Brevet FR2964493A1 — publié le 20120309

Procédé de traitement d'une solution radioactive. La présente invention concerne un procédé de traitement d'une solution contenant des composés insolubles et/ou ionisés dans une phase liquide, ladite solution présentant une activité radiologique. Un déchet radioactif ou nucléaire est une matière radioactive dont aucun usage n'est prévu et dont la dispersion dans l'environnement n'est pas autorisée. Les déchets radioactifs couvrent une grande diversité de substances qui se distinguent notamment par leur activité et leur période radioactive, mais également par leur état (solide, liquide, gazeux) et leur composition chimique. L'élimination des déchets, en particulier les déchets d'origine nucléaire, est un problème environnemental majeur. Les déchets nucléaires (liquides ou solides) peuvent être contaminés en surface et / ou en masse. Les déchets de l'industrie nucléaire sont spécifiques. D'une part leur activité diminue avec le temps, et d'autre part leur diversité nécessite des méthodes de conditionnement adaptées aux volumes et à leurs activités. Le retraitement du combustible usé est un procédé chimique visant à la séparation des éléments potentiellement réutilisables des produits de fission contenus dans le combustible nucléaire irradié (l'uranium-U, le plutonium-Pu, et les actinides mineurs). Lors du traitement du combustible usé, la gaine des crayons combustibles est cisaillée puis traitée comme déchet radioactif de moyenne activité à vie longue tandis que les produits de fission et certains actinides forment les déchets de haute activité. Le procédé chimique PUREX, en anglais « Plutonium and Uranium Refining by Extraction » permet de séparer le Plutonium et l'Uranium indépendamment l'un de l'autre des actinides mineurs et des produits de fission par une méthode d'extraction liquide. Le procédé PUREX peut comprendre les étapes suivantes . élimination des gaines par cisaillage et dissolution, - dissolution du combustible irradié dans de l'acide nitrique, - récupération des solides insolubles, - extraction de l'Uranium et du Plutonium par un solvant organique par exemple du tributyl-phosphate (TEP) dans du dodécane (TPH), - récupération des produits de fission dans la phase 15 d'acide nitrique, - extraction du plutonium de la solution uranium/plutonium par réduction du Plutonium, et - épuration, concentration et transformation chimique de l'Uranium et du Plutonium. 20 A l'issue de ces étapes, les actinides mineurs et les produits de fission sont calcinés puis vitrifiés au sein d'une matrice inerte qui assure la stabilité physico-chimique du colis de déchets. La dissolution du combustible usé dans de l'acide 25 nitrique 3 à 5 N à chaud, à une température comprise entre environ 80°C et environ 90°C permet de solubiliser la majorité de l'Uranium et du Plutonium. Cependant, une partie de l'Uranium et du Plutonium reste dans la solution sous forme de fines de dissolution. Le terme « fines de 30 dissolution » désigne les solides de faible granulométrie restant en solution après la dissolution du combustible. Ces solides sont d'origine diverses : inclusions métalliques, fragments des gaines ou de la structure, des oxydes mixtes insolubles, des impuretés, des produits de fission insolubles. La masse des fines de dissolution est fonction de l'origine du combustible et de son taux d'irradiation. Elle varie entre 3 et 15 kg par tonne de combustible irradié. Les insolubles ou les fines de dissolution sont un mélange aqueux contenant de l'acide nitrique (3 à 5 N), des métaux dissous (U, Pu, Np, Am, Kr, Xe, cs, Rb, Sr, Ba, Ce, Te, Pd, Ag, cd, Sn, Zr,...) et des fines de ces éléments essentiellement sous formes d'oxydes. Compte-tenu de l'activité radiologique des insolubles, il est nécessaire de trouver une solution permettant de traiter ces effluents. L'objectif de traitement des effluents, en particulier celui des insolubles, consiste à séparer l'activité de la phase liquide. Cette séparation doit conduire à garantir la stabilité du déchet généré dans le temps. La phase liquide épurée peut alors être traitée par les filières existantes, dans l'industrie nucléaire, de type évaporation, incinération, ... Une technique connue de séparation liquide/solide consiste en une filtration. Plusieurs tentatives de filtration ont été réalisées par le passé dans le but de séparer les fines et les métaux solubles du liquide constituant la phase continue. Ces essais de séparation classiques n'ont pas été concluants compte-tenu de la grande solubilité des métaux dans ce milieu et de la taille submicronique des particules, par exemple de dimension inférieure à 1 micromètre. Ces fines constituent une suspension colloïdale déstabilisée, qui, laissée au repos, est le siège d'un processus de floculation - sédimentation assez lent. Ces agglomérats formés sont très lâches et fragiles. La reprise du mélange, par exemple par une pompe, conduit à la remise en suspension et la destruction des agrégats. Cette remise en suspension dépend du cisaillement qu'ils subissent. En plus de ce problème, la mise en oeuvre de toute solution se retrouve contrariée par les contraintes radiologiques, due à la forte concentration en radioéléments (U, Pu, ...) . En outre, les médias filtrants d'origine organiques ne permettent pas de garantir la stabilité du déchet à long terme. En effet, leur tenue au rayonnement est relativement faible comparé aux matériaux métalliques, sachant que les matériaux filtrants métalliques ne peuvent pas atteindre des seuils de coupure submicroniques, soit de dimension inférieure à 1 micromètre. Les médias filtrants (métalliques ou organiques) constituant le déchet issu de la filtration doivent répondre à des critères strictes afin de garantir leur stabilité dans le temps. Les caractéristiques des déchets issus du traitement des insolubles doivent être compatibles avec celles définies dans le domaine de fonctionnement de l'entreposage des déchets hors normes. En général, les trois critères suivants doivent être respectés : - le débit d'équivalent de dose (DED) ne doit pas dépasser au contact du colis final, 2 mSv/h. - le débit d'hydrogène de radiolyse doit être inférieur au débit maximum admissible. Ce débit correspond à une concentration en hydrogène au sein de ces colis inférieure à 3%. - la masse maximale admissible de Plutonium total doit être inférieure ou égale à 274g par colis. Compte-tenu de la forte concentration en métaux dissous, un but de la présente invention est de proposer un procédé de traitement des insolubles sans réaliser d'opération de filtration. En effet, même après filtration, l'activité radiologique de la phase liquide reste importante, cette activité étant due aux radioéléments solubles. En outre, lors des opérations de filtration, le matériel de filtration utilisé peuvent être contaminés. Ainsi, les opérations de filtration génèrent de nouveaux déchets à retraiter. L'invention propose ainsi un procédé de traitement d'une solution contenant des composés insolubles et/ou ionisés dans une phase liquide, ladite solution présentant une activité radiologique, ledit procédé comprenant : ^ une étape de transfert au cours de laquelle la solution est transférée d'une cuve de stockage vers une cellule de traitement, ^ une étape de séparation au cours de laquelle la phase liquide est évaporée dans la cellule de traitement, caractérisé en ce que ledit procédé comprend en outre une étape de contrôle au cours de laquelle l'activité radiologique des particules solides dans la cellule de traitement est mesurée, lesdites particules solides correspondantes aux composés insolubles et/ou ionisés contenu initialement dans la solution, et une solution en phase liquide est ajoutée dans la cellule de traitement pour mettre en suspension les particules solides lorsque l'activité radiologique mesurée dépasse un seuil prédéterminé. Avantageusement, le procédé de traitement selon l'invention permet de générer un déchet solide regroupant l'essentiel des radioéléments dans l'opération de filtrage en réduisant le nombre d'éléments contaminés durant le procédé. En outre, le procédé selon l'invention peut être réalisé à température ambiante. Un procédé de traitement selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons possibles : - le procédé selon l'invention comprend en outre une étape de condensation au cours de laquelle la phase liquide évaporée est condensée, - la solution en phase liquide ajoutée dans la cellule de traitement lorsque l'activité radiologique mesurée dépasse un seuil prédéterminé est de l'eau ou un mélange aqueux comprenant sensiblement les mêmes solvants que la phase liquide de la solution à traiter ou que la phase liquide condensée obtenue après évaporation, - au cours de l'étape de séparation, un barbotage est réalisé dans la cellule de traitement, - lors de l'étape de transfert, la solution est déplacée à une vitesse supérieure ou égale à 3m/s, - au cours de l'étape de séparation, la phase liquide est évaporée au moyen d'une pompe à vide ayant un débit horaire supérieur ou égal à 1000 fois le volume de la cellule de traitement et inférieur ou égal à 10 000 fois le volume de la cellule de traitement, - au cours de l'étape de transfert, le volume de solution transférée dans la cellule de traitement est inférieur ou égal à un quart du volume de la cellule de traitement, - comprenant en outre une étape de stockage au cours de laquelle les particules solides contenu dans la cellule de traitement après l'étape de séparation sont stables. Selon un mode de réalisation, les déchets générés au cours d'un procédé selon l'invention sont adaptés à la matrice d'enrobage et aux colis de déchets agrées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple. La figure 1 est une représentation schématique d'un 5 dispositif permettant de mettre en oeuvre un procédé de traitement selon l'invention. Selon un mode de réalisation de l'invention, la solution à traiter 3 contenue dans la cuve de stockage 1 est homogénéisée à l'aide d'un agitateur mécanique 2 ou 10 tout autre moyen d'agitation garantissant la remise en suspension de dépôt éventuel. Un volume déterminé de la solution est déplacé de la cuve de stockage 1 vers la cellule de traitement 11 par l'intermédiaire d'une pompe réversible 6. La pompe 15 réversible peut être une pompe péristaltique. La pompe réversible 6 est dimensionnée notamment en fonction de la capacité de la cellule de traitement 11. La pompe 6 peut être réversible et permet de ramener la solution vers la cuve 3 si l'activité transférée est 20 supérieure à un seuil prédéterminé. La vitesse de déplacement de la solution doit être suffisante pour éviter tout risque de dépôt, par exemple elle est supérieure ou égale à 3 m/s. Sur le circuit de transfert, un débitmètre 7 et un 25 détecteur spécifique 8 peuvent être ajoutés de façon à permettre de contrôler la qualité et la quantité des particules solides transférées. La vanne 9 permet d'isoler le circuit en fin de transfert. Afin d'éviter que le volume transféré soit supérieur 30 au volume souhaité, la pompe peut être asservie par une consigne du compteur. Cet asservissement permet d'arrêter la pompe dès que le volume spécifié est atteint. Une autre variante de l'invention consiste à transférer un volume donné dans une capacité et relier cette capacité à la pompe 6. Dans ce cas, le volume transféré vers la cellule de traitement sera limité à celui contenu dans la capacité. Une autre variante de l'invention permet de réaliser le transfert de la solution vers la cellule de traitement par la mise en oeuvre d'une pompe à vide 18. Dans ce cas, l'ouverture des vannes 9 et 5 permet le déplacement de la solution vers la cellule de traitement. Un moyen de contrôle du débit de dose peut être positionné sur le circuit de transfert 4 entre la cuve de stockage et la cellule de traitement. Il permet de contrôler l'activité de la solution déplacée vers la cellule. Dans le cas où, après séchage, le débit de dose de la cellule de traitement est supérieur au seuil fixé, le transfert vers la cuve de stockage ou une autre capacité peut se faire après dilution via les circuits 23 et 10 et la pompe 6. La solution rajoutée peut être soit de l'eau, soit un mélange équivalent à la phase continue de la solution, soit la phase condensée provenant de la solution. L'utilisation de la phase condensée permet de garantir la solubilité des particules solides dans la cellule de traitement. Selon un mode de réalisation de l'invention, la cellule de traitement 11 est munie d'un couvercle étanche et est constituée d'une cuve cylindrique pouvant supporter une pression réduite, par exemple - 0,7 bar. En outre, la cellule de traitement 11 est dimensionnée de sorte à ne pas permettre d'atteindre la masse critique en particule solide. L'homme du métier choisit une cellule de traitement de dimension adaptée aux particules solides contenues dans la solution à retraiter. Le couvercle de la cellule de traitement peut être pourvu de plusieurs ouvertures permettant l'introduction et l'aspiration de la solution, l'introduction du gaz et l'aspiration du gaz chargé en vapeur. Les connexions entre les ouvertures sont des connexions étanches, auto-obturantes et facilement manoeuvrées à distance. La cellule de traitement est fabriquée à partir des matériaux compatibles avec la filière des déchets adoptée. La cellule peut être munie d'un système de tamis 32, en matériaux adaptés, permettant de réaliser un bullage dans la solution. Avantageusement, le bullage permet d'augmenter la surface d'échange entre le gaz et la solution. L'augmentation de la surface d'échange permet d'augmenter le taux de transfert. Les vannes 5, 24 et 9 permettent d'isoler la cellule du traitement de la cuve de stockage 1. Elles peuvent être 20 à commande manuelle ou asservies. Selon un mode de réalisation, le circuit en amont de la pompe à vide peut être constitué : - d'une tuyauterie de dimension adaptée munie d'une grille filtrante 22, 25 - d'une vanne d'isolement 16, et - d'un manomètre de mesure de pression absolue 17. La pompe à vide est dimensionnée en fonction du volume de la cellule. Le débit horaire peut être compris entre 1 000 et 10 000 fois le volume de la cellule de 30 traitement, typiquement 3 000. Le gaz chargé en vapeur peut être aspiré de la cellule de traitement au moyen de la pompe à vide 18, dont la pression peut être contrôlée par un manomètre 12, dans un condenseur 19 refroidi permettant ainsi de condenser les vapeurs contenues dans le gaz. Avantageusement, la condensation des vapeurs contenues dans le gaz permet de s'assurer de la 5 récupération totale de la phase liquide. La tuyauterie de refoulement de la pompe à vide peut être immergée dans un bain refroidi par un groupe de froid. La température du bain dépend de la nature de la phase liquide à condenser. Pour condenser la vapeur d'eau 10 une température inférieure au point de rosée à la pression réglée par le pointeau de la sortie 31 soit environ 5°C pour une pression de 1 bar. A la sortie du condenseur 19, un « piège » 20 permet de récupérer le condensat. Un système de purge 28 isolé 15 par deux vannes 27 et 29 permet de récupérer le condensat sans arrêter le système. Le gaz ayant traversé le piège peut encore être chargé en vapeur. Cet excédent est absorbé sur un filtre de type charbon actif ou tout autre type de filtre ayant 20 la capacité d'absorber l'humidité. A la sortie du filtre 21, une vanne à pointeau peut permettre de ralentir la vitesse du gaz, permettant d'augmenter le point de rosée dans la partie située en aval de la pompe à vide dont le serpentin de condensation 25 ainsi que le piège à liquide. Le gaz épuré et séché peut être repris dans une tuyauterie 25 et évacué via l'orifice 34 ou être réintroduit dans la cellule de traitement 11. Cette tuyauterie, en matériaux compatibles, est munie d'un 30 orifice 26 permettant de faire entrer de l'air externe pour équilibrer les pressions. L'utilisation du gaz épuré et séché présente un avantage important lié à l'absence d'eau condensable supplémentaire issue de l'humidité de l'air ambiant. Un système de mesure du poids, par exemple balance suspendue 30, permet de suivre l'évolution du poids de la cellule de traitement afin de déterminer la fin du traitement. Un autre moyen de mesure complémentaire consiste à mesurer le volume de la phase condensée recueillie à travers le purgeur sous vide 28 afin de déterminer la fin du séchage. D'autres moyens complémentaires de mesure permettent de s'assurer de la fin du traitement. Par exemple, la mesure du taux d'humidité relative entre le gaz entrant et extrait de la cellule à l'aide de sondes hygrométriques compatibles avec les gaz extraits, notamment du fait de présence de gaz acides en partie aval de la cellule de traitement. Le système de déconnexion à distance, couplé à des orifices auto-obturant équipant ces connexions, permet d'introduire et de placer la cellule directement dans des colis spécifiques. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisations décrits et doit être interprétée de façon non limitative, et englobant tout mode de réalisation équivalent. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'une solution contenant des composés insolubles et/ou ionisés dans une phase liquide, ladite solution présentant une activité radiologique, ledit procédé comprenant : ^ une étape de transfert au cours de laquelle la 10 solution (3) est transférée d'une cuve de stockage (1) vers une cellule de traitement (11), ^ une étape de séparation au cours de laquelle la phase liquide est évaporée dans la cellule de traitement (11) , 15 caractérisé en ce que ledit procédé comprend en outre une étape de contrôle au cours de laquelle l'activité radiologique des particules solides dans la cellule de traitement (11) est mesurée, lesdites particules solides correspondantes aux composés insolubles et/ou ionisés 20 contenu initialement dans la solution, et une solution en phase liquide est ajoutée dans la cellule de traitement (11) pour mettre en suspension les particules solides lorsque l'activité radiologique mesurée dépasse un seuil prédéterminé. 25 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une étape de condensation au cours de laquelle la phase liquide évaporée est condensée. 30 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la solution en phase liquide ajoutée dans la cellule de traitement lorsque l'activité radiologique mesurée dépasse un seuil prédéterminé est de l'eau ou un mélange aqueux comprenant sensiblement les mêmes solvants que laphase liquide de la solution à traiter ou que la phase liquide condensée obtenue après évaporation. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans 5 lequel, au cours de l'étape de séparation, un barbotage est réalisé dans la cellule de traitement (11). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de l'étape de transfert, la 10 solution est déplacée à une vitesse supérieure ou égale à 3m/s. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, au cours de l'étape de 15 séparation, la phase liquide est évaporée au moyen d'une pompe à vide ayant un débit horaire supérieur ou égal à 1000 fois le volume de la cellule de traitement et inférieur ou égal à 10 000 fois le volume de la cellule de traitement. 20 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, au cours de l'étape de transfert, le volume de solution transférée dans la cellule de traitement est inférieur ou égal à un quart du volume de la 25 cellule de traitement. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape de stockage au cours de laquelle les particules solides contenu dans la 30 cellule de traitement après l'étape de séparation sont stables.