Brevet FR2969264A1 — publié le 20120622

INSTALLATION COMPORTANT UNE VIROLE DE FOUR TOURNANT. DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention propose une virole pour un four tournant destinée à être traversée par un produit pulvérulent et des gaz. L'invention concerne plus particulièrement une virole d'une installation de déconversion d'un gaz d'hexafluorure d'Uranium (UF6) appauvri en du sesquioxyde d'Uranium (U308). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Une installation de déconversion d'un gaz d'hexafluorure d'Uranium (UF6) appauvri en du sesquioxyde d'Uranium (U308) comporte une première structure fixe comportant un réacteur et une boîte d'entrée dans laquelle le gaz de UF6 est transformé en UO2F2 sous forme de poudre. La boîte d'entrée débouche dans une virole montée mobile en rotation autour de son axe, dans laquelle la poudre de UO2F2 est transformée en du sesquioxyde d'uranium (U308) par adjonction d'un flux de vapeur d'eau et d'hydrogène circulant à contre-courant et sous l'action d'une forte chaleur. La virole débouche dans une deuxième structure fixe appelée boîte de sortie. Lors de son utilisation, la virole est soumise à de nombreuses sollicitations, provenant des moyens de chauffage de la virole, du produit pulvérulent, de la réaction de transformation du UO2F2 2 en U3O8, de la vapeur d'eau, ou de moyens mécaniques pour empêcher que le produit ne colmate la virole. Ces nombreuses sollicitations de natures diverses s'exercent sélectivement sur certains tronçons de la virole. Ces tronçons sont par conséquent susceptibles de se détériorer de manière plus prononcée que d'autres tronçons. Lorsqu'un seul tronçon de la virole est détérioré, l'ensemble de la virole doit être remplacée et ce remplacement de la virole est relativement couteux, notamment du fait du prix élevé du matériau utilisé pour réaliser la virole et aussi parce que l'installation doit être mise hors service et immobilisée le temps du remplacement de la virole. Selon un mode de réalisation connu de la virole, celle-ci est réalisée à partir d'un unique cylindre d'environ 6 millimètres d'épaisseur et environ 800 mm de diamètre. La durée de vie d'une telle virole est d'environ 2 ans, c'est-à-dire qu'au delà de cette période de 2 années, au moins un tronçon de la virole est trop endommagé pour permettre une utilisation de la virole. L'invention a pour but de proposer une installation pour le traitement de poudre de UO2F2 en la transformant en poudre de U3O8 qui comporte une virole réalisée de manière telle que sa durée de vie est augmentée par rapport à une virole de l'état de la technique. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne une installation pour le traitement de poudre de UO2F2 en la transformant en poudre de U308 qui comporte une virole cylindrique montée à rotation par rapport à une structure fixe, dans laquelle la poudre de UO2F2 circule d'amont en aval et est transformée en poudre de U308, des moyens de chauffage d'au moins un premier tronçon de la virole à une première température, des moyens de chauffage d'au moins un deuxième tronçon de la virole à une deuxième température supérieure à la première température et des moyens d'injection d'un flux de gaz comprenant de la vapeur d'eau et de l'hydrogène dans un troisième tronçon de la virole situé en aval du premier tronçon et du deuxième tronçon, de manière telle que ledit flux de gaz circule à contre courant par rapport à l'écoulement de poudre, caractérisée en ce que ledit au moins un deuxième tronçon est réalisé à partir d'un cylindre 20 d'au moins 10 mm d'épaisseur. Ce deuxième tronçon est le tronçon qui est soumis au plus grand nombre de contraintes. Une telle augmentation de son épaisseur lui permet de résister à ces contraintes pendant une période de temps pouvant 25 atteindre environ quatre ans, augmentant ainsi la durée de vie globale de la virole. De préférence, ledit troisième tronçon est réalisé à partir d'un cylindre d'au moins 10 mm d'épaisseur. 3 4 De préférence, ledit au moins un premier tronçon de la virole est réalisé à partir d'un cylindre d'environ 6 mm d'épaisseur. De préférence, la virole comporte un tronçon d'extrémité amont et un tronçon aval dont chacun est réalisé à partir d'un cylindre d'au moins 6 mm d'épaisseur. De préférence, le troisième tronçon comporte des moyens de raccordement de la virole à des moyens de production de vibrations sur la virole. De préférence, chaque tronçon de la virole est réalisé en un alliage à haute teneur en Nickel comportant environ 68% de Nickel, 16% de molybdène et 16% de Chrome. De préférence, la virole comporte deux premiers tronçons répartis de part et d'autre dudit au moins un deuxième tronçon. De préférence, le troisième tronçon est situé en aval desdits au moins un premier tronçon et au moins un deuxième tronçon, selon le sens d'écoulement de la poudre. De préférence, deux tronçons adjacents sont assemblés entre eux par soudage et le matériau d'apport utilisé est un métal à haute teneur en Nickel qui comporte environ 67,2% de Nickel, 15,7% de molybdène, 16,2% de Chrome et 0,4% de Fer. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique en section axiale d'une installation de 5 déconversion de gaz d'hexafluorure d'Uranium (UF6) ; - la figure 2 est un détail à plus grande échelle du four tournant représenté à la figure 1, montrant la virole en place dans l'installation ; - la figure 3 est une représentation schématique de la virole de l'installation représentée à la figure 1, montrant les différents tronçons de la virole. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Pour la description de l'invention, on adoptera à titre non limitatif les orientations longitudinale et verticale selon le repère L, V indiqué à la figure 1. Dans la description qui va suivre, des éléments identiques, similaires ou analogues seront désignés par les mêmes chiffres de référence. On adoptera aussi l'orientation d'avant en arrière comme étant la direction longitudinale et de droite à gauche en se reportant à la figure 1. On a représenté à la figure 1 une installation 10 pour le traitement d'hexafluorure d'uranium (UF6) pour le transformer en du sesquioxyde d'uranium (U308). L'installation 10 comporte un réacteur de déconversion 12 dans lequel l'hexafluorure d'uranium 6 (UF6), de la vapeur d'eau (H2O) et de l'azote (N2) sont injectés par les entrées 14. Le réacteur 12 est porté à une température d'environ 300°C par une enveloppe de chauffage 16 et la pression interne est d'environ 1080 mbar. Dans le réacteur 12 du UO2F2 se forme sous la forme de poudre et tombe sous l'effet de la gravité à une extrémité inférieure 18 du réacteur 12, et un gaz (HF + H2O) est extrait en partie supérieure du réacteur 12 et est traité par un ensemble de filtres 20. L'extrémité inférieure 18 du réacteur 12 débouche dans une première structure fixe 22 de l'installation communément appelée boîte d'entrée. La boîte d'entrée 22 comporte une vis sans fin 24 qui achemine la poudre de UO2F2 provenant du réacteur 12 vers un four tournant 26. Le four tournant 26 comporte une virole 28 montée à rotation autour de son axe principal A qui est globalement incliné vers l'aval pour faciliter le cheminement vers l'avant de la poudre de UO2F2. Des releveurs (non représentés) sont agencés à l'intérieur de la virole 28 pour brasser le produit pendant la rotation de la virole 28. Le four 26 comporte aussi des moyens 30 de chauffage de la virole 28 et un dispositif 36 de production de vibrations dans la virole 28 pour empêcher que la poudre ne reste collée aux parois de la virole 28. A l'intérieur de la virole la poudre de UO2F2 provenant du réacteur 12 est transformée en poudre de sesquioxyde d'uranium (U3O8) par adjonction 7 de vapeur d'eau et d'hydrogène et sous une forte chaleur. La virole 28 débouche dans une deuxième structure fixe 32 communément appelée boîte de sortie, qui comporte un canal de sortie 34 permettant d'évacuer la poudre de sesquioxyde d'uranium (U3O8) formée. La boîte de sortie 34 comporte aussi des moyens d'injection 38 de vapeur d'eau et d'hydrogène qui circulent dans la virole 28 à contre courant par rapport au sens d'écoulement de la poudre dans la virole 28. La boîte d'entrée 22 comporte une portion tubulaire 40 coaxiale à la virole 28 qui débouche dans l'extrémité arrière 28a de la virole 28. De façon similaire, la boîte de sortie 32 comporte une portion tubulaire 42 coaxiale à la virole 28 dans laquelle l'extrémité avant 28b de la virole 28 débouche. Enfin, des moyens 44 d'étanchéité sont prévus entre chaque extrémité 28a, 28b de la virole 28 et les portions tubulaires 40, 42 de la boîte d'entrée 22 et de la boîte de sortie 32. Comme on peut le voir plus en détails à la figure 2, les moyens de chauffage 30 de la virole 28 sont réalisés de manière à chauffer une partie centrale 46 de la virole 28. Cette partie centrale 46 de la virole 28 comporte ici, d'amont en aval selon le sens d'écoulement du produit dans la virole 28, des tronçons consécutifs, qui sont destinés à être chauffés à des températures différentes. 8 Un premier tronçon amont 48 est destiné à être chauffé à une température d'environ 750°C, de sorte que la température à l'intérieur de la virole, au niveau du premier tronçon 48 soit d'environ 700°C. Un deuxième tronçon 50 est destiné à être chauffé à une température d'environ 900°C de sorte que la température à l'intérieur de la virole, au niveau du deuxième tronçon 50 soit d'environ 780°C. Un troisième tronçon 54 est destiné à être chauffé à une température d'environ 780°C, de sorte que la température à l'intérieur de la virole, au niveau du troisième tronçon 54 soit d'environ 600°C. Ainsi, le premier tronçon 48 et le troisième tronçon 54 sont destinés à être chauffés sensiblement à la même température d'environ 750°C à 780°C et le deuxième tronçon 50 est destiné à être chauffé à la température d'environ 900°C. La virole 28 est parcourue par de la poudre qui s'écoule de l'amont vers l'aval. En circulant dans la partie centrale de la virole 28, la poudre est chauffée et une réaction chimique se produit entre la poudre et le milieu ambiant qui comprend notamment de la vapeur d'eau et de l'hydrogène. La réaction chimique est appelée réaction de pyrohydrolyse. La vapeur d'eau (H2O) et l'hydrogène (H2) sont injectés à contrecourant par rapport au sens de circulation de la poudre dans la virole 28 par les moyens d'injection 38 qui traversent l'extrémité avant 28b de la virole. Les moyens d'injection 58 débouchent dans un tronçon 56 de la virole 28 qui est situé entre la partie centrale 46 de la virole 28 et l'extrémité avant 28b. Une réaction de pyrohydrolyse entre la poudre de UO2F2 et les gaz injectés a aussi lieu dans ce tronçon 56, que l'on appellera par la suite tronçon de pyrohydrolyse. La virole 28 comporte aussi, sur sa paroi externe des éléments pour sa liaison avec d'autres 10 composants de l'installation 10. Le tronçon amont 28a de la virole 28 comporte des moyens 58 de liaison de la virole 28 avec la boîte d'entrée 22 comportant notamment des supports de bandes de roulement pour le guidage de la virole 28 15 en rotation par rapport à la boîte d'entrée 22 et une couronne dentée d'entraînement de la virole 28 en rotation autour de son axe principal A. Le tronçon amont 28a comporte aussi un organe de liaison 60 de la virole 28 à une virole 20 secondaire (non représentée) qui participe à l'étanchéité de l'installation, pour empêcher toute fuite de poudre vers l'extérieur, une bride 64 de montage d'un organe d'étanchéité (non représenté) entre la virole 28 et la virole secondaire. 25 Le tronçon aval 28b de la virole 28 comporte des moyens de liaison 59 de la virole 28 avec la boîte de sortie 32 comportant principalement des supports de bande de roulement de guidage de la virole en rotation. 30 Le tronçon aval 28b comporte aussi un organe de liaison 60 de la virole 28 à une virole 10 secondaire, une bride 64 de montage d'un organe d'étanchéité et une bande de liaison 62 de la virole 28 au dispositif 36 de production de vibrations. La longueur de la virole 28 est d'environ 10 mètres et le diamètre de la virole est d'environ 800 mm. Lors du fonctionnement de l'installation 10, la virole 28 est soumise à de nombreuses contraintes. Certaines contraintes sont des contraintes thermiques, elles proviennent du fait que les tronçons 48, 50, 54 de la partie centrale 46 de la virole 28 sont chauffés par les moyens de chauffage 30 à des températures élevées différentes et d'autres tronçons de la virole 28 ne sont pas chauffés à de telles températures. Les contraintes thermiques proviennent aussi du fait que lors de phases de maintenance sur la virole 28 ou plus généralement dans l'installation 10, l'installation 10 est mise hors service et la virole 28 est refroidie pour permettre l'intervention. Ensuite, à la mise en service de l'installation 10, la virole est à nouveau chauffée. Ces phases successives de refroidissement et de chauffage de la virole 28 ont pour conséquences des dilatations différentes dans la virole 28 qui induisent des contraintes dans celle-ci. D'autres contraintes subies par la virole 28 sont mécaniques et proviennent du dispositif 36 de production de vibrations. D'autres contraintes proviennent de la pression à l'intérieur de la virole, qui est d'environ 11 1050hPa en utilisation normale et dont la valeur peut atteindre 2000hPa lors de cas exceptionnels d'utilisation. D'autres contraintes proviennent du traitement du produit, notamment parce que l'atmosphère à l'intérieur de la virole comprend des composés fluorés résultant de la réaction de pyrohydrolyse, qui sont agressifs vis-à-vis du matériau de la virole 28. D'autres contraintes subies par la paroi intérieure de la virole 28 proviennent du fait du frottement de la poudre de UO2F2 qui engendre un phénomène d'érosion ou de corrosion par frottements. Les contraintes qui viennent d'être mentionnées ci-dessus s'exercent sur la virole 28 de façon différente selon les tronçons de la virole 28. Ainsi, par exemple, le deuxième tronçon 50 subit des contraintes thermiques importantes du fait de la température élevée à laquelle il est chauffé et des contraintes physico-chimiques provenant de la réaction de pyrohydrolyse qui se produit à l'intérieur de ce tronçon. Le tronçon de pyrohydrolyse 56 est aussi soumis à des contraintes physico-chimiques du fait de la réaction de pyrohydrolyse qui se produit à l'intérieur de ce tronçon et est soumis à des contraintes mécaniques car c'est ce tronçon de pyrohydrolyse 56 qui porte la bande de liaison 62 au dispositif de production de vibrations 36. L'ensemble de la virole 28 est soumis au frottement de la poudre de manière telle que chaque 12 tronçon de la virole 28 subit le phénomène d'érosion-corrosion. Les tronçons qui sont soumis à des contraintes les plus importantes, c'est-à-dire le deuxième tronçon 50 de la partie centrale 46, ainsi que le tronçon de pyrohydrolyse 56 sont réalisés à partir de cylindres plus épais que les cylindres selon l'état de la technique. Ici, le deuxième tronçon 50 de la partie centrale 46 est réalisé à partir d'un cylindre d'au moins 10 mm d'épaisseur. Le tronçon de pyrohydrolyse 56 est aussi réalisé à partir d'un cylindre d'au moins 10 mm d'épaisseur. Les autres tronçons de la virole 28 sont réalisés à partir de cylindres d'environ 6 mm d'épaisseur. La virole 28 est ainsi réalisée en plusieurs tronçons ayant des épaisseurs différentes, les tronçons qui sont soumis à des contraintes importantes ont une épaisseur d'au moins 10 millimètres et les tronçons soumis à des contraintes de moindre importance ont une épaisseur moindre, d'environ 6 millimètres. Ces épaisseurs sont définies pour assurer une durée de vie à la virole 28 d'environ quatre années, tout en limitant le coût total de la virole 28. En effet, le fait de réaliser certains tronçons avec une épaisseur d'environ 6 millimètres permet de limiter la quantité de matière utilisée et donc de réduire leur cout global. 13 Pour limiter l'usure interne de la virole 28, qui est causée par les contraintes décrites ci-dessus, tous les tronçons de la virole 28 sont réalisés en un alliage à haute teneur en nickel. L'alliage utilisé est l'alliage désigné sous la marque HASTELLOY C-4 commercialisé par Haynes International Inc. Cet alliage comporte environ 68% de Nickel, 16% de molybdène et 16% de Chrome. Les tronçons sont assemblés les uns avec les autres par soudage de leurs extrémités adjacentes. La forme des chants d'extrémité de deux tronçons d'épaisseurs différentes constitue un paramètre important pour la durée de vie de la virole 25. Pour cela, les chants d'extrémité des cylindres sont usinés de manière à ce qu'ils comportent des chanfreins réguliers d'un angle complémentaire de 70 à 90 degrés et un écartement des bords à souder de 2 mm. La position de soudage recherchée est la verticale. Le métal d'apport utilisé lors de la phase de soudage des tronçons a lui aussi une importance. Le métal d'apport utilisé est lui aussi un métal à haute teneur en Nickel, il comporte environ 67,2% de Nickel, 15,7% de molybdène, 16,2% de Chrome, 0,4% de Fer et 0,4% d'autres métaux. Le procédé de soudage mis en oeuvre est le procédé TIG (Tungsten Inert Gas) utilisant une électrode non fusible. Les soudures sont réalisées selon un mode semi-automatique sous atmosphère neutre pour éviter 14 l'oxydation instantanée lors de la fusion du métal soudé et préserver l'électrode. Le gaz inerte est de l'Argon d'une pureté de 99,95 %. La forme du cordon de soudure, la profondeur de pénétration, la vitesse de soudage constituent les paramètres importants pour avoir un bon assemblage de deux tronçons. Le nombre de passes est déterminé par la largeur maximale de passe, limitée à 2,5 fois le diamètre du fil de matériau d'apport. La température entre deux passes ne doit pas excéder 150°C. Le fil d'apport est préalablement étuvé à 250°C pour déshydrater la gaine de protection.15 REVENDICATIONS1. Installation (10) pour le traitement de poudre de UO2F2 en la transformant en poudre de U308 5 qui comporte une virole cylindrique (28) montée à rotation par rapport à une structure fixe (22, 24), dans laquelle la poudre de UO2F2 circule d'amont en aval et est transformée en poudre de U308, 10 des moyens (30) de chauffage d'au moins un premier tronçon (48, 54) de la virole (28) à une première température, des moyens (30) de chauffage d'au moins un deuxième tronçon (50) de la virole (28) à une deuxième 15 température supérieure à la première température des moyens d'injection (38) d'un flux de gaz comprenant de la vapeur d'eau et de l'hydrogène dans un troisième tronçon (56) de la virole (28) situé en aval du premier tronçon (48, 54) et du deuxième 20 tronçon (50), de manière telle que ledit flux de gaz circule à contre courant par rapport à l'écoulement de poudre, caractérisée en ce que ledit au moins un deuxième tronçon (50) est réalisé à partir d'un 25 cylindre d'au moins 10 mm d'épaisseur. 2. Installation (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ledit troisième tronçon (56) est réalisé à partir d'un cylindre d'au 30 moins 10 mm d'épaisseur. 16 3. Installation (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit au moins un premier tronçon (48, 54) de la virole (28) est réalisé à partir d'un cylindre d'environ 6 mm d'épaisseur. 4. Installation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la virole (28) comporte un tronçon d'extrémité amont (28a) et un tronçon aval (28b) dont chacun est réalisé à partir d'un cylindre d'au moins 6 mm d'épaisseur. 5. Installation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le troisième tronçon (56) comporte des moyens de raccordement (62) de la virole (28) à des moyens de production de vibrations (36) sur la virole (28). 6. Installation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque tronçon (48, 50, 54, 56) de la virole (28) est réalisé en un alliage à haute teneur en Nickel comportant environ 68% de Nickel, 16% de molybdène et 16% de Chrome. 7. Installation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la virole (28) comporte deux premiers tronçons (48, 54) répartis de part et d'autre dudit au moins un deuxième tronçon (5 0) .30 17 8. Installation (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le troisième tronçon (56) est situé en aval desdits au moins un premier tronçon (48, 54) et desdits au moins un deuxième tronçon (50), selon le sens d'écoulement de la poudre. 9. Installation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que deux tronçons (48, 50, 52, 54) adjacents sont assemblés entre eux par soudage et le matériau d'apport utilisé est un métal à haute teneur en Nickel qui comporte environ 67,2% de Nickel, 15,7% de molybdène, 16,2% de Chrome et 0,4% de Fer.15