Brevet FR3042637A1 — publié le 20170421

DISPOSITIF DE MALAXAGE CONCU NOTAMMENT POUR CONDITIONNER DES DECHETS NUCLEAIRES DANS DU CIMENT, ET PROCEDE DESCRIPTION Le sujet de l'invention est un dispositif de malaxage conçu notamment pour conditionner les déchets nucléaires dans des matrices inertes à base de ciment ou d'autres types de liants hydrauliques comme les géopolymères, ainsi qu'un procédé correspondant, accompli avec ce dispositif. Les déchets nucléaires sont incorporés à de telles matrices avant d'être entreposés pour de longues durées. Le malaxage consiste à mêler les déchets au ciment, à de l'eau et éventuellement à du sable ou à d'autres additifs pour donner un contenu homogène. La technique est maîtrisée en soi, mais quelques inconvénients sont sensibles dans les procédés connus. Il arrive tout d'abord que le mélange soit trop compact pour un malaxage correct. Un vortex peut ensuite apparaître pendant le processus, c'est-à-dire que la surface libre du mélange est en dépression au milieu par rapport au bord, ce qui diminue le taux de remplissage du fût dans lequel le malaxage est produit et limite la vitesse de malaxage. Enfin, une quantité relativement importante du mélange continue d'adhérer à la pale de malaxage une fois que celui-ci est achevé et que la pale est retirée du mélange, ce qui réduit de nouveau le remplissage du fût et impose un nettoyage de la pale avant l'utilisation suivante. L'art antérieur est illustré par les documents EP 2 624257 A, FR 2 585 503 A et FR 2 984 877 A. L'invention constitue une amélioration des dispositifs connus. Elle s'applique au conditionnement de déchets notamment nucléaires pouvant être composés de graphites, zéolites, résines échangeuses d'ions, diatomées, uranium, etc., dont la composition peut comprendre tout ou partie de ces ingrédients. La taille de grain de déchet peut être comprise entre 0 et 10 mm. Le malaxage se fait en général dans le fût ultime d'entreposage. La pale est animée d'un mouvement circulaire, ou éventuellement plus complexe, planétaire par exemple, sans que ce soit nécessaire. 3042637 2 Sous une forme générale, l'invention concerne un dispositif de malaxage, conçu notamment pour conditionner des déchets nucléaires dans des matrices inertes en ciment, comprenant un fût et une pale mobile effectuant le malaxage, caractérisé en ce que la pale comprend des doigts parallèles à l'axe de rotation de la pale, 5 et de barres supérieures de liaison des doigts à l'axe de rotation. Le profil de cette pale limite le couple nécessaire au malaxage et l'effet de vortex, et il minimise la rétention de matière sur la pale et ainsi réduit la création de déchets secondaires liés au rinçage postérieur de la pale et. Les doigts peuvent avoir ou non des écartements variables. Il est 10 avantageux qu'ils soient toutefois répartis en deux jeux de part et d'autre de l'axe de rotation, les doigts extrêmes étant à une même distance de l'axe de rotation. Il est encore avantageux que les doigts aient une section polygonale avec une arête située en avant dans le sens de rotation des doigts, afin de favoriser le mélange des matières. 15 L'homogénéité du mélange est aussi améliorée si le dispositif comprend un tube d'introduction dans le fût ayant un diamètre compris entre environ le tiers et les deux tiers du diamètre de celui-ci. Des barres tournant dans le tube peuvent aussi accroître ces avantages en favorisant la dispersion uniforme de la matière sur la section entière du conduit. 20 Le procédé proposé ici est caractérisé en ce qu'il consiste à verser dans le fût d'abord les déchets et l'eau, puis du ciment et du sable (ces deux derniers ensemble ou successivement). L'eau étant versée à un moment précoce, l'incorporation du ciment, qui dispose de toute l'eau nécessaire à son hydratation, est facile. Pour obtenir un mélange d'une rhéologie définie, une mesure du couple 25 nécessaire au malaxage peut asservir l'introduction d'un adjuvant fluidifiant dans le flux dès que la valeur de ce couple dépasse un seuil. Ces différents aspects de l'invention, avantages et caractéristiques, ainsi que d'autres, seront maintenant décrits en liaison aux figures suivantes, qui illustrent une réalisation de l'invention à titre purement illustratif : - la figure 1 est un schéma du dispositif ; 3042637 3 - et les figure 2 et 3 représentent la pale de malaxage de côté et en vue de dessus. Le malaxage des déchets se fait dans un fût 1, dans lequel pénètre un outil de malaxage, appelé pale 2, entraîné en rotation par l'arbre tournant d'un moteur 3 5 surplombant. Un tube 4 de guide pour l'introduction des ingrédients du mélange à malaxer débouche au-dessus du fût 1, au centre de celui-ci. Le tube 4 est fixe ou en rotation. Dans ce dernier cas, il peut être fixé à la pale 2. (Les barres horizontales de la pale vont permettent une meilleure distribution des matières introduites via le tube 4). Des réservoirs de matières (doseurs) 7 peuvent se vider dans le tube 4 par des conduits 8. 10 Un dispositif de pilotage 9 peut régler l'ouverture d'un de ces conduits 8, au moyen d'un capteur 10, suivant le couple de l'arbre du moteur 3. La pale 2 est décrite à propos des figures 2 et 3. Elle comprend des doigts 11 verticaux, au nombre de six dans cette réalisation, unis par une ou plusieurs barres de liaison 12. Un embout 13 relié aux barres de liaison 12 assure la liaison à l'arbre 15 tournant du moteur 3. Les doigts 11 ont généralement une même hauteur et une même section, mais leurs pas d'espacement peuvent être différents. Dans la réalisation représentée ici, on trouve deux groupes de trois doigts 11 s'étendant chacun d'un côté de l'embout 13, les doigts extrêmes 11a et 11f étant à une même distance de lui, ainsi que les doigts intermédiaires 11b et 11e, mais les doigts 11c et 11d centraux sont à des 20 distances différentes. Les irrégularités d'espacement améliorent le malaxage des matières. La section des doigts 11 est polygonale et plus précisément carrée, avec une arête 14 dirigée dans le sens d'avance; d'autres formes de doigts, également effilées vers l'avant, auraient le même avantage de favoriser l'homogénéisation du mélange. Les opérations associées aux procédés préconisés sont les suivantes. Le 25 fût 1 est amené avec ou sans le déchet et l'eau à sa position de malaxage à l'aplomb de la pale 2 constituant le mobile d'agitation. La pale 2 est fixée au moteur 3, qu'il est possible de déplacer verticalement, de manière à abaisser la pale 2 dans le fût où à l'en extraire. La pale 2 peut ainsi être introduite dans le fût 1 ou retirée. Le tube 4 est aussi mobile verticalement pour permettre le retrait de la pale 2. Des moyens de protection du moteur 30 3, comme un capot, peuvent être ajoutés. Ces moyens de protection et les moyens de 3042637 4 liaison de l'embout 13 à l'arbre du moteur 3 peuvent être à usage unique ou recyclable. Si le fût 1 ne contient pas les déchets et l'eau, ils peuvent être introduits avant la descente de la pale 2 ou après, puis les autres ingrédients sont introduits pendant que la pale 2 tourne. Après le retrait de la pale 2 et son égouttage, le fût 1 plein peut être évacué et 5 fermé. En variante, la pale 2 peut être sacrifiée et laissée dans le fût 1. L'ordre de l'introduction des ingrédients est un aspect important du procédé. Les déchets et l'eau sont introduits en premier dans le fût 1, soit à un poste dédié, soit au poste de malaxage représenté à la figure 1. L'avantage de commencer les introductions par les déchets permet de maîtriser le contenu et de corriger 10 éventuellement la quantité introduite pour pallier une erreur de dosage ou autre, ou tenir compte d'incertitudes liées à la connaissance ou l'homogénéité de déchets. La correction peut se faire par une pompe péristaltique par exemple pour modifier les quantités de déchets ou de l'eau. Dans le cas d'un poste dédié, plusieurs fûts 1 peuvent être ainsi préparés à l'avance en les remplissant de déchets et d'eau pour enchaîner plusieurs 15 enrobages et augmenter la capacité de production, puisque le malaxage n'a pas encore commencé et que la pale 2 est donc inutile à cette étape. Le ciment est ensuite introduit progressivement dans le fût 1, la pale 2 étant alors mise en action pour commencer véritablement le malaxage. Pour assurer sa bonne incorporation, le débit est ajusté en fonction de la nature des déchets et de la 20 fréquence de rotation de la pale 2. L'introduction du ciment seul après l'eau et les déchets permet de disposer de toute l'eau pour son hydratation, ce qui améliore son incorporation et permet de réduire, voire éviter l'utilisation d'adjuvants fluidifiants qui ont une durée d'efficacité limitée dans le temps. La disponibilité de l'eau permet non seulement de faciliter l'hydratation du ciment, mais elle limite aussi la diffusion des 25 poussières lors de l'introduction du ciment. De plus, la taille de grains très fine du ciment permet d'aller chercher l'eau libre stockée même dans les pores des déchets. Il a été vérifié que la situation serait différente si du sable était introduit avant le ciment : le contenu du fût 1 deviendrait très visqueux, de sorte que l'introduction complète des ingrédients serait problématique. Quand le ciment a été introduit, le sable peut l'être. 30 Selon le cas, on peut se passer de fluidifiants, ou en utiliser pour permettre de maintenir 3042637 5 un état assez fluide du mélange. Le critère d'addition de fluidifiants peut être fondé sur une mesure du couple de l'arbre tournant du moteur 3 : dès qu'un seuil de couple est franchi, le dispositif de pilotage 9 commande l'ouverture du réservoir de fluidifiants pour introduire une dose de fluidifiant définie. Après un temps de réaction, l'opération peut 5 être renouvelée si la valeur de couple n'est pas satisfaisante. Il est à noter que les fluidifiants sont efficaces pendant une durée assez brève, de 15 à 20 min par exemple, ce qui justifie leur introduction seulement à un stade final du malaxage. Il est possible, quoique pas préféré par rapport aux fluidifiants, d'introduire à la fois le ciment et le sable, le temps de malaxage étant alors réduit, mais, 10 selon le mélange, il faudra plus d'adjuvants et plus tôt dans la fabrication, et les incorporations du sable et du ciment seront plus lentes car moins efficaces. La fin du malaxage, une fois tous les composants introduits, est déterminée par une stabilisation du couple du moteur 3, qui indique un mélange homogène. 15 Le tube 4 de guidage a un diamètre plus faible que celui du fût 1 (par exemple entre un tiers et deux tiers de ce diamètre) et débouche à environ 100 mm du haut de celui-ci. Les matières sont alors distribuées à l'intérieur du tube 4. Le diamètre est typiquement la moitié de celui du fût 1. Il peut être ajusté. Le tube 4 peut avoir une forme cylindrique ou conique. Il peut être fixe ou lié à la pale 2 et tourner avec elle. Les barres 20 horizontales de la pale 2 améliorent la répartition de la matière introduite à la surface du fût 1, et permettent de l'incorporer plus vite. Une meilleure incorporation donne la possibilité d'avoir des débits d'introduction plus rapides. Le tube 4 supprime certains problèmes des procédés connus: le rebond en dehors du fût des matières introduites à la surface du mélange, les projections des matières en dehors du fût 1 au passage de la pale 25 2, et il limite le soulèvement de poussières. Le guide permet de ne pas polluer le bord du fût 1 et ses abords : il n'y a plus de nettoyage imposé, problématique, des alentours. La portion de la pale 2 qui entre dans le mélange se limitant aux doigts 11 verticaux et lisses, leur égouttage est presque parfait si on choisit d'enlever la pale 2 à la fin du procédé pour la réutiliser, d'où une utilisation peu importante d'eau pour la 30 laver, qu'il faut ensuite mettre en sûreté et entreposer elle aussi si elle se trouve 3042637 6 contaminée. Contrairement aux pales habituelles en forme d'hélice, aucune force verticale n'est produite pendant le malaxage, ce qui réduit la dépense d'énergie. Le profil de la pale 2 génère très peu d'effets de vortex, ce qui maintient les bords du fût 1 propres et permet un remplissage maximisé. Le vide apical peut être de 5 cm pour un fût 1 de 100 5 cm de haut. Cette valeur peut encore être réduite en réduisant la fréquence de rotation, au-dessous de 50 tours à la minute par exemple. L'incorporation des matières sèches devient toutefois moins efficace. Des pales 2 comprenant des largeurs et nombres de doigts différents peuvent avantageusement être prévues pour des fûts 1 de diamètres différents. 10 Le nombre de doigts 11 peut être pair ou impair. Ainsi qu'on l'a vu, une disposition asymétrique améliore le malaxage, des vibrations dues au déséquilibrage. Les doigts extérieurs 11a et 11f sont de préférence symétriques pour éviter de générer des oscillations de la pale 2 latéralement. L'espacement peut être préféré à 80 mm au moins et au plus égal à environ un demi-rayon du fût 1. 15 Les différents paramètres du procédé peuvent être réglés à volonté par l'opérateur. Des vitesses de 100 tr/min pour un diamètre de la pale 2 de 0,64 mètre peuvent être appliquées aux doigts extrêmes 11a et 11f. La fréquence de rotation peut être de 50 tr/min. REVENDICATIONS1) Dispositif de malaxage, conçu notamment pour conditionner des déchets nucléaires dans des matrices inertes en ciment, comprenant un fût (1) et une pale (2) mobile effectuant le malaxage, caractérisé en ce que la pale comprend des doigts (11) parallèles à un axe de rotation de la pale, et des barres (12) supérieures de liaison des doigts à l'axe de rotation. 2) Dispositif de malaxage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les doigts (11) ont des écartements variables. 3) Dispositif de malaxage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les doigts (11) sont répartis en deux jeux de part et d'autres de l'axe de rotation, des doigts extrêmes étant à une même distance de l'axe de rotation. 4) Dispositif de malaxage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les doigts ont une section polygonale avec une arête (14) située en avant Dans un sens d'avance. 5) Dispositif de malaxage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un tube de guidage (4) d'introduction des déchets et d'autres ingrédients de conditionnement dans le fût (1), ayant un diamètre compris entre 1/3 et 2/3 d'un diamètre du fût (1). 6) Dispositif de malaxage selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des barres tournantes (5) dans le tube (4) qui peut être fixe ou tournant. 7) Procédé de cimentation de déchets en utilisant un fût et un dispositif conformes à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à verser dans le fût d'abord les déchets et de l'eau, puis du ciment. 8) Procédé de cimentation de déchets en utilisant un fût et un dispositif conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à verser dans le fût d'abord les déchets et de l'eau, puis du ciment puis du sable. 9) Procédé de cimentation de déchets selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend une mesure continue de couple de malaxage appliqué à 3042637 8 la pale (2), et une addition de produits fluidifiants dans le fût dès que le couple mesuré dépasse une valeur de seuil.