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En anglaisRÉSUMÉ
Le développement des programmes de traitement des combustibles nucléaires utilisés dans les réacteurs de production d'électricité a conduit très tôt à trouver une solution scientifique et industrielle pour confiner les déchets ultimes liquides de haute activité et à vie longue. Grâce à ses capacités à confiner la trentaine de radionucléides présente dans les solutions de produits de fission, sa résistance aux dégâts d’irradiation et à l’échauffement, le verre borosilicaté reste un bon candidat pour solidifier les déchets liquides. Le procédé de vitrification des effluents radioactifs doit pouvoir maîtriser la fusion industrielle du verre et garantir des propriétés de stabilité (chimique, physique et thermique) à long terme, en conditions d'entreposage et de stockage.
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The development of programs for the processing of nuclear fuels used in electricity-generating reactors very quickly led to a scientific and industrial solution to confining the ultimate liquid high-activity and long-life waste. Due to its capacity to confine the thirty-odd radionuclides present in the solutions of fission products, its resistance to damage caused by irradiation and heating, borosilicate glass remains a good candidate for the solidification of liquid waste. The vitrification process of radioactive effluents must be able to master the industrial fusion of glass and ensure long-term stability properties (chemical, physical and thermal) in conditions of warehousing and storage.
Auteur(s)
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Thierry ADVOCAT : Chef du Laboratoire d'Étude de Base sur les Verres, au CEA-Valrhô, Marcoule
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Jean-Luc DUSSOSSOY : Ingénieur-Chercheur et Expert-Senior sur les matrices de confinement vitreuses au CEA-Valrhô, Marcoule
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Valérie PETITJEAN : Chef de Projet R&D, AREVA NC
INTRODUCTION
Dès la fin des années 1950, le développement des programmes de traitement des combustibles nucléaires utilisés dans les réacteurs de production d'électricité a conduit à trouver une solution scientifique et industrielle pour confiner les déchets ultimes liquides de haute activité et à vie longue (solutions nitriques de produits de fission PF). Les programmes de recherche engagés à cette époque, d'abord au Canada et en France, ont débouché, après un examen de divers composés solides cristallins tels que des micas phlogopite K(Si3Al)(Mg3)O10(OH)2 et les feldspaths (Na,K)AlSi3O8, sur le choix du verre borosilicaté pour solidifier le déchet liquide. Le verre est capable de confiner la trentaine de radionucléides présente dans les solutions de PF, non pas par enrobage, mais grâce à l'existence de liaisons chimiques avec des constituants oxydes formateurs de réseau vitreux. Le matériau verre permet une grande flexibilité chimique, comparativement à des structures cristallines, qui sont beaucoup plus spécifiques à l'insertion de certains éléments chimiques par substitution à des atomes de leur structure.
En parallèle aux études de formulation des verres nucléaires, un procédé technologique de vitrification continue des solutions de PF, capable de fabriquer le verre en milieu hautement radioactif, a été développé. La première démonstration en actif de la faisabilité du verre et de son procédé a été réalisée sur le pilote de vitrification PIVER à Marcoule en 1969. En 1978, la chaîne de vitrification en pot métallique cylindrique de l'Atelier industriel de Vitrification de Marcoule (AVM) a démarré pour confiner les déchets issus du traitement des combustibles usés des réacteurs à uranium naturel. À l'issue de développements complémentaires, ce procédé a été implanté dans six chaînes de vitrification des ateliers R7 et T7 sur le site de La Hague (AVH), respectivement en 1989 et 1992, où sont traités des combustibles usés à oxyde d'uranium enrichi. Le procédé actuellement mis en œuvre à La Hague se caractérise par deux étapes :
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une étape de calcination des solutions liquides de PF, vers 400 oC ;
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puis une étape de fusion à 1 100 oC dans un pot métallique ovoïde chauffé par induction électromagnétique. C'est dans ce pot de fusion que s'opère la fusion du mélange d'adjuvants de vitrification et du calcinat de PF. Après affinage, la fonte verrière est coulée puis solidifiée dans des conteneurs métalliques d'une contenance de 400 kg. À la date de leur démarrage, les installations AVM, R7 et T7 (ou AVH) ont eu à traiter les stocks accumulés de solution de produits de fission issus des opérations de retraitement démarées plus tôt. Depuis, les solutions de produits de fission de haute activité, issues du traitement des combustibles UOX, sont vitrifiées en ligne.
Des procédés de vitrification de solutions de produits de fission ont été également mis en œuvre dans plusieurs autres pays, à l'échelle industrielle. En Grande-Bretagne, trois chaînes de vitrification type AVH sont exploitées depuis le début des années 1990. Aux États-Unis, en Russie, au Japon, en Belgique (à l'arrêt maintenant), les solutions de produits de fission sont vitrifiées par alimentation liquide directe dans des fours céramiques chauffés par électrodes. L'Inde, qui a mis en œuvre initialement un procédé de vitrification en pot métallique cylindrique (type PIVER) avec alimentation liquide, est en train d'évoluer vers la technologie des fours céramiques.
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2. Procédés de vitrification des effluents radioactifs
Le procédé de vitrification français est fondé sur des fours métalliques de petite taille chauffés par induction, privilégiant la modularité et la souplesse d'exploitation, et spécialement conçus pour répondre aux exigences d'exploitation et de maintenance associées à la manipulation de produits hautement radioactifs. D'autres pays ont préféré reconduire et adapter des technologies utilisées traditionnellement dans l'industrie verrière, pour lesquelles il existait un large socle d'expérience et de connaissances : les fours céramiques à électrodes chauffés par effet Joule fonctionnant en continu.
La technologie plus récente des fours à induction directe en creuset froid, déjà mise en œuvre dans l'industrie verrière, ouvre par ailleurs des perspectives prometteuses pour la vitrification des déchets nucléaires.
2.1 Procédé de vitrification en creuset métallique chauffé par induction
Le procédé de vitrification, actuellement mis en œuvre industriellement en France à La Hague dans les ateliers R7 et T7 d'AREVA poux la vitrification des effluents liquides de haute activité, comporte deux étapes séparées :
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une étape de calcination des solutions liquides de produits de fission ;
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suivie d'une étape de fusion vers 1 100 oC dans un pot métallique chauffé par induction (figure 17).
En amont, les solutions à vitrifier (tableau 1) sont transférées via une roue doseuse et mélangées à un adjuvant de calcination (nitrate d'aluminium et solution de sucre). Le mélange s'écoule par gravité vers le calcinateur. La solution y est évaporée puis calcinée à environ 400 oC. Le calcinat, produit solide non collant, ainsi élaboré tombe par gravité, avec de la fritte de verre, dans le creuset métallique de vitrification appelé pot de fusion. Lorsque le verre a été élaboré et affiné (période de l'ordre de 8 heures), il est coulé dans un conteneur en acier inoxydable préchauffé. Le conteneur est rempli par deux coulées...
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - PHALIPPOU (J.) - Verres. Propriétés et applications. - Les Techniques de l'Ingénieur, Base Physique Chimie, [AF 3 601] (2001).
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