précédemment à partir de la première zone focale F1, le fonctionnement de l'appareil reste le même. L'ellipsoïde de la tête d'application 4 peut avoir une dimension transversale plus ou moins importante : les figures précédentes ont illustré le cas de têtes d'application 4 larges, à réflecteur 11, 14 ou 17 allongé transversalement et à zones focales F1 et F2 linéaires ; des têtes d'application à symétrie de révolution peuvent aussi être choisies, les zones focales étant alors remplacées par des foyers ponctuels ; la pièce réflectrice sera une sphère ou un cône qui remplacera le cylindre 11 ou le dièdre 14, et elle sera reliée à la tête d'application 4 par des tiges de suspension ; les représentations des figures 2 et 4 restent alors valables, toutes les sections de la tête d'application ayant alors une section elliptique tronquée. Les figures 6 et 7 illustrent enfin des variantes de réalisation des figures 2 et 4, qui se distinguent en ce que le guide d'ondes , au lieu d'affleurer à la surface interne dc l'enveloppe de la tête d'application 4, comprend un prolongement 19 qui s'enfonce dans la chambre entourée par la tête d'application 4 vers la zone focale F1 ; le prolongement s'arrête à une distance avantageusement voisine du quart de la longueur d'onde des micro-ondes. I1 a été constaté que cette disposition donnait de bons résultats de focalisation grâce au guidage plus long des micro-ondes. I1 a aussi été constaté qu'il était avantageux que le réflecteur 11 ou 14 aie un encombrement à peu près égal au quart de la longueur d'onde. Ces valeurs sont cependant approximatives et résultent d'essais empirlques, de sorte que d'autres bonnes solutions, voire de meilleures solutions, doivent exister dans des cas particuliers en fonction notamment de la forme du réflecteur. REVENDICATIONS 1. Applicateur de micro-ondes comprenant un guide d'ondes (5) et une tête (4) dans laquelle aboutit le guide d'ondes, la tête ayant une ouverture (10) dirigée vers une cible (2) des micro-ondes et comprenant essentiellement une enveloppe réfléchissant les micro-ondes, caractérisé en ce que l'enveloppe est à section elliptique tronquée ayant deux zones focales, l'une des zones focales (F1), vers laquelle le guide d'ondes est dirigé, étant occupée par une pièce (11) réfléchissant les micro-ondes et l'autre des zones focales (F2) étant située hors de l'ouverture. 2. Applicateur de micro-ondes comprenant un guide d'ondes (20) et une tête (4) dans laquelle aboutit le guide d'ondes, la tête ayant une ouverture (10) dirigée vers une cible (2) des micro-ondes et comprenant essentiellement une enveloppe réfléchissant les micro-ondes, caractérisé en ce que l'enveloppe est à section elliptique tronquée à deux zones focales, l'une des zones focales (F1), à laquelle aboutit le guide d'ondes, étant occupée par une pièce (17) diffusant les micro-ondes et l'autre des zones focales (F2) étant située hors de l'ouverture (10). 3. Applicateur de micro-ondes suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce réfléchissant les micro-ondes est sphérique. 4. Applicateur de micro-ondes suivant la revendication 1, carac erisé en ce que la pièce réfléchissant 1es mlcro-ondes est cylindrique de révolution (11). Applicateur de micro-ondes suivant la revendication 1, caracterise en ce que la pièce réfléchissant les micro-ondes est un dièdre (14) à angle dirigé vers le guide d'ondes. 6. Applicateur de micro-ondes suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce réfléchissant les micro-ondes est un cône. 7. Applicateur de micro-ondes suivant l'une quelconque des revendications 1, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le guide d'ondes (5) affleure à une surface interne de l'enveloppe réfléchissant les micro-ondes. 8. Application de micro-ondes suivant l'une quelconque des revendications 1, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le guide d'ondes (5) comprend un prolongement (19) dans l'enveloppe réfléchissant les micro-ondes et qui s'arrête à une distance voisine d'un quart de longueur d'onde des micro-ondes de la zone focale (F1) occupée par la pièce réfléchissant les micro-ondes. 9. Applicateur de micro-ondes suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce diffusant les micro-ondes est une pièce entaillée par des fentes (18) et dans laquelle finit le guide d'ondes (15) 10 Application de l'applicateur de microondes suivant l'une quelconque des revendications précédentes à la scarification superficielle du béton contamine.