Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
< Pages précédentes
Pages : 20 - 21  |  Aller à la page   OK
Pages suivantes >
20 21
18 Les matériaux pour le nucléaire CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 de dégradation du solvant [phosphore (P)] et des éléments provenant des matériaux de gainage [aluminium, magnésium (Mg), zirconium (Zr)...]. Le spectre des éléments radioactifs, produits de fission et actinides, est très large puisqu’il regroupe plus de 40 éléments différents, depuis le germanium (Ge) de numéro atomique 32 jusqu’au californium (Cf) de numéro atomique 98. Le verre, un matériau de confinement de choix Le conditionnement des solutions de produits de fission a pour objectif de faire passer le déchet de la forme liquide à la forme solide, de réduire le volume en entreposage puis en stockage, et enfin d’obtenir un matériau répondant aux exigences de sûreté requises par l’entreposage et le stockage. Le matériau destiné au conditionnement de ces solutions doit posséder des propriétés très particulières, du fait de la complexité du problème posé. Les premières voies de recherche, qui se sont dirigées tout d’abord vers les matériaux cristallins de type mica ou feldspath, ont été réorientées en 1960 vers l’élaboration de matériaux vitreux. Au cours des années 60, le verre a été retenu par la France et par la communauté internationale comme le matériau de confinement des solutions de produits de fission, en raison de la souplesse de sa structure désordonnée qui lui permet de confiner de nombreux éléments chimiques. Les radionucléides participent à la structure du verre : il ne s’agit donc pas d’un simple enrobage, mais d’un confinement à l’échelle atomique (figure 1). De plus, le verre est doté de bonnes propriétés de stabilité thermique, de durabilité chimique et de tenue à l’auto-irradiation (2). éléments de base de la matrice vitreuse : SiO 2, Na 2 O, B 2 O 3, Al 2 O 3 Si incorporation de produits de fission PF sous forme d’oxydes (PF 2 O 3...) dans la matrice vitreuse Si Figure 1. Principe du confinement d’éléments dans une structure vitreuse. B B PF Al Al O O Na Na Bloc de verre de confinement (verre R7T7). La recherche d’une composition de verre est un compromis entre les propriétés du matériau et la faisabilité technologique de son élaboration à l’échelle industrielle. La France a retenu les verres aluminoborosilicatés comme matériaux de confinement des solutions de produits de fission issues du traitement des combustibles des réacteurs Uranium naturelgraphite-gaz (UNGG) et des réacteurs à eau légère (REL). Dans le cas des solutions provenant des REL, le verre produit par Areva NC à La Hague (Manche), référencé R7T7, est constitué, à environ 80%, d’oxydes de silicium [SiO 2 (silice)], de bore [B 2 O 3 (anhydride borique)], d’aluminium [Al 2 O 3 (alumine)] et de sodium [Na 2 O]. Le silicium, l’aluminium et le bore jouent un rôle de formateurs, c’est-à-dire qu’ils polymérisent le réseau vitreux grâce à leurs liaisons fortes. Les alcalins, quant à eux, sont des éléments modificateurs qui dépolymérisent le réseau vitreux. Ils permettent d’abaisser le point de fusion et agissent favorablement sur la viscosité et la réactivité du verre fondu pour faciliter son élaboration. Le taux d’incorporation d’oxydes de produits de fission est aujourd’hui borné à 18,5% (tableau). À l’exception des platinoïdes (3) et d’une partie du tellure (Te) présents dans le verre sous forme de cristaux d’oxyde de ruthénium RuO 2 et de phases métalliques [palladium (Pd), rhodium (Rh), tellure], le verre R7T7, après élaboration et refroidissement naturel, est homogène à l’échelle microscopique. Ses propriétés physicochimiques ont été déterminées sur les compositions de verre simulant inactif puis validées sur des échantillons de verres radioactifs élaborés en laboratoire ou prélevés dans les ateliers industriels de La Hague. (2) Phénomène d’auto-irradiation : la décroissance radioactive des radionucléides tend à désorganiser la matrice qui les contient, l’émission des rayonnements s’accompagnant d’une production de chaleur. (3) Platinoïdes : ce groupe se compose du platine (Pt) ainsi que du palladium (Pd), du rhodium (Rh), du ruthénium (Ru), de l’iridium (Ir) et de l’osmium (Os), dont les caractéristiques sont proches de celles du platine. Les platinoïdes sont également appelés métaux nobles du fait de leur forte résistance à la corrosion et à l’oxydation. P.-F. Grosjean/CEA
oxydes intervalle spécifié pour l’industriel (% massique) Mini Maxi composition moyenne des verres industriels (% massique) SiO 2 42,4 51,7 45,6 B 2 O 3 12,4 16,5 14,1 Al 2 O 3 3,6 6,6 4,7 Na 2 O 8,1 11,0 9,9 CaO 3,5 4,8 4,0 Fe 2 O 3 < 4,5 1,1 NiO < 0,5 0,1 Cr 2 O 3 < 0,6 0,1 P 2 O 5 < 1,0 0,2 Li 2 O 1,6 2,4 2,0 ZnO 2,2 2,8 2,5 oxydes de 7,5 18,5 17,0 (PF + Zr + actinides) + suspension de fines oxydes d’actinides 0,6 SiO 2 + B 2 O 3 + Al 2 O 3 > 60 64,4 Tableau. Domaine de composition chimique des verres R7T7 produits dans les ateliers industriels par Areva NC à La Hague. Le procédé continu de vitrification à deux étapes Les principales opérations permettant de passer de la solution au verre sont l’évaporation de l’eau, la calcination et la vitrification. L’étape de calcination transforme la plupart des éléments en oxydes par décomposition des nitrates (4), sauf les alcalins et une partie des alcalinoterreux. Elle se déroule dans une plage de températures s’étendant entre 100 °C et 400 °C. La vitrification est menée par réaction du calcinat, obtenu lors de l’opération précédente, avec des matières premières qui apportent essentiellement des éléments formateurs du réseau vitreux tels que la silice. Les matières premières sont généralement un verre déjà formé, appelé fritte de verre. Ces réactions nécessitent des températures comprises entre 1 050 °C et 1 300 °C, selon la composition du verre à élaborer. Ces opérations doivent être mises en œuvre par un procédé associé à une technologie suffisamment simple pour être compatible avec une exploitation en haute activité. Pour atteindre une productivité compatible avec le besoin des usines de traitement du combustible, le CEA a développé un procédé continu avec la technologie qui lui est associée. Celui-ci comprend une étape d’évaporation-calcination des solutions de produits de fission suivie d’une étape de vitrification du calcinat formé. Toutes deux sont conduites en continu dans deux appareils séparés (figure 2). L’unité de calcination, constituée d’un tube tournant chauffé par un four à résistances, recueille également des réactifs et une solution recyclée issue du traitement des gaz. Elle permet les opérations d’évaporation et de transformation partielle des nitrates, présents dans les solutions, en oxydes. Le four de vitrification, dans lequel se déroulent les réactions d’élaboration du verre, reçoit le calcinat provenant du tube tournant ainsi que la fritte de verre. Ce four est actuellement construit autour d’un pot de fusion métallique chauffé par induction. Le verre est coulé en discontinu par charge dans des conteneurs en acier inoxydable réfractaire (2 charges de 200 kg par conteneur dans les ateliers de vitrification d’Areva NC à La Hague). Après validation à l’échelle 1 sur des simulants inactifs, ce procédé continu de vitrification à deux étapes a été mis en service en 1978 à Marcoule (Gard), dans l’Atelier de vitrification de Marcoule (AVM) associé à l’usine de traitement UP1 ; en 1989 et 1992 à La Hague, dans les ateliers R7 et T7 associés aux usines UP3 et UP2-800 (5) ; en 1990 à Sellafield en Grande-Bretagne, dans l’atelier WVP (Windscale Vitrification Plant). Chacun des ateliers R7 et T7 est équipé de trois chaînes de vitrification de capacité initiale de traitement de solutions de 60 L/h, et de capacité d’élaboration de verre de 25 kg/h. Cette technologie de vitrification comporte toutefois des limitations. D’une part, la durée de vie des pots métalliques, de l’ordre de 5 000 heures, constitue une source de déchets secondaires. D’autre part, leur capacité d’élaboration de verre nécessite la présence de plusieurs chaînes fonctionnant en parallèle. Enfin, le choix de compositions de matrices de confinement se restreint aux verres dont la température d’élaboration est inférieure à 1 150 °C. (4) Nitrates : sels (composés ioniques constitués de cations et d’anions formant un produit neutre et sans charge nette) de l’acide nitrique HNO 3. La formule chimique de l’ion nitrate est NO 3-. (5) UP2-800 : usine exploitée depuis 1994 à La Hague (Manche) par Areva NC où sont traités la plus grande partie des combustibles usés du parc national de production électronucléaire. Elle est née de la refonte de l’unité UP2-400 qui, à la suite de l’usine UP1 de Marcoule (Gard), était destinée au traitement des combustibles usés de la filière UNGG. Les combustibles étrangers sont traités dans l’usine UP3 qui a été mise en service en 1990-92. solution de produits de fission dépoussiéreur tube tournant calcinateur Figure 2. Procédé continu de vitrification à deux étapes. conteneur four à résistances fritte de verre pot métallique four à induction CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 19



Autres parutions de ce magazine  voir tous les numéros


Liens vers cette page
Couverture seule :


Couverture avec texte parution au-dessus :


Couverture avec texte parution en dessous :


Clefs numéro 59 été 2010 Page 1Clefs numéro 59 été 2010 Page 2-3Clefs numéro 59 été 2010 Page 4-5Clefs numéro 59 été 2010 Page 6-7Clefs numéro 59 été 2010 Page 8-9Clefs numéro 59 été 2010 Page 10-11Clefs numéro 59 été 2010 Page 12-13Clefs numéro 59 été 2010 Page 14-15Clefs numéro 59 été 2010 Page 16-17Clefs numéro 59 été 2010 Page 18-19Clefs numéro 59 été 2010 Page 20-21Clefs numéro 59 été 2010 Page 22-23Clefs numéro 59 été 2010 Page 24-25Clefs numéro 59 été 2010 Page 26-27Clefs numéro 59 été 2010 Page 28-29Clefs numéro 59 été 2010 Page 30-31Clefs numéro 59 été 2010 Page 32-33Clefs numéro 59 été 2010 Page 34-35Clefs numéro 59 été 2010 Page 36-37Clefs numéro 59 été 2010 Page 38-39Clefs numéro 59 été 2010 Page 40-41Clefs numéro 59 été 2010 Page 42-43Clefs numéro 59 été 2010 Page 44-45Clefs numéro 59 été 2010 Page 46-47Clefs numéro 59 été 2010 Page 48-49Clefs numéro 59 été 2010 Page 50-51Clefs numéro 59 été 2010 Page 52-53Clefs numéro 59 été 2010 Page 54-55Clefs numéro 59 été 2010 Page 56-57Clefs numéro 59 été 2010 Page 58-59Clefs numéro 59 été 2010 Page 60-61Clefs numéro 59 été 2010 Page 62-63Clefs numéro 59 été 2010 Page 64-65Clefs numéro 59 été 2010 Page 66-67Clefs numéro 59 été 2010 Page 68-69Clefs numéro 59 été 2010 Page 70-71Clefs numéro 59 été 2010 Page 72-73Clefs numéro 59 été 2010 Page 74-75Clefs numéro 59 été 2010 Page 76-77Clefs numéro 59 été 2010 Page 78-79Clefs numéro 59 été 2010 Page 80-81Clefs numéro 59 été 2010 Page 82-83Clefs numéro 59 été 2010 Page 84-85Clefs numéro 59 été 2010 Page 86-87Clefs numéro 59 été 2010 Page 88-89Clefs numéro 59 été 2010 Page 90-91Clefs numéro 59 été 2010 Page 92-93Clefs numéro 59 été 2010 Page 94-95Clefs numéro 59 été 2010 Page 96-97Clefs numéro 59 été 2010 Page 98-99Clefs numéro 59 été 2010 Page 100-101Clefs numéro 59 été 2010 Page 102-103Clefs numéro 59 été 2010 Page 104-105Clefs numéro 59 été 2010 Page 106-107Clefs numéro 59 été 2010 Page 108-109Clefs numéro 59 été 2010 Page 110-111Clefs numéro 59 été 2010 Page 112-113Clefs numéro 59 été 2010 Page 114-115Clefs numéro 59 été 2010 Page 116-117Clefs numéro 59 été 2010 Page 118-119Clefs numéro 59 été 2010 Page 120-121Clefs numéro 59 été 2010 Page 122-123Clefs numéro 59 été 2010 Page 124-125Clefs numéro 59 été 2010 Page 126-127Clefs numéro 59 été 2010 Page 128-129Clefs numéro 59 été 2010 Page 130-131Clefs numéro 59 été 2010 Page 132-133Clefs numéro 59 été 2010 Page 134-135Clefs numéro 59 été 2010 Page 136-137Clefs numéro 59 été 2010 Page 138-139Clefs numéro 59 été 2010 Page 140-141Clefs numéro 59 été 2010 Page 142-143Clefs numéro 59 été 2010 Page 144-145Clefs numéro 59 été 2010 Page 146-147Clefs numéro 59 été 2010 Page 148-149Clefs numéro 59 été 2010 Page 150-151Clefs numéro 59 été 2010 Page 152-153Clefs numéro 59 été 2010 Page 154-155Clefs numéro 59 été 2010 Page 156-157Clefs numéro 59 été 2010 Page 158-159Clefs numéro 59 été 2010 Page 160