Brevet FR2798772A1 — publié le 20010323

La présente invention concerne un procédé de dé contamination du tritium du premier mur d'une installation dans laquelle on effectue des fusions thermonucléaires. Les structures sollicitées mécaniquement du pre mier mur d'une installation de fusion nucléaire sont refroi dies et sont protégées contre les contraintes thermiques importantes par des carreaux en graphique ou en CFC (Compo site fibres de carbone) . Les carreaux sont conçus pour le chauffage bref de la surface à des températures supérieures ou égales à 1200 C. Aux endroits de forte densité de flux de particules, on peut avoir des températures allant jusqu'à 1600 C pendant le fonctionnement. A ces endroits, le carbone est enlevé ; la contamination du tritium est pour cette rai son par conséquent faible au niveau de ces surfaces. Le dépôt de tritium et de composés de tritium, en particulier le com posé de carbone et de tritium, se produit au contraire dans des zones de plus faible densité de puissance et ainsi à plus faible température. I1 s'agit principalement du premier mur. Ces effets ont pour conséquence qu'avec chaque décharge de plasma, l'inventaire du tritium immobilisé dans le tore de l'installation de fusion thermonucléaire augmente de manière gênante. I1 est connu que l'inventaire de tritium dé pose principalement dans les zones de la surface extérieure du premier mur. Cela découle des essais mais également de l'effet Knudsen selon lequel les atomes ou molécules d'hydrogène diffusent en direction de la température crois sante selon la racine du rapport entre la température elevée et la température basse. C'est pourquoi il suffit pour une décontamination effective du tritium, de décontaminer la cou che la plus à l'extérieur du premier mur. L'invention a pour but de développer un procédé de décontamination du tritium du premier mur d'une installa tion de fusion thermonucléaire. A cet effet l'invention concerne une invention du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que la surface libre du premier mur est chauffée sous une atmosphère de pro- tecteur une température à laquelle le tritium se libère, ce chauffage étant effectué à l'aide d'un brûleur à plasma. Le terme tritium de symbole T désigne l'isotope le plus lourd de l'hydrogène de masse 3. La décontamination du tritium signifie selon l'invention que l'on élimine le tritium la fois dans sa forme élémentaire et dans ses com binaisons, comme par exemple dans de l'eau ou les hydrocarbu res du premier mur. L'expression installation pour effectuer des fusions thermonucléaires désigne notamment les installa tions d'essai mais également les réacteurs de fusion thermo nucléaire. Le procédé selon l'invention peut être executé sur place dans le tore ou à l'extérieur pour le traitement des carreaux une fois démontés. Selon l'invention, pour la décontamination du tritium, on chauffe le premier mur sous une atmosphère gaz inerte à haute température pour libérer le tritium et ses combinaisons. La température de la surface des carreaux doit au moins être égale à 800 C. Les températures supérieures à 2400 C sont en général inutiles. Un temps de chauffage de quelques secondes, par exemple de 1 à 10 secondes, est ainsi amplement suffisant. Dans la variante exécutée sur place, la température du côté arrière des carreaux ne doit pas dépasser 240 C pour ne pas endommager les matériaux nobles de la structure se trouvant derrière les carreaux. Comme gaz inerte, on utilise notamment de l'argon. Pour former les tem pératures élevées, on applique un brûleur à plasma comme ceux utilisés par exemple pour souder des métaux. Dans ces condi tions, on atteint une décontamination élevée avec des coeffi cients décontamination allant jusqu'à 150 (radioactivité initiale/radioactivité finale). Dans un brûleur à plasma, l'électrode est balayée par un flux d'argon pour permettre de souder en éliminant l'oxygène et protéger l'électrode elle-même contre les tempé ratures elevées. Pour chauffer la surface des carreaux, selon l'invention, il faut mettre les carreaux à la masse, d'une manière connue en soi et tenir le brûleur à proximité de leur surface. On choisit de préférence une distance de quelques millimètres par rapport aux carreaux, par exemple 1 à 5 mil limètres. On enlève ainsi une couche de quelques microns la surface des carreaux, et cette couche contient pratique ment tout l'inventaire de tritium, accumulé ce qui permet de continuer d'utiliser les carreaux. présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation et d'une figure. unique figure montre une prise d'échantillons sur un carreau selon l'exemple 2. Exemple 1 Elimination tritium d'une petite plaque de graphite Pour effectuer des essais, on a choisi d'utiliser un carreau de CFC (149 x 86,1 x 20 mm) en forme de losange, utilisés dans la machine de fusion JET de Culham pour proté ger le premier mur ; la surface de ce carreau avec des dépôts de tritium a été exposée au plasma. On a pris plusieurs échantillons minces de graphite de la face avant de ce car reau qui contenait du tritium comme cela a pu être vérifié. On a divisé l'un de ces échantillons (9 x 36,3 x 1 mm) en deux moitiés sensiblement égales. Une moitié (poids 716,6 mg) a été brûlée complètement dans un appareil à circu lation avec de l'air humide d'environ 850 C. Le tritium libé ré principalement en eau mais en partie également comme hydrogène moleculaire et comme hydrocarbure, a été oxydé voie catalytique sur un catalyseur Cu/CuO, à la même tempéra ture, de façon complète pour donner de l'eau (H20 et HTO) ; le produit a eté recueilli dans deux flacons contenant chacun 50 ml d'eau, placés l'un derrière l'autre. La quantité tritium retenue dans les deux flacons a été définie de mère classique selon le procédé de scintillation de liquide. Par rapport ' la quantité de graphite de départ, la concen tration de tritium dans l'échantillon de graphite était de 13935 Bq/g. La concentration moyenne en surface de tritium sur le carreau a été obtenue en outre avec un petit compteur proportionnel sans fenêtre (diode pin) et a donné 422 54 Bq/cm2. La surface de la seconde moitié de l'échantillon de graphite, exposée au plasma (poids 652,2 mg) a été chauf fée pendant une durée de 5 secondes avec un brûleur plas- ma/argon (120 Amp, 9 1/min argon) à des températures très élevées. Ce court traitement conduit à une faible perte de poids de seulement 5 mg correspondant à 0,8%. A la surface de l'échantillon CFC, on a constaté une très mince couche grise- blanche constituée probablement d'oxydes de métaux. La teneur en tritium obtenue après combustion complète de l'échantillon n'était plus que de 71 Bq/g. Cela permet d'évaluer un coeffi cient de décontamination DF d'environ 100. La concentration résiduelle de surface, mesurée selon le procédé avec la diode pin, en tritium étant d'environ 2 Bq/cm2 (DF=200). Exemple 2 Décontamination du tritium d'un carreau de graphite Au cours d'autres essais, on a montré qu'un brû leur plasma permettait d'éliminer efficacement le tritium contenu dans un carreau. Pour les essais on a utilisé un car reau en graphite en forme de losange ; ce carreau a été uti lisé pendant les premières campagnes deutérium/tritium (DTE1) dans le tore de la machine de thermofusion JET. Avant les es sais de décontamination du tritium, on a mesuré la réparti tion en surface de la concentration de tritium sur le carreau en utilisant un compteur proportionnel sans fenêtre. Bien qu'un tel compteur ne puisse détecter le tritium que dans des couches d'une épaisseur de l'ordre de 1 micron, ces essais ont montré que le tritium de la face de carreau exposé au plasma n'était pas réparti de manière homogène. Les positions approximatives prises des échantillons sont données dans la figure. Les échantillons extraits sont indiqués en chiffres gras. Au cours d'une étape suivante, on a prélevé par forage quelques échantillons cylindriques dans le carreau (échantillons 1 à 4 selon la figure) et on a scié dans la face des échantillons cylindriques, exposés au plasma, des rondelles d'une épaisseur de l'ordre de 1 mm. Ces rondelles ont été examinées selon le procédé de combustion décrit à l'exemple 1 pour en déterminer leur teneur en tritium. Puis on a chauffé les zones des carreaux pendant un temps très court avec un brûleur à argon à des températures très éle vées ; on a veillé à ce que les zones chauffées présentent un diamètre supérieur au diamètre des échantillons cylindriques. Puis on a prélevé d'autres échantillons cylindriques du mi lieu des zones chauffées (échantillons 5, 8, 9, 10, 11, 12) pour vérifier dans quelle mesure le traitement thermique se répercute sur des zones plus éloignées du carreau ; on a en outre prélevé un échantillon d'une zone située proximité des deux zones du carreau qui ont été chauffées à des tempé ratures élevées avec le brûleur à plasma (échantillon 6). Les informations concernant les échantillons et les résultats des mesures de tritium sont regroupées dans les tableaux I et II. Les résultats montrent qu'avec la puissance du brûleur à plasma, le taux de libération de tritium augmentait considérablement. La montée en température constatée dans le carreau lorsqu'une zone du carreau était traitée avec le brû leur à plasma n'est pas suffisante pour produire libéra tion du tritium des zones voisines. Le traitement répété avec le brûleur à plasma à forte puissance s'est révélé comme par ticulièrement efficace (155 Amp) pour des périodes courtes de seulement secondes. Les coefficients de décontamination donnés dans le tableau II concernent une concentration en tritium mesurée à la surface des carreaux. Comme la concen tration en tritium en surface subit des variations considéra bles, ces valeurs ne doivent être considérées que comme des évaluations grossières. Les données recueillies par les essais montrent qu'un brûleur à plasma fonctionnant avec une intensité de 140 à 165 Amp et un débit d'argon de 5 à 15 1/min et de préfé rence de 9 10 1/min permettait de libérer une fraction éle vée du tritium combiné à la surface d'un carreau. Pour la décontamination du tritium de tout un carreau dans une ins tallation de fusion ou à l'extérieur de celle-ci, on propose d'utiliser une large batterie de brûleurs à plasma. Les dif férents carreaux peuvent également être conduits dans un dis positif formé de plusieurs petits brûleurs à plasma, dans lequel on maintient la distance constante. Tableau I Essais effectués sur des échantillons de graphite (voir la figure) . N de Poids Traitement l'échantillon (g) 1 - Aucun ; échantillon prélevé avant le traitement avec un brûleur à ar gon. 2 - Aucun ; échantillon prélevé avant le traitement avec un brûleur à ar gon. 3 2,6572 Aucun ; échantillon prélevé avant le traitement avec un brûleur à ar gon. 4 - Aucun ; échantillon prélevé avant le traitement avec un brûleur à ar gon. 6 2,5638 Aucun, toutefois l'échantillon a été prélevé après le traitement de zones voisines avec le brûleur à argon. 5 2,5283 Traitement avec le brûleur à argon à 140 Amp pendant une durée d'environ 10 secondes. 8 2,5251 Traitement avec le brûleur à argon à 140 Amp pendant une durée d'environ 10 secondes. 9 2,5508 Traitement avec le brûleur à argon à 140 Amp pendant une durée d'environ 10 secondes. 10 2,6509 Traitement avec le brûleur à argon à 140 Amp pendant une durée d'environ 10 secondes. 11 2,6169 Traitement avec le brûleur à argon à 165 Amp pendant une durée d'environ 10 secondes. 12 2,7973 Traitement avec le brûleur à argon à 155 Amp pendant une durée d'environ 2 fois une durée d' environ 5 secondes. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Procédé de décontamination de tritium premier mur une installation dans laquelle on effectue des fusions thermonucléaires, caractérisé en ce que surface libre du premier mur est chauffée sous une atmo sphère de gaz protecteur à une température à laquelle le tri tium se libère, ce chauffage étant effectué l'aide d'un brûleur à plasma. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' maintient une température de 800 C à 2400 C. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu' on applique le chauffage pendant une durée de 1 ' 10 secon des.