• Modélisation électromagnétique, hydraulique et thermique du four. Ce modèle a été utilisé pour définir les fours à l’échelle du laboratoire et à l’échelle technologique, ainsi que les générateurs haute fréquence associés.
• Développement du procédé et de la technologie à l’échelle 1 en inactif.
Un prototype inactif permettant de tirer des lingots de 200 mm de diamètre et de 1 m de longueur, équipé d’un traitement des gaz, a été réalisé et exploité.
Il a permis de vérifier la faisabilité technologique puisque 100 lingots ont été élaborés à partir de gaines en acier inoxydable simulant les déchets de gainage des RNR. La capacité de fusion est de l’ordre de 60 kg/h. Le laitier est un mélange de
fluorures (CaF2 (75 %) – MgF2 (25 %)) ou d’oxydes
(BaO(75 %) – B2O3(25 %)), sa teneur varie de 0,3 à 3 % de
la masse de métal.
Des essais préliminaires encourageants de vitrification spéci- fique de ces laitiers ont été effectués, la caractérisation com- plète n’a pas été effectuée en raison de l’arrêt du programme. • Vérification de la sûreté du procédé
Fig. 100. Principe de la fusion du métal des gaines par induction en creuset froid. Métal Laitier Inducteur Laitier liquide Laitier solidifié Lingot Zone solide Zone liquide
Pour évaluer le risque d’interaction entre l’eau et le métal fondu, des tests de mise en contact eau-métal fondu ont mon- tré qu’à l’échelle de 4 kg de métal fondu aucune explosion ni ébullition violente n’est mise en évidence.
• Étude de la répartition des radioéléments dans les gaines de combustible RNR usé.
Pour évaluer la répartition des radioéléments dans le procédé, un appareillage de fusion a été construit autour d’un creuset froid de 60 mm de diamètre, placé dans une cellule blindée. Cet appareillage a permis de fondre 20 kg de gaines réelles et de tirer huit lingots d’environ 3,4 kg de gaines RNR. Ces essais ont montré que :
• l’activité initiale des gaines se répartit entre les poussières récupérées dans le traitement des gaz, le flux de fusion et le lingot ;
• le facteur de décontamination du lingot atteint 2 000 pour les émetteurs α, et au moins 100 pour le Sr et Cs ;
• les produits d’activation restent bloqués dans le lingot ; • le tritium reste en majorité bloqué dans le lingot ;
• la matrice métallique résultant de la fusion est compacte et homogène.
L’application de ce procédé aux déchets de gainage provenant des réacteurs à neutrons rapides du futur est prometteuse en raison de ses avantages : la réduction de volume par fusion est maximale, et les facteurs de décontamination en émet-
teurs α obtenus laissent penser qu’un éventuel déclassement
du déchet n’est pas inatteignable.
Références
[1] P. BERTHIER, J.P. RUTY, C. LADIRAT, R. PICCINATO,
« Compactage par fusion haute température de déchets de gaines actives en creuset froid. Rapport final. Contrat CCE FI 2W-CT 90052 », (1993).
[2] R. PICCINATO, J.P. RUTY, R. CARABALLO, N. JACQUET-FRANCILLON, « Compactage par fusion haute température des déchets de gaines actives des creusets froids – Rapport final CCE – Contrat n° FI 1W 00 14 F », (1991).
Roger BOËNet Étienne VERNAZ, Département d’études du traitement et du conditionnement des déchets Guy BRUNEL,
1.E-06 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1 000 3 000 5 000 7 000 9 000 11 000 13 000 15 000 Ar H O e- H2O A2+ H+ H2 O2 HO2 H- OH O - O+
Fig. 102. Évolution de la composition d’un plasma Ar/H2O en
fonction de la température à la pression de 1 bar.
Fraction molaire
Température (K)
très haute température, ce qui peut être utile pour de la syn- thèse en milieu réducteur, par exemple, ou pour de la destruc- tion rapide de molécules en milieu très oxydant… application principale du plasma dans le domaine du traitement des déchets.
L’hypothèse de l’équilibre thermodynamique local dans la colonne d’arc, est en général, vérifiée. On considère donc le plasma comme un mélange de gaz parfaits en équilibre ther- modynamique ; on peut ainsi calculer sa composition chimique en fonction de la température ou de la pression. On utilise pour cela une méthode de minimisation de l’enthalpie libre du sys- tème, sous contrainte du bilan massique et de la neutralité électrique. La figure 102 présente, à titre d’exemple, la compo- sition chimique, exprimée en nombre de mole, d’un plasma d’argon et de vapeur d’eau à la pression de 1 bar, situation rencontrée en incinération de déchets organiques. On remar- quera la présence d’atomes, de radicaux libres, O, par exemple, ainsi que d’espèces ionisées et d’électrons. Les réactions chimiques mises en jeux et leur cinétique sont consi- dérablement influencées par la présence de ces espèces et les efficacités des procédés sont considérablement accrues. Parce que les mélanges sont très réactifs, les débits de gaz utilisés peuvent être faibles, les réacteurs plasmas sont donc de petite taille, et les dimensions des unités aval de traitement des gaz sont réduites. Cela est un atout majeur pour certaines applications, notamment dans le domaine des déchets radio-
L
e chauffage par plasma permet d’atteindre localement ettrès rapidement des températures extrêmes. Le plasma est d’un haut intérêt pour le traitement des déchets, car il permet de décomposer la quasi-totalité d’entre eux, qu’ils soient solides, liquides, organiques ou minéraux. D’une manière générale, des procédés de traitement et conditionnement de déchets utilisant le plasma ont été étudiés de par le monde et parfois même industrialisés comme c’est par exemple le cas de l’installation Zwilag sur le centre de Würenlingen, en Suisse.
Le plasma est pour le physicien le prolongement de l’état gazeux ; il existe au-delà de cet état lorsque l’énergie conte- nue dans la matière est suffisante pour ioniser une grande par- tie des atomes qui la constituent. Le plasma est donc un mélange de molécules, d’atomes, d’ions et d’électrons avec des propriétés physiques particulières. Généré à la pression atmosphérique, on peut facilement faire atteindre au plasma des températures supérieures à 6 000 K. C’est ce plasma, à la fois très chaud et très réactif chimiquement en raison de la présence d’atomes et d’ions très excités ou de molécules inha- bituelles dans la chimie classique, que l’ingénieur peut utiliser pour le traitement de certaines catégories de déchets particu- lièrement « délicates ». Les déchets visés sont, par exemple, les résines échangeuses d’ions ou, plus généralement, les déchets technologiques comportant une fraction organique qui rendrait impossible leur vitrification directe ou hasardeux leur enrobage dans une matrice cimentaire.
Il existe différentes techniques pour générer un plasma ther- mique ; cela dépend de la manière dont est apportée l’éner- gie pour transformer le gaz en plasma. L’énergie peut être apportée par un champ électromagnétique, par des micro ondes ou encore, et c’est la manière la plus utilisée, par écla- tement d’un arc électrique dans un flux gazeux, ce dernier pouvant être de nature très varié : argon, oxygène, vapeur d’eau… C’est le procédé chimique envisagé qui va entraîner le choix d’un gaz en particulier. La densité de courant dans
une colonne d’arc peut atteindre des valeurs de 106A/m2et
plus ; elle est encore plus élevée au niveau des électrodes, où
la densité de courant peut même dépasser 1010A/m2. Les
densités de flux thermique associées sont de l’ordre de 1010
à 1011W/m2, ce qui exige des conceptions particulières des
électrodes si l’on veut garantir une durée de vie compatible avec un usage industriel. On comprend ainsi que l’on peut obtenir à peu près n’importe quelle composition chimique à