CEA-CONF-2877
Séminaire sur la gestion des déchets solides conta- minés par du plutonium. Marcoule (France), 14-16 octobre 1974
.INCINERATEUR DE DECHETS RICHES.EN EMETTEURS ALPHA DE MARCOULE FONCTIONNEMENT
H, SOULIER C.E.A,
MARCOULE (FRANCE)
RESUME
Les principales conditions opératoires utilisées sont décrites. Des précisions sont données concernant la composition des déchets incinérés, le taux et la composition des cendres ob- tenues, les principales difficultés rencontrées.
La récupération des matières fissiles à partir des cendres d'incinération est possible : une-méthode est décrite brièvement.
Les résultats de deux années d'exploitation en actif • permettent d'affirmer l'intérêt technique et économique de ce type de traitement, pour la réduction du volume des déchets et la récu- pération éventuelle des matières fissiles, à condition de disposer d'une capacité suffisante.
SUMMARY
The main operating conditions are described. Precisions are given concerning the incinerated waste .composition and the nain difficulties encountered.
The recovery of fissile material from ther ashes is possible : a procedure is briefly described.
The results of two years of operation with active feed allov/ us to assess the technical and economical advantages of this type of process, in reducing the volume of v/astes and in recovering eventually fissile material, with a unit of adequate throughput.
We regret that some of the pages in the microfiche copy of this report may not be up to the proper legibility standards, even though the best possible copy was used for preparing the master fiche.
Aprôs sa misa au point en inactif, cette installation pilote n commencé ci brûler des déchets contenant des raat:iè-rcs fissiles'en Juin 1972. Depuis cette date, l'appareil a fonctionné en horaire continu, avec arrêt pendant le week-end. Quelques arrêts, avec ou sans refroidissement du four, ont été nécessaires pour per- mettre la maintenance et les congés du personnel ; le plus long a atteint 3 raois.
Au total, l'atelier a été en exploitation pendant 9 250 heures, l'alimentation en déchets étant assurée pendant 6 550 heures.
Ceci représente une disponibilité de 7l %.
Une personne est nécessaire en permanence, pour assurer la sxirveillance de l'installation, une autre personne lui prêtant main forte pendant les périodes de tri des déchets, d'alimentation de la trémie, de ringardage et de conditionnement des cendres, soit pendant 30 S du temps.
Après deux années d'exploitation, les conditions opéra- toires sont bien fixées et les résultats sont significatifs.
Nous allons donc les décrire brièvement.
1. CONDITIONS OPERATOIRES
Les déchets brûlés ont une .composition variable selon leur atelier d'origine. Mais tous sont composés principalement de caoutchouc, de PVC, et de cellulose sous diverses formes. Un détec- teur de particules métalliques, associé le cas échéant à un tri
manuel permet d'éliminer les morceaux de métal. De même sont écartés les objets en polythene trop volumineux. La composition moyenne des déchets traités est donnée dans le tableau I.
Tableau I - Composition des déchets - % en poids
moyenne
Caoutchouc 42
PVC 51,3
Cellulose 6,7
Pour ce type de déchets, le débit d'alimentation optimal est de 1 200 g.h"1. Un débit maximum de 1 800 g.h""1 a pu être obtenu, mais avec des déchets pauvres en caoutchouc (15 %).
Les débits d'air utilisés sont les suivants : - air de balayage de la goulotte d'alimentation - air de combustion (préchauffé à 400° C) :
; 8 m3.h"1 10 m3.h"1 - air de post-combustion (préchauffé à 400° C) : 10 in .h
*
Dans la partie combustion, la puissance de chauffe est régulée pour obtenir une température de 650° C. En fait, suivant leur composition, les déchets ont une combustion plus ou moins exothermique. Dans certains cas, la température dopasse largement 700° C, bien que la puissance électrique utilisée soit nulle.
Ce phénomène est néfaste pour la bonne marche de l'installation (formation plus abondante de chlorures volatils), et le débit d'alimentation en déchets doit alors être baissé.
I MII:» J.i jMI:S..Lu j»<>:;t-cuiuJ-»u:;Liuji, la L«.t»U}*ci:uLui:e vacjn «iu V50 à I 100" C se Ion lea /ones. On aurait intûrôt »i dinpooor d'uno puissance Électrique permettant d'obtenir des températures supé- rieures ou égales, à 1 100° C en toutes zones.
Les cendres sont étalées sur la sole toutes les 8 heures, et on les évacue grâce au ringard, deux fois par semaine.
•5 _1
Les gaz chauds sont dilues par 115 m .h d'air, la tempé- rature ainsi obtenue ëtc-nt de 300° C. Après passage dans le ser- pentin refroidisseur, cette température est ramenée à 55° C. Ce ser- pentin est rince toutes les 300 heures de fonctionnement.
Le filtre primaire, sur le circuit d'évacuation des gaz, est change chaque fois que son colmatage entraine une mauvaise » régulation de la dépression dans le four.
2. . RESULTATS D'EXPLOITATION 2.1 Cendres obtenues
Les cendres se présentent sous forme d'une poudre fine, de couleur claire (jaune à beige), de densité apparente très faible
(0,3 § 0,4). Elles sont quelquefois agglomérées en gros blocs qui s'effritent facilement. Ce phénomène, gênant pour l'évacuation des cendres (blocages au niveau du cendrier de forme conique), est lié aux conditions d'alimentation en déchets, de température, et au mode de ringardage.
La- composition des cendres varie en fonction des éléments composant le mélange à incinérer. Quelques analyses effectuées
.donnent une approximation de la composition moyenne (tableau II).
Tableau II - Perte
H,
Pu Si Ça Mg Al Fe SO Cl
à 1 100°
0
exprimé M ' n H n n 4
Composition des cendres C
en Pu02
" -Si02
" CaO
" MgO
" A12°3
" F62°3
12 % 4 % 3,4 % 15 % 30 % 8 % 13 %
1 % 0,7 % 12 %
La quantité de cendres produites varie aussi avec la com- position des déchets à incinérer :
- pour les déchets provenant de Marcoule, elles repré- sentent en moyenne 2,6 % du poids, de déchets incinérés.
- pour des déchets provenant d'un autre centre du C.E.A., ce taux a atteint 4,68 S.
tfiu- }•••« i :.«i I.MIM lis i!o:s cM'iwIroj» ej:L entrain/so }>:tr J«:: qa o'c ««.• tit»;jci:;o tku.t; lot;* «un«« à moindre turbulence. La re-partition est la suivante (tableau III).
Tableau III - Repartition des cendres - S en poids Cendrier de combustion
Cendrier de post-combustion
Diffuseur (refroidissement par dilution) Serpentin
Filtres
95,5 2,1 0,5 0,4 1,5
On voit que la récupération normale porte sur 97,6 §.
Une autre partie (2 %) est partiellement récupérable à long terme.
Le reste (0,4 %), entrainé lors des rinçages du serpentin vers la station de traitement des effluents, est perdu.
2.2 Bilan plutonium
7 313 kg de déchets ont été brûlés. Ils contenaient 7 483 g de plutonium estimés par comptage. Toutes les sorties ont été contrôlées. Le bilan en plutonium est donné dans le tableau IV.
Tableau IV - Bilan plutonium en S Entrée (Pu dans les déchets)
Sorties - Pu dans les cendres Pu sur filtres
Pu dans les déchets liquides Total sorties
Ecart : entrée - sorties
100 81,5
' 1,5 1,7
84,7 84,7 15,3 Le plutonium inclus dans les déchets à incinérer, dans les cendres et sur les filtres est déterminé par comptage y • mesure des photons Y de 380 KeV émis par le ^39pu> au ^oy^ fi'un détecteur à scintillation équipé d'un cristal de IXa. Cette méthode est imprécise : on admet une incertitude de 30 % sur les fûts ce déchets, de 10 % sur le plutonium inclus dans les cendres. Dans ces.
conditions, les chiffres obtenus doivent être utilisés avec pré- caution.
En particulier, on remarquera que l'écart (entrée-sorties) est inférieur en proportion à l'incertitude sur l'estimation à
l'encrée. Nous avons donc effectué des exar.aens" de l'intérieur du four, il l'aide de miroirs et d'une 'caméra : on peut affirmer
qu'il n'y a pas de rétention importante ce produit dans l'installation.
:.'.v.srl »»:•..»•» V»* « I '.« » , ::olt. environ I h<f <:«? I'U) ]/uut UottC oLrc$
in;;.»s;u*t cm grande partie It uno surestimation du plutonium dans les tid-chcbc ft ir.cinercr. '
*
Un contrôle destructif de la quantité clé plutonium con- tenue dans les cendres a été fait lors d'une campagne de' traitement par dissolution (cf § 4.2) : l'écart observé a été clé 5 S.
Dans ces conditions, on peat estiiner cue le rendement réel de l'opération est très supérieure à 90 5, en ce qui concerne le plutonium.-
3. DIFFICULTES RENCONTREES
Dans sa communication, Madame AUCHAPT a déjà décrit les difficultés rencontrées lors de la marche en actif et proposé des améliorations. Nous nous contenterons d'insister sur les points suivants : dépôts et entraînements, tenue des filtres, irradiation du personnel.
3.1 Dépôts et entraînements
NOXIE avons vu au paragraphe 2.1, qu'une partie des cendres était entrainéo dans différentes parties du circuit gazeux. L'esti- mation en a été faite à partir du plutonium contenu. En examinant la composition chimique des dépôts recueillis dans le diffuseur et sur un filtre (tableaux V et VI), on peut voir qu'elle ne correspond pas à celle des cendres.
Tableau V - Composition du dépôt recueilli dans le diffuseur, en %
n2°
27
so
40,4
Cl 11
Pu- 0,2
Al
2,5 Ça 0,6
Cr 8,6
Fe 16,8
Mg 0,2
Zn . 0V8
Ni 1,5
Si 3
Tableau VI - Composition du dépôt recueilli sur un filtre, en %
H2°
22,7
SÛ4 6,75
Cl 12,5
Pu 0,2
Al
0,8
Ça 0,8
Cr traces
Fe 2
Mg traces
Zn 34,5
Ni traces
i
Le dépôt dû diffuseur est constitué d'un peu de cendres, de sels volatils reconâensés (chlorure de fer essentiellement) et ce produits de corrosion de l'acier. On en a récupéré l 500 g pour 3 800 kg de déchets brûlés. Ce dépôt se produit .dans la partie la plus froide du diffuseur (300° C) et a un aspect goudroneux.
Sur les filtres, le dépôt est plus abondant : 150 g pour 200 kg ce déchets incinérés. Il est constitué en grande partie de chlorure de zinc et d'un peu de cendres entraînées. Il n'y a pas de goudrons en quantité notable. La température au niveau des
filtres est de 40° C environ.
i,«:.; «joi*,;.:; «L usit.i.Minuibciil::; qui ::e prcxiuii/.un'c Cans le
•:;csj>ci'.Uia n'cnl: pk.u cLô ^r.olyuos : ils sonc dissous ou entraînés pur l&vc.<}u. Chr.quo l.v/aço est suivi d'un sOchagc* à l'air chaud pour limiter ia corrosion de l'£ij>partsiiiaçe. Ceci entraîne des arrêts aosca importante clé 1 * incineration et une lecore perte en plutonium
(0,4 S).
3.2 Tsnue des filtres
Doux sortes de filtres ont 6té utilisés :
— des filtres papier. Leur durée d'utilisation & été en moyenne de 85 heures, .leur efficacité excellente. Ces filtres présentent l'avantage d'être facilement recy- clables en tête ça l'installation en cas de présence abondante de plutonium.
— des filtres en fibres de verre. Là encore, l'efficacité n'a pas été prise en défaut. La durée moyenne d'utiii-
• sation a été de 163 heures. Ce sont donc ces filtres qui sont utilisés en routine. Etant donné le peu de plutonium qu'ils contiennent (< 1,5 S), leur recyclage n'est pas envisagé.
Si on étudie la tenue des filtres en fonction des diffé-.
rents paramètres de fonctionnement, on observe que trois de ces paramètres jouent un rôle important r
— le débit d'alimentation en déchets. Jusqu'à 1 300 g.h~
le débit est sans influence, mais au-delà de cette
valeur, la durée de vie du filtre diminue régulièrement bien qu'assez lentement.
— la composition des déchets. La teneur en caoutchouc ne peut dépasser 60 S en poids, car il se produit alors une baisse très rapide de la durée du filtre, par émission de fumées et dépôt de goudrons.
— la tempSrature des gaz. On prend comme référence la température à -la sortie du serpentin. Il faut distin-
• guer trois cas : jusqu'à 45° C, le filtre rient bien.
Entre 45 et 55° C, le colmatage est très rapide. Au dessus de 55° C, là durée d'utilisation du filtre croit
lorsque la température augmente.
Dans la premier cas, le dépôt du chlorure de zinc se fait dans les tuyauteries en amont du filtre, et risque de colmater rapidement celles-ci.
Dans le second cas, le dépôt se produit au niveau des filtres, qu'il faut changer fréquemment.
Dans le troisième enfin, les sels se déposent en majo- rité en aval des filtres, dans une zone inactive et rincable. C'est cette solution qui doit être adoptée.
3.3 Irradiation du personnel
Les déchets traités jusqu'à présent provenant du retrai- tement de combustibles peu irradiés/ lo niveau d'irradiation est resté assez bas. Il faut toutefois signaler qu'une partie importante des doses in-iégrSes par le personnel provient de 1'alimentation de
1'appareil, qui, dans sa. version actuelle, exige des interventions raanuoilcs longues et fréquentes : entrée des déchets paquet par paqucc, tri manual, pesSc, c.lim«ncacic;*. eu broyeur.
Il est donc nécessaire, d'une part, d'anvjlioror encore la discrimination des déchets lors de leur production, ù'c.utre part, d'automatiser le plus possible cette partie de l'installation.
En moyenne, la combustion de 100 kg de déchets "coûte"
70 mRem, comptés à la poitrine des opérateurs.
4. RECUPERATION DU PLUTONIUM CONTENU DAMS LES CENDRES
La récupération du plutonium contenu dans les cendres est une opération difficile pour les raisons suivantes : 1'hétérogénéité des cendres, la présence abondante de silice, et le fait que le plutonium se trouve sous forme d'oxyde calciné à haute température.
Différentes méthodes ont été essayées en laboratoire : fusion alcaline, aluminothermie, dissolution après fluoruration à sec, dissolution directe à 1'.aide de différents réactifs. Aucun de ces essais n'a donné de résultats très favorables. Sn particulier, le taux de récupération du plutonium se situe autour de 50 S.
Un autre procédé, basé sur la dissolution sélective de la silice et du plutonium, a alors été mis au point et testé dans un appareillage pilote, en actif. Les résultats sont très encourageants.
4.1 Procédé utilisé
Les étapes de ce procédé sont les suivantes :
— élimination de la silice. Dans un premier temps, on met les cendres en contact avec de l'acide fluorhydricue concentré, à température ambiante. La silice se dissout mais pas -le plutonium. On filtre. Le filtrat est rejeté
après complexation des ions fluorures. Ensuite, le résidu de filtration, contenant le plutonium et encore un peu de silice, estplacé dans le dissolveur, où
il est attaqué à chaud par une solution nitro-fluorhy- drique. Le silicium distille sous forme de SiFgH-.
— mise en solution du plutonium. Dans le même dissolveur et sans filtration préalable, on effectue une attaque à 1'ebullition par une solution de nitrate d'aluminium, qui parachève la solubilisation du plutonium. Après refroidissement, la solution est filtrée.
— purification par extraction au solvant. On utilise le tributylphosphate dilué dans du dodécane.
4.2 Résultats de la campagne d'essai
On a traité 23 kg de cendres, contenant environ 1 kg de plutonium. Le bilan plutonium s'établit ainsi : (tableau VII).
Tableau VII - Traitement des cendres - Bilan plutonium en S
Plutonium dans la solution purifiée Plutonium
recyclable
Plutonium perdu
sous forme liquide sous forme solide Total
déchets liquides déchets solides Total.
TOTAL GENERAL
2,8 6,3 9,6 2,5 0,4 2,9
87,5
9,6
%
2,9
100,0
Dans une installation industrielle, on doit donc récupérer au moins 95 % du plutonium mis en jeu. •
Les deux seules difficultés que cette campagne a fait apparaitre ont été : la corrosion rapide du dissolveur.en acier et la- filtration très difficile de la solution, avant extraction.
4.3 Nouvel appareillage
A la suite de cette campagne, Marcoule s'équipe pour traiter les cendres d'incinération à la cadence ce 5 kg par jour
(ce qui correspond à la calcination de 200 kg de déchets).
Par rapport à l'appareillage précédent, les améliorations suivantes sont apportées : dissolveur en teflon, suppression de la filtration avant extraction, capacité augmentée, amélioration de la conduite des opérations.
Cette installation sera opérationnelle en 1975.
5. INTERET DU TRAITEMENT DES DECHETS PAR INCINERATION 5.1 Réduction du volume des déchets à stocker
A Marcoule, on a obtenu par simple incinération, un fac- teur de réduction de 10. Ce facteur peut encore être amélioré suivant le mode de conditionnement des cendres. Mais dans ce cas, on peut se heurter à des problèmes de criticité.
5.2 Sécurité des stockages
L'incinération produit des cendres qui sont chimiquement très peu réactives : après 2 ans de stockage dans un emballage
sommaire, celles-ci ne présentent aucune trace ce réaction chimique.
On pourrait envisager l'enrobage de ces cendres dans du béton ou du bitume. Ces solutions sont sûres, mais présentent l'inconvénient d'être pratiquement irréversibles.
* L'intCrGt cat plu« yrand encore si le plutonium csu rucu- pcrc 5 partir des ccnclre:-;, car dans co cas c'est la quantitû totale de plutonium 5 stocker que l'on réduit d'un facteur 10 à 20.
5.3 Intérêt économique
Dans le pilote de Marcoule, le coût de 1'incinération d'un fût de 100 litres est de 4 000 francs. Avec un appareil d'une capacité de 10 kg.h~ , ce coût pourrait descendre à 600 francs environ.
Il est difficile- de juger de la rentabilité d'un tel traitement, étant donné l'incertitude qui règne quant au coût de stockage à perpétuité d'un fût de déchet riche en émetteurs a.
La récupération du plutonium à partir des cendres est une opération rentable à partir d'une capacité de 5 kg par jour, pour une valeur du plutonium £ 40 francs et un taux de plutonium dans les cendres ^ 3 %.
6. CONCLUSIONS
Le fonctionnement eh actif, pendant deux ans, du pilote de Marcoule, a été satisfaisant. Il a permis de vérifier le bien- fondS des solutions techniques choisies. Les améliorations à appor- ter pour rendre ce procédé parfaitement opérationnel sont relati- vement minimes.
Le stockage dss déchets riches en émetteurs a est un pro- blème important et difficile. L'incinération, associée éventuel-
lement à la récupération des matières fissiles à partir des cendres, apporte une solution satisfaisante sur le plan de la sécurité et économiquement raisonnable à condition de disposer d'une capacité suffisante.
