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

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20 Les matériaux pour le nucléaire Figure 3. Principe d’un four de fusion de verre par induction directe en creuset froid. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 La vitrification en creuset froid, une technologie d’avenir Pour lever ces verrous, une nouvelle technologie d’élaboration de verre par induction directe en creuset froid a été mise au point. Des caractéristiques intéressantes La fusion par induction directe consiste à placer le verre à chauffer dans un champ électromagnétique alternatif créé par un inducteur. La fréquence de ce champ alternatif est de l’ordre de quelques centaines de kilohertz. Le verre liquide étant conducteur électrique (résistivité comprise entre 1 et 10 ohms.centimètre), le champ électromagnétique alternatif y génère des courants induits qui dissipent de la puissance par effet Joule. Dans ce type d’induction, il s’agit de chauffer directement le matériau à fondre et pas le creuset. Ce dernier est métallique, en acier inoxydable par exemple. Il est refroidi par une circulation d’eau et divisé en secteurs pour assurer une relative « transparence » au champ électromagnétique (figure 3). Au contact de la paroi froide, il se forme une mince couche de verre figé, d’épaisseur comprise entre 5 et 10 mm, qui sépare le verre fondu du métal froid de la paroi. Le métal du creuset n’est donc pas en contact avec le verre fondu, qui est entièrement contenu dans cette « peau » de verre figé, d’où le terme d’« autocreuset ». Le verre étant un matériau isolant électrique à température ambiante, il est nécessaire de préchauffer une charge de verre pour initier l’induction. Ce préchauffage est réalisé, pour les applications nucléaires, en plaçant un anneau en titane (Ti) ou en zirconium sur la charge initiale de verre. Cet anneau s’échauffe sous l’action du champ électromagnétique, puis son oxydation fournit de l’énergie au verre et rend possible la fusion de ce dernier. Au terme de cette phase d’amorçage de l’induction, le métal totalement oxydé est un constituant du verre. Le four fonctionne ensuite en semi-continu. L’alimentation en produit à fondre est continue et la coulée en conteneur du verre élaboré est séquentielle. La coulée est effectuée à l’aide d’une vanne en métal refroidi. À la fin de chaque coulée, un volume suffisant de verre fondu couche de produits froide est conservé dans le four pour maintenir l’induction et poursuivre la fusion. Un agitateur mécanique et un système de bullage de gaz assurent un brassage énergique du bain de verre fondu et permettent d’obtenir une bonne homogénéité thermique et chimique du verre. Dans le cadre des applications nucléaires, les fours d’élaboration de verre par induction en creuset froid ont été mis au point pour bénéficier de leurs deux principales caractéristiques. Premièrement, le refroidissement du creuset conduit à la formation d’une fine couche de verre figé qui le sépare du verre fondu et évite ainsi la corrosion. Sa durée de vie est considérablement augmentée, même lors de l’élaboration de matériaux très corrosifs à l’état fondu. Deuxièmement, le chauffage par induction directe dans le bain de verre fondu permet d’accroître la capacité d’élaboration de verre et d’atteindre des températures d’élaboration élevées. Cette caractéristique ouvre des perspectives de développement de nouveaux matériaux de confinement à taux d’incorporation supérieur, non réalisables dans le procédé actuel. Un creuset optimisé mis au point Le développement de cette technologie a été engagé au CEA/Valrhô-Marcoule depuis plus de 20 ans. Une étape importante a été la connexion d’un four à l’échelle 1 – dont le diamètre intérieur du creuset est égal à 650 mm – au calcinateur et au traitement des gaz du prototype inactif de l’une des unités de vitrification de La Hague (Prototype évolutif de vitrification PEV). Lorsque la maturité de cette technologie a été jugée suffisante, un groupe de travail tripartite, comprenant Areva, SGN et le CEA, a fixé les principales options de conceptions technologiques associées au développement du procédé de vitrification en creuset froid dans un environnement de type atelier de vitrification de La Hague. Les essais et développements effectués ont conduit à définir un creuset optimisé, réplique exacte de celui implanté à La Hague en 2009, et dont le démarrage en actif a eu lieu en avril 2010. Un pilote du creuset froid à l’échelle 1 a été réalisé et connecté au calcinateur du PEV existant, en lieu et place de l’ancien four, ce qui permet de disposer, en creuset froid verre figé (autocreuset) inducteur verre fondu
P.-F. Grosjean/CEA inactif, d’une totale représentativité du procédé qui sera exploité à La Hague. Cette technologie donne les moyens d’atteindre des températures de fusion plus élevées (1 200 °C à 1 400 °C), ouvrant la voie à une augmentation significative de la capacité de production de verre R7T7 ainsi qu’à l’élaboration de nouvelles matrices de confinement. Il faut citer par exemple : un vitrocristallin à 13% massiques d’oxyde de molybdène (MoO 3) qui a été développé pour le confinement des anciennes solutions de traitement des combustibles UMo (6) des réacteurs UNGG ; un verre de confinement de solutions sodiques de faible et moyenne activité et, à plus long terme, de nouveaux verres qui (6) Combustible UMo : il est composé d’uranium (U) métallique allié à du molybdène (Mo). Bloc de vitrocristallin de confinement des anciennes solutions de traitement des combustibles UMo des réacteurs UNGG. P.-F. Grosjean/CEA permettront d’envisager des taux d’incorporation des produits de fission plus élevés. D’autres applications pour le creuset froid Dans le cadre des actions de diffusion technologique du CEA, deux fours de diamètres respectifs 60 cm et 1,20 m ont été construits sous licence en 1995 et 1998 par la société EFD et mis en exploitation par la société FERRO à Saint-Dizier (Haute-Marne). Le four de 1,20 m de diamètre assure une production de 40 tonnes/mois d’émaux ou fritte de verre. Les avantages de cette technologie pour la production d’émail, destiné à la fabrication de tôle émaillée, sont l’absence de pollution par le réfractaire, la possibilité de fusion sans limitation de température, la facilité d’arrêt et de redémarrage pour changer de composition de verre, et la fiabilité du four. Des qualités indéniables La technologie de vitrification en creuset froid ouvre non seulement la voie à l’élaboration de nouvelles matrices de confinement, mais permet aussi d’anticiper les futures évolutions des usines de traitement des combustibles usés. Elle répond aux objectifs de simplification, de réduction de coûts de fonctionnement et de prise en compte d’une plus grande variété de déchets. Les creusets froids sont également potentiellement intéressants pour de nombreuses applications non nucléaires, en raison de leur fiabilité et de leur souplesse d’utilisation. > Roger Boën Département d’études du traitement et du conditionnement des déchets Direction de l’énergie nucléaire CEA Centre de Valrhô-Marcoule Vue d’ensemble du Prototype évolutif de vitrification (PEV) équipé d’un four à creuset froid, installé au CEA/Valrhô-Marcoule. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 21



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