CH602997A5 - Liq. radioactive waste disposal - Google Patents

Description

  
 



   Les centrales nucléaires courantes utilisent des agents de refroidissement dans lesquels on trouve des impuretés, soit en solution soit sous forme de particules, qui sont contaminées radioactivement par interaction avec des neutrons ou par des éléments combustibles défectueux. D'autres sources de liquides ou de solides contaminés sont également présentes dans ces centrales.



  De tels agents contaminants sont retirés des liquides par filtrage et par des lits d'échange ionique. Les solides et liquides contaminés radioactivement et obtenus lors de ces traitements sont désignés par le terme résidus radioactifs et comprennent le plus souvent des résines de déminéralisation usées, des concentrés usés d'évaporateur, des cartouches de filtrage remplaçables, des boues de filtrage et des résidus chimiques neutralisés. Des considérations de sécurité exigent que   l'on    dispose d'un procédé de traitement de ces résidus radioactifs pour leur permettre d'être stockés temporairement puis d'être acheminés à un emplacement autorisé où ils sont enfouis afin d'être stockés pour une longue durée.



   L'un des procédés utilisés actuellement consiste à incorporer les résidus radioactifs dans une matrice solide et mobile utilisant un agent de liaison tel que du ciment ou de la formaldéhyde d'urée. On préfère le ciment comme agent de liaison aux matériaux organiques, car le ciment n'est pas combustible et car il résiste aux attaques chimiques et biologiques, le rendant ainsi plus sûr que les agents de liaison constitués par de la résine; le ciment est d'autre part bon marché et disponible en n'importe quelle quantité.



   Toutefois, certaines difficultés se présentent dans l'élimination des résidus radioactifs lorsqu'on les incorpore dans une matrice utilisant un ciment comme agent de liaison. L'une de ces difficultés réside dans la faible tolérance de la quantité de liquide nécessaire pour assurer le durcissement du ciment, donc l'utilisation de grands volumes de ciment relativement au volume de résidus traités, ce qui conduit à un faible taux de chargement (défini comme étant le nombre de kg de résidus liquides par dm3 de corps solides chargés) et à des coûts élevés. Une autre difficulté réside dans la longue durée de malaxage du mélange de résidus et de ciment qu'il faut pour assurer une distribution uniforme de l'agrégat résidus/corps solides jusqu'à ce que le ciment fasse prise, ce qui contribue également à augmenter le coût.

  Un autre inconvénient encore réside dans le fait que les déchets d'acide borique, qu'on trouve fréquemment dans les réacteurs à eau sous pression (le réfrigérant primaire dans les réacteurs à eau sous pression renferme de l'acide borique pour le contrôle chimique de la réactivité), ne peuvent pas être solidifiés directement en utilisant du ciment, mais doivent d'abord être absorbés dans des matériaux de dessiccation comme la vermiculite, ce qui augmente aussi le coût et diminue le taux de chargement. Une autre difficulté rencontrée de temps en temps réside dans la contraction lors du durcissement du mélange résidus/ciment, ce qui provoque des fissures indésirables dans le solide et libère du liquide contaminé.



   Le but principal de l'invention est l'établissement d'un procédé de traitement de résidus radioactifs, recourant à leur incorporation dans une matrice à l'aide d'un agent de liaison constitué par un ciment, dans lequel les difficultés mentionnées plus haut sont éliminées ou réduites.



   On a trouvé, conformément au procédé selon l'invention, que l'adjonction d'un silicate de métal alcalin ou d'un silicate de métal alcalino-terreux au mélange de résidus radioactifs et de ciment conduit à un certain nombre d'avantages par rapport aux procédés connus. Parmi ces avantages on peut citer: 1. un durcissement direct de tous les résidus radioactifs courants
 en provenance des centrales nucléaires, y compris les solutions
 d'acide borique; 2. un durcissement rapide sous forme d'un gel et en moins de
 2 mn, ce qui élimine la nécessité de devoir malaxer continuelle
 ment pour assurer l'homogénéité; 3.

  I'obtention d'une solidification maximale en moins de 7 j,
 comparée aux 28 j qu'il faut lorsque   l'on    utilise du ciment seul
 sans l'adjonction du silicate; 4. une augmentation de la rétention d'eau par rapport aux
 procédés n'utilisant pas le silicate, ceci étant dû à la grande
 capacité des silicates de fixer l'eau par hydratation; 5. la production de mélanges plus fluides, ce qui facilite le traite
 ment en lots ou le traitement en continu des résidus radioac
 tifs, et 7. un minimum de formation et de surveillance du personnel
 pour arriver à solidifier les résidus sous une forme permettant
 une manipulation sans danger et permettant le transport.



   Ces buts et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée de plusieurs modes d'exécution donnés à titre d'exemple.



   On se référera tout d'abord à un article récent de A.H. Kibbey et H.W. Godbee intitulé  A Critical Review of Solid Radioactive
Waste Practices at Nuclear Power Plants , publié en mars 1974 dans la revue ORNL-4924, qui, d'une part, décrit de façon détaillée les différents types et différentes sources de résidus radioactifs, les méthodes connues utilisant les ciments et les résines organiques pour former des matrices, et les avantages des ciments sur les résines organiques, et qui, d'autre part, illustre, sous forme d'un organigramme, différents systèmes de traitement des résidus radioactifs dans les réacteurs à eau bouillante et à eau sous pression. Ainsi, il n'est pas nécessaire de décrire en détail comment les déchets radioactifs sont obtenus; on notera toutefois qu'ils se présentent finalement sous la forme d'une solution liquide ou une boue pour être mélangée avec un ciment.

  Les résidus peuvent être accumulés pour être traités en discontinu (en lots) ou bien ils peuvent être traités en continu, ces deux procédés ayant été utilisés avec d'autres ciments.



   Dans un procédé typique de traitement discontinu, les résidus débarrassés de l'eau sont recueillis dans des réservoirs de malaxage des résidus. Des résidus liquides concentrés sont malaxés avec les résidus débarrassés de l'eau, de manière à former une boue, et cette boue est pompée à un débit déterminé dans une pompe de malaxage. Le matériau de cimentage sec est également introduit dans la pompe de malaxage. Après un malaxage approprié, on obtient un mélange de ciment et de résidus qui est homogène. Des détails sont fournis plus loin sur les proportions qu'il y a lieu d'observer, mais en général le mélange de ciment et de résidus renferme un excès de liquide relativement aux proportions normales utilisées pour le béton de construction.

  Il est préférable d'ajouter le silicate de métal alcalin ou le silicate de métal alcalino-terreux par injection sous forme d'une solution après la formation du mélange de résidus et de ciment. Ceci peut être avantageusement effectué en ajoutant le silicate au flot de résidus et de ciment lorsqu'il est versé dans un récipient approprié où il est destiné à durcir. Un récipient approprié peut être constitué par un récipient protégeant contre le rayonnement, tel qu'un tambour en acier, bien que d'autres matériaux, tels que du béton, peuvent être également utilisés pour le récipient.



   Les ciments pouvant être utilisés dans le procédé selon l'invention comprennent le ciment Portland (tous les types), le ciment naturel (tous les types), le ciment de maçonnerie (tous les types), le gypse, le ciment de gypse ou le plâtre, le plâtre de Paris, la chaux (vive ou éteinte), et les pouzzolanes, tous ces matériaux durcissant sous l'effet d'une combinaison de réactions d'hydrolyse et d'hydratation lorsqu'on leur ajoute de l'eau. Le ciment préféré est constitué par le ciment Portland de type   II,    étant donné qu'il est bon marché et facile à obtenir.

 

   Bien qu'en général les silicates de métal alcalin ou les silicates de métal alcalino-terreux puissent être utilisés comme additif, il est préférable d'utiliser le silicate de sodium étant donné qu'il est bon marché et facile à obtenir.



   Les proportions de résidus radioactifs, de matériau de cimentage et d'additif dans le mélange peuvent varier dans de larges limites. En général, la boue ou le mélange final contiendra un  excès de résidus. En d'autres termes, la quantité de résidus présente dans la boue dépassera les quantités combinées de matériau de cimentage et de silicate, déterminée sous la forme de parties en poids. Pour solidifier 100 parties en poids de résidus radioactifs, il est indiqué d'utiliser 20 à 100 parties en poids de matériau de cimentage et 5 à 50 parties en poids d'additif constitué par du silicate. Le silicate constituera de préférence 3 à 15% en poids du mélange final.

  Etant donné que, dans le procédé de traitement des résidus, I'accent est mis sur une amélioration de la fixation du liquide dans le produit solidifié, afin de permettre à un maximum de résidus d'être incorporé dans un volume final minimal, il est préférable d'utiliser des proportions relativement élevées de silicate, par exemple au moins 20% en poids du mélange de ciment et d'additif. Les meilleurs résultats sont obtenus avec 25 à 70 parties en poids de ciment Portland et 5 à 25 par
 ties en poids de silicate de sodium pour 100 parties en poids de
 résidus. Ce qui constitue un optimum pour certains résidus ne
 constitue pas nécessairement un optimum pour d'autres résidus,
 mais de simples essais avec différents échantillons de résidus,
 permettront aux hommes du métier d'obtenir les proportions
 optimales sans grand effort.

  Les exemples indiqués ci-dessous
 donnent des proportions qui ont conduit à d'excellents résultats
 pour différents résidus caractéristiques en provenance de diffé
 rentes centrales nucléaires. Les exemples donnés dans le tableau I ci-dessous sont destinés à solidifier 100 parties (toutes en poids)
 du résidu décrit, ceci en utilisant du ciment Portland du type   II    et
 du silicate de sodium obtenu commercialement sous la forme d'un
 silicate de sodium de 41 B qui est une solution aqueuse de
   Na2SiO3    dont la densité est de 1,35-1,45 g/cm3 (les 41  ont été
 déterminés avec un   hydrométre    gradué en degrés Baumé):
 Tableau I
 Résidus 100 parties Ciment   Na2SiO3    à   41"B   
 1. Résidus d'acide borique, jusqu'à 12% de H3BO3 ajusté au pH avec du NaOH . 70 25
 2.

  Eau de déchet, teneur de matériaux solides dissous approximativement égale à l'eau    brute ... ... . . ...... 50 10   
 3. Résidus formés par une solution de Na2SO4 jusqu'à 25% de Na2SO4 avec un pH
 d'environ 7 ...   .........      ........    .. . . 50 10
 4. Boue aqueuse de billes de résine échangeuse d'ions, usée ............... 25 5
 5. Boue aqueuse de poudre de résine échangeuse d'ions, usée ................... 25 10
 Dans les exemples donnés dans le tableau   II    ci-dessous, les valeurs sont données en kg/dm3 de solide produit. Le ciment et l'additif utilisés sont les mêmes qu'au tableau I:
 Tableau   II   
 Résidu Résidu Ciment Silicate
 de sodium    6. Fond d'évaporateur résiduel . ... ..... ... .... ..... ... 0,714 0,499 0,133   
 7.

  Fond d'évaporateur de régénération .   ........    0,906 0,408 0,094
 8. Gâteau de filtrage. Fond d'évaporateur inclus .   .......      .......      .......    0,560 0,331 0,099
 9. Billes de résine usée. Fond d'évaporateur inclus   ..      ...    ... 0,688 0,367 0,093
 0,168
 10. Flocons de Powdex/solka. Fond d'évaporateur inclus   ..    ........ 0,512 0,288 0,144
 0,369
 Comme mentionné plus haut, l'équipement destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est semblable à celui utilisé pour d'autres procédés connus utilisant du ciment seul ou de la résine comme liant.

  Les réservoirs de malaxage des déchets et les pompes d'alimentation sont utilisées pour préparer les résidus et amener les résidus à un débit déterminé dans un malaxeur travaillant de façon continue. Les résidus eux-mêmes comprennent normalement suffisamment de liquide pour former une boue très fluide. Si tel n'est pas le cas, on peut rajouter la quantité de liquide nécessaire. Le silicate lui-même est avantageusement ajouté sous la forme d'une solution liquide. Il se mélange facilement avec la boue très fluide de ciment et de résidus.

  Le malaxage peut être effectué dans le mélangeur agissant de façon continue, mais étant donné que la boue formée par les déchets, le ciment et le silicate se gélifie rapidement, il est préférable d'ajouter la solution de silicate lorsque la boue de résidus et de ciment est introduite dans un récipient mobile, tel qu'un tambour en acier, qui offre une protection supplémentaire contre les radiations et constitue en outre un récipient pratique pour le transport de la masse solidifiée. Le silicate peut être ajouté par l'ouverture de remplissage du récipient, par exemple à l'aide d'un tube concentrique au tuyau de remplissage, à la façon dont le catalyseur est ajouté aux mélanges de résine. Si le pH des résidus est acidique, il est préférable de le neutraliser ou de le rendre légèrement basique en ajoutant une base appropriée telle que le NaOH.

  Exprimé sur la base d'un débit volumétrique, pour un débit de résidus de 28,39 I/mn (7,5 gpm), on aura un débit de ciment et de silicate avec 20,6 kg/mn de ciment Portland et 3,79 I/mn de silicate de sodium. Ces débits permettent le remplissage d'un récipient de 28,31 dm3 en 40 mn environ. La gélification débute environ 2 mn après le remplissage du récipient. La solidification à la dureté maximale s'effectue en moins de 5 j. Il en résulte que   l'on    obtient un corps solide mobile ne présentant aucune surface liquide et ne donnant pas lieu à des risques lors de sa manipulation, son transport et son stockage à long terme dans des lieux d'enfouissement autorisés.



   Le principal avantage obtenu de l'utilisation d'une addition de silicate est d'étendre l'étroite tolérance de la partie liquide pouvant être ajoutée aux ciments usuels et, en particulier, d'augmenter l'absorption de liquide, ce qui augmente le rendement du transport, améliore l'utilisation du récipient en éliminant la tendance qu'ont les résidus de s'entasser, en raison du fait que le mélange  est plus fluide, et permet une solidification de résidus, tels que les solutions de borate concentrées, qui ne pouvaient pas être solidifiées jusqu'ici avec un liant constitué par du ciment. 

  Sous toutes réserves, il semble que les résultats ci-dessus sont dus en partie au fait que le silicate ajouté augmente le nombre d'emplacements d'hydratation disponibles pour lier chimiquement l'eau dans le produit solide en augmentant ainsi le volume du liquide pouvant être incorporé dans un solide pour une quantité donnée de matériau de cimentage. Il semble également que l'adjonction de silicate catalyse le processus de durcissement du ciment en améliorant les liaisons intermoléculaires par des réactions d'hydrolyse. 

Claims (1)

1. REVENDICATION

   Procédé de traitement de résidus radioactifs selon lequel on forme une boue de résidus radioactifs et de matériau de cimentage dans un malaxeur, on transfère ensuite la boue du malaxeur à un récipient d'emmagasinage et de transport et on laisse durcir la boue dans celui-ci, caractérisé en ce qu'on ajoute à la boue, avant le durcissement, un silicate de métal alcalin ou un silicate de métal alcalino-terreux, et en ce qu'on ajoute pour 100 parties en poids de résidus radioactifs renfermés dans la boue 20à 100 parties en poids de matériau de cimentage et 5 à 50 parties en poids de silicate, la quantité de résidus présente dans la boue dépassant la quantité combinée de matériau de cimentage et de silicate.

   SOUS-REVENDICATIONS 1. Procédé selon la revendication, caractérisé en ce que le récipient de transport est constitué par un tambour en acier.

   2. Procédé selon la revendication, caractérisé en ce que le matériau de cimentage est constitué par du ciment Portland et le silicate est constitué par du silicate de sodium, et en ce que, pour 100 parties en poids de résidus, on prévoit de 25 à 70 parties en poids de ciment et de 5 à 25 parties en poids de silicate.

   3. Procédé selon la revendication, caractérisé en ce que le silicate est renfermé dans la boue avant le transfert de celle-ci au récipient.

   4. Procédé selon la revendication, caractérisé en ce que le silicate est ajouté à la boue pendant que celle-ci est transférée au récipient.

   5. Procédé selon la sous-revendication 2, caractérisé en ce que la quantité de silicate ajoutée constitue au moins 20% en poids du ciment et silicate ensemble.

   6. Procédé selon la sous-revendication 2, caractérisé en ce que le silicate ajouté constitue de 3 à 15% en poids de la boue finale.

   7. Procédé selon la revendication, caractérisé en ce que le matériau de cimentage est constitué par du ciment Portland.

   8. Procédé selon la revendication, caractérisé en ce que le silicate est du silicate de sodium.