Travaux réalisés à l’Institut for TransUranium Elements (ITU)

(ITU)

Plusieurs campagnes de mesures sur la re-vaporisation de dépôts de produits de fission ont été réalisées à l’ITU à Karlsruhe (Allemagne) pendant la période 2000-2014 suite aux essais intégraux Phébus-FP ([53] et [54]).

Les échantillons utilisés étaient issus des essais Phébus-FP (voir Chapitre I section 3.1). Il s’agissait d’échantillons métalliques en acier 304L et alliage Inconel 600 ayant été le support d’un important dépôt de produits de fission (Cs, Mo, Te, Ba, I) et d’autres éléments (Ag, In, Re) venant des barres de contrôle et des thermocouples. Pour ces échantillons, on peut estimer la température à laquelle les dépôts se sont formés, à environ 700°C. La géométrie des échantillons a ensuite été adaptée au montage expérimental, avec une taille comprise entre 5-10 mm x 5-10 mm. Compte tenu du fait que la période de demi-vie de la plupart des radio-isotopes identifiés est inférieure à la demi-vie des isotopes de Cs, les mesures réalisées à l’ITU par spectrométrie gamma aient montré que 2-3 ans après un essai Phébus-FP, 97% de l’activité résiduelle était due aux isotopes radioactifs du césium, notamment 134Cs et 137Cs.

Le dispositif expérimental ainsi que le protocole utilisés sont décrits de manière détaillée dans [55]. Il consiste en un four haute température placé dans une boite à gants (Figure 19). Un générateur de vapeur délivre de la vapeur d’eau à 164 g/h (à 160°C et 4,2 bar) qui peut être mélangée avec d’autres gaz selon les besoins. Après passage dans la zone de réaction (zone dans laquelle est placé l’échantillon contenant le dépôt à étudier), le flux gazeux passe dans un diluteur où il est mélangé avec un important flux de diazote froid (140 Nl/min). L’objectif de cette phase de dilution est de refroidir le gaz pour condenser les vapeurs et former des aérosols, tout en évitant l’agglomération de ces derniers. Les aérosols

ainsi formés sont ensuite piégés dans un filtre en quartz pour pouvoir être analysés. Une visée par spectrométrie gamma sur l’échantillon permet un suivi en ligne de l’activité de cet échantillon pendant toute la phase expérimentale (1 spectre/minute). Un exemple de profil thermique et de mesures d’activité du Cs radioactif caractéristique de ces essais est présenté en Figure 20.

La première étape de l’essai consiste à chauffer l’échantillon de l’ambiante jusqu’à 300°C à 10°C/min sous N2 pour éviter la condensation de la vapeur d’eau. Ensuite, la vapeur

d’eau est injectée et l’échantillon est chauffé à 2°C/min (pour rester proche de l’équilibre thermodynamique) jusqu’à 1000°C, puis est maintenu à cette température pendant 1 h. Finalement, un refroidissement par convection naturelle jusqu’à température ambiante est appliqué, en changeant à nouveau le gaz porteur à 300°C (arrêt de la vapeur d’eau et injection d’azote). L’activité de 137Cs est suivie pendant toute la durée de l’essai. A la fin de l’essai, toute la ligne expérimentale est également analysée par spectrométrie gamma pour détecter d’éventuelles contaminations. Les aérosols collectés sur le filtre en quartz sont dissous dans une solution acide qui est ensuite analysée par ICP-MS afin de déterminer la composition élémentaire des aérosols piégés (notamment les éléments non-suivis par spectrométrie gamma). Bien que l’iode soit un produit de fission de grand intérêt, il n’a pas fait l’objet d’une analyse spécifique au cours de cette étude.

Figure 20. Exemple de profil thermique appliqué pour les mesures en ligne d'activité du 137Cs : re- vaporisation sous vapeur d'eau @2°C/min d'un échantillon issu de l'essai Phébus FPT3 ([53])

Plusieurs essais ont été réalisés, afin d’étudier l’influence des différents paramètres tels que la composition du gaz porteur (vapeur d’eau, hydrogène, air ou un mélange de ces gaz), le gradient de température (2°C/min et 15°C/min) et le changement de composition de l’atmosphère gazeuse au cours de l’essai (vapeur d’eau puis hydrogène), et la pression. L’analyse des résultats obtenus lors de cette étude paramétrique a permis de mettre en évidence les observations globales suivantes :

- Aucune influence de la nature de l’acier utilisé (acier inox 304L ou alliage Inconel 600) n’a été mise en évidence ;

- Sous vapeur d’eau et en conditions proches de l’équilibre thermodynamique (gradient de température limité à 2°C/min), la re-vaporisation commence vers 550°C et se termine avant 1000°C. Avec un gradient plus important (15°C/min), le début de re-vaporisation peut être retardé jusqu’à 700-800°C. Par contre, la vitesse de re- vaporisation (qui est le rapport activité/temps) est alors deux fois plus importante dans ces conditions ;

- La re-vaporisation sous atmosphère mixte H2O/H2 (gradient 2°C/min) a montré un

début de perte d’activité beaucoup plus tardif (vers 800°C) comparé aux essais sous vapeur d’eau (520°C). Par contre, la vitesse de re-vaporisation est deux fois plus élevée et le profil de perte d’activité est très proche de celui réalisé sous vapeur d’eau à gradient rapide. Un seul essai, avec rampe lente, a été réalisé, ce qui ne permet pas de conclure quant à l’influence de la rampe de montée en température ; - Sous air (gradient 2°C/min), il semble que la re-vaporisation commence plus

300 et 570°C. Entre 610 et 730°C, la vitesse de re-vaporisation est 4 fois plus importante que sous vapeur d’eau et 2 fois plus importante que sous H2O/55%H2. A

partir de 730°C, la vitesse diminue de façon significative. L’échantillon re-vaporisé sous air a été chauffé seulement jusqu’à 900°C, mais les auteurs ont pu observer que le phénomène se poursuit pendant le palier d’1 h à 900°C (processus non terminé). Un seul essai, avec rampe lente, a été réalisé, ce qui ne permet pas non plus de conclure quant à l’influence de la rampe de montée en température ;

- Le changement d’atmosphère (à 700°C) pendant l’essai (d’abord des conditions oxydantes sous vapeur d’eau, puis des conditions réductrices correspondant à un mélange 93,5% argon–6,5% hydrogène) induit une augmentation importante de la vitesse de re-vaporisation du césium ;

- Les échantillons issus des différentes zones de dépôt (différents endroits du dispositif Phébus, quantité différente de dépôt initial) mais re-vaporisés dans les mêmes conditions thermohydrauliques présentent des cinétiques de re-vaporisation différentes. Ainsi, en observant la variation de la vitesse de re-vaporisation, il a été constaté que dans certains cas une seule étape de re-vaporisation a lieu, alors que dans d’autres cas deux étapes distinctes peuvent être distinguées (changement de la pente de perte d’activité). Ces résultats expérimentaux suggèrent l’existence de différentes formes chimiques de Cs déposées sur la surface, formes qui se re- vaporisent à différentes températures ;

- A basse pression (sans indication précise donnée par les auteurs sur la valeur de la pression) et sous vapeur d’eau, la vitesse de re-vaporisation est quatre fois plus importante que dans les autres essais dans des conditions similaires ;

- Enfin, il semble que 300°C soit la plus basse température de début de perte d’activité observée ce qui suggère que le dépôt interagit dès cette température avec la surface pour créer des espèces plus volatiles.

En conclusion, la comparaison des résultats obtenus sous différentes atmosphères permet de constater que la re-vaporisation sous H2O est la plus lente, suivie par les

5.3.

Travaux réalisés à VTT Technical Research Centre of