EP0241364A1 - Process for immobilizing nuclear wastes in a borosilicate glass - Google Patents
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Abstract
Description
Les déchets nucléaires de haute activité - comme les produits de fission - ou de longue période tels que les actinides sont actuellement immobilisés dans des verres borosilicatés qui présentent des garanties de sûreté suffisantes pour l'homme et l'environnement.High-level nuclear waste - such as fission products - or long-lived waste such as actinides is currently immobilized in borosilicate glasses which offer sufficient guarantees of safety for man and the environment.
Le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA) a développé un procédé industriel de vitrification des produits de fission (PF).The French Atomic Energy Commission (CEA) has developed an industrial vitrification process for fission products (PF).
Ce procédé (dit AVM) consiste à calciner la solution de PF et à envoyer le calcinat obtenu, simultanément avec une fritte de verre, dans un four de fusion. En quelques heures, à une température de l'ordre de 11OO°C on obtient un verre qui est coulé dans des conteneurs métalliques.This process (known as AVM) consists in calcining the FP solution and in sending the calcinate obtained, simultaneously with a glass frit, to a melting furnace. In a few hours, at a temperature of the order of 11OO ° C., a glass is obtained which is poured into metal containers.
La fritte de verre est composée principalement de silice et d'anhydride borique, plus les autres oxydes (sodium, aluminium, etc.) nécessaire pour que la formulation totale calcinat + fritte donne un verre élaborable par les techniques verrières connues et remplissant les conditions de sûreté pour le stockage (conditions sur la lixiviation, la tenue mécanique...).The glass frit is composed mainly of silica and boric anhydride, plus the other oxides (sodium, aluminum, etc.) necessary for the total formulation of calcinate + frit to give a glass which can be produced by known glass techniques and fulfilling the conditions of safety for storage (conditions on leaching, mechanical strength, etc.).
Dans le four de fusion, il y a digestion du calcinat qui s'incorpore dans la structure vitreuse. La température doit être choisie assez haute pour hâter la digestion mais sans avoir un effet néfaste sur la durée de vie du four.In the melting furnace, there is digestion of the calcinate which is incorporated into the glass structure. The temperature should be chosen high enough to hasten digestion but without having a detrimental effect on the life of the oven.
Pour faciliter la formation d'une structure vitreuse contenant tous les éléments nécessaires, y compris les PF, la demanderesse a développé un procédé dans lequel les constituants du verre sont mélangés en milieu aqueux de façon à former une solution gélifiée.To facilitate the formation of a glass structure containing all the necessary elements, including the FPs, the applicant has developed a process in which the constituents of the glass are mixed in an aqueous medium so as to form a gelled solution.
Il est par ailleurs connu que l'obtention d'un verre à partir d'une solution gélifiée (encore appelée "voie des gels") peut se faire à des température inférieures à celles nécessaires avec les oxydes ("voie des oxydes").It is also known that obtaining a glass from a gelled solution (also called "gels route") can be done at temperatures lower than those necessary with the oxides ("oxides route").
On vise essentiellement la fabrication par voie des gels de verres avant la même formulation que ceux actuellement préparés par la voie des oxydes, ainsi que le montreront les exemples, mais toute formulation borosilicatée acceptable pour le conditionnement des déchets peut être préparée.The main objective is the manufacture by gels of glasses before the same formulation as those currently prepared by the oxide route, as the examples will show, but any borosilicate formulation acceptable for packaging waste can be prepared.
Dans la suite du texte, les termes suivants seront employés dans le sens défini ci-dessous :
. adjuvant de vitrification : c'est l'ensemble des constituants du verre final autres que les constituants provenant des déchets nucléaires et sauf B et Si. Cet adjuvant ne contient donc pas d'éléments nucléaires actifs. Dans le procédé AVM, il est inclus dans une fritte de verre ; dans le procédé objet de l'invention, c'est une solution aqueuse,
. verre final : il s'agit du verre dans lequel les déchets nucléaires sont immobilisés,
. sol : c'est une solution d'acide orthosilicique ; celui-ci instable évolue en se polymérisant. Les sols commerciaux, tels que le Ludox ® (du Pont de Nemours), sont des solutions stabilisées dans lesquelles se trouvent des particules de silice en partie hydratées, ces particules colloïdales sont des polymères dont l'évolution a été stoppée mais peut être débloquée par acidification par exemple,
. solution gélifiée ou gel : c'est une solution homogène, de viscosité variable qui va d'une solution qui s'écoule à une masse figée, selon l'avancement de la polymérisation.In the following text, the following terms will be used in the sense defined below:
. vitrification adjuvant : it is all the constituents of the final glass other than the constituents originating from nuclear waste and except B and Si. This adjuvant therefore does not contain active nuclear elements. In the AVM process, it is included in a glass frit; in the process which is the subject of the invention, it is an aqueous solution,
. final glass : this is the glass in which nuclear waste is immobilized,
. soil : it is a solution of orthosilicic acid; this unstable evolves by polymerizing. Commercial soils, such as Ludox ® (from Pont de Nemours), are stabilized solutions in which partially hydrated silica particles are found, these colloidal particles are polymers whose evolution has been stopped but can be unlocked by acidification for example,
. gelled solution or gel : it is a homogeneous solution, of variable viscosity which goes from a flowing solution to a fixed mass, according to the progress of the polymerization.
On connaît une voie pour préparer les gels en milieu aqueux dite méthode sol-gel consistant à utiliser un sol dans l'eau et à le déstabiliser en modifiant le pH provoquant ainsi la gélification de cette solution.A way is known for preparing the gels in an aqueous medium, known as the sol-gel method, which consists in using a sol in water and in destabilizing it by modifying the pH, thus causing this solution to gel.
Les publications s'y réferant sont :
SARZYCKI J. -Jl of Materials Science 17 (1982) p 3371-3379
JABRA R. - Revue de Chimie Minérale, t. 16, 1979, p 245-266
PHALIPPOU J. - Verres et Réfractaires, Vol. 35, no 6, Novembre, décembre 1981.The related publications are:
SARZYCKI J. -Jl of Materials Science 17 (1982) p 3371-3379
JABRA R. - Revue de Chimie Minérale, t. 16, 1979, p 245-266
PHALIPPOU J. - Glasses and Refractories, Vol. 35, No. 6, November, December 1981.
La littérature décrit la préparation d'un verre SiO₂-B₂O₃ par la méthode sol-gel :
- addition d'une solution de Ludox amenée à pH : 2 à une solution de tétraborate d'ammonium aqueux amenée aussi à pH : 2 ;
- mélange sous agitation pendant 1 h (avec ajout éventuel d'ammoniaque pour amener le milieu à pH : 3,5 très favorable à la gélification)
si la solution obtenue est exempte de précipiration ou de floculation, elle est considérée comme un gel satisfaisant
- séchage 8 h à 1OO°C puis 15 h à 175°C sous vide de O,1 mm Hg
- pressage à chaud (45O bars - 5OO à 9OO°C - 15 min à 5 h) pour densifier et vitrifier (la fusion est un autre moyen).The literature describes the preparation of a SiO₂-B₂O₃ glass by the sol-gel method:
- addition of a Ludox solution brought to pH: 2 to a solution of aqueous ammonium tetraborate also brought to pH: 2;
- mixture with stirring for 1 h (with possible addition of ammonia to bring the medium to pH: 3.5 very favorable for gelling)
if the solution obtained is free of precipitation or flocculation, it is considered to be a satisfactory gel
- drying 8 h at 100 ° C then 15 h at 175 ° C under vacuum of 0.1 mm Hg
- hot pressing (45O bars - 5OO to 9OO ° C - 15 min to 5 h) to densify and vitrify (fusion is another means).
Jusqu'à présent, seuls ont été préparés des verres binaires ou ternaires par cette méthode parce que la multiplicité des cations présents rend difficile le contrôle de la gélification et même son obtention.Until now, only binary or ternary glasses have been prepared by this method because the multiplicity of cations present makes it difficult to control gelation and even to obtain it.
Ainsi, pour élaborer un berre de même composition que la fritte de verre utilisée dans le procédé de vitrification actuel, il faudrait :
B₂O₃, SiO₂, Al₂O₃, Na₂O, ZnO, CaO, Li₂O, ZrO₂.Thus, to develop a berre of the same composition as the glass frit used in the current vitrification process, it would be necessary:
B₂O₃, SiO₂, Al₂O₃, Na₂O, ZnO, CaO, Li₂O, ZrO₂.
Or, il est connu que :
- le bore rend très difficile la gélification (dans le procédé HITACHI décrit plus loin, le bore est rajouté d'ailleurs après formation du gel) notamment du fait de la grande insolubilité de nombreux composés du bore et favorise la recristallisation dans les gels mixtes,
- l'aluminium favorise la précipitation au détriment de la gélification, ce qui s'oppose au résultat cherché,
- le sodium, le calcium et le zirconium entraînent la formation de cristaux constituant ultérieurement des points fragiles pouvant entraîner des destructions locales.However, it is known that:
the boron makes gelation very difficult (in the HITACHI process described below, the boron is also added after formation of the gel) in particular due to the high insolubility of many boron compounds and promotes recrystallization in mixed gels,
- aluminum promotes precipitation to the detriment of gelling, which is opposed to the desired result,
- Sodium, calcium and zirconium lead to the formation of crystals which later constitute fragile points which can cause local destruction.
La multiplicité des composants conduit donc l'homme de l'art à s'interroger sur la façon de les introduire et leur ordre d'introduction.The multiplicity of components therefore leads those skilled in the art to question how to introduce them and their order of introduction.
La complexité des composants au niveau du procédé de vitrification, avec à la fois ceux
- de l'adjuvant de vitrification (Al₂O₃, Na₂O, ZnO, CaO, Li₂O, ZrO₂) plus B₂O₃ et SiO₂,
- de la solution de PF à vitrifier (une vingtaine de cations différents !)
a conduit les industriels à développer sur la base des gels deux procédés :
- 1) Westinghouse et le US Department of Energy ont développé un procédé de vitrification de solutions actives avec préparation de gels mais en milieu alcoolique (alcogels) - Brevets US 4 43O 257 et US 4 422 965 - Leur procédé peut se résumer ainsi :
- mélange et hydrolyse des constituants inactifs du gel en milieu alcool-eau, les constituants étant introduits sous forme X(OR)n
par exemple : Si(OR)₄, B(OR)₃...
- élimination de l'azéotrope eau-alcool et obtention d'un gel sec,
- addition de la solution de déchets nucléaires (le composé final contenant 3O-4O % au maximum en déchets) ajustée à pH : 4 à 6,
- séchage,
- fusion.
Le gel préparé à partir de composés X(OR)n en milieu alcoolique peut être obtenu plus facilement car on ne se heurte pas aux problèmes de solubilité et de plus l'effet peptisant de l'eau à haute température est éliminé par emploi de l'alcool.
Inconvénient majeur d'un tel procédé : le milieu alcoolique sujet à incendie, explosion... d'où la nécessité d'éliminer l'alcool avant introduction des déchets nucléaires, ce qui oblige à une opération supplémentaire peu pratique à mettre en oeuvre. - 2) Le procédé HITACHI dans lequel le gel est obtenu à partir de la solution de PF dans une solution de silicate de sodium, le bore (sous forme B₂O₃) n'étant rajouté qu'après gélification, ce qui oblige à effectuer une calcination du gel à au moins 6OO°C pendant le temps nécessaire (3 h, cité comme exemple) à la diffusion du bore dans la matrice silicate pour former la structure borosilicatée, l'homogénéité du produit restant un problème.
- 3) Publication : UETAKE N. - Nuclear Technology, Vol 67, novembre 1984.
- vitrification adjuvant (Al₂O₃, Na₂O, ZnO, CaO, Li₂O, ZrO₂) plus B₂O₃ and SiO₂,
- FP solution to be vitrified (around twenty different cations!)
has led manufacturers to develop two processes on the basis of gels:
- 1) Westinghouse and the US Department of Energy have developed a process for vitrifying active solutions with preparation of gels but in alcoholic medium (alcogels) - US Patents 4,430,257 and US 4,422,965 - Their process can be summarized as follows:
- mixing and hydrolysis of the inactive constituents of the gel in an alcohol-water medium, the constituents being introduced in X (OR) n form
for example: If (OR) ₄, B (OR) ₃ ...
- elimination of the water-alcohol azeotrope and obtaining a dry gel,
- addition of the nuclear waste solution (the final compound containing 3O-4O% maximum in waste) adjusted to pH: 4 to 6,
- drying,
- merger.
The gel prepared from compounds X (OR) n in alcoholic medium can be obtained more easily because there is no problem of solubility and moreover the peptizing effect of water at high temperature is eliminated by using l 'alcohol.
Major drawback of such a process: the alcoholic environment subject to fire, explosion ... hence the need to eliminate the alcohol before the introduction of nuclear waste, which requires an additional operation that is impractical to implement. - 2) The HITACHI process in which the gel is obtained from the solution of PF in a solution of sodium silicate, the boron (in B₂O₃ form) being added only after gelation, which requires calcination of the gel at least 6OO ° C for the time necessary (3 h, cited as an example) for the diffusion of boron in the silicate matrix to form the borosilicate structure, the homogeneity of the product remaining a problem.
- 3) Publication: UETAKE N. - Nuclear Technology, Vol 67, November 1984.
Il ressort de cette analyse que le mélange des solutions (PF + autres composants) dès le départ semblait impossible, tout les composants n'étant pas compatibles entre eux pour la préparation de gels.It emerges from this analysis that the mixing of solutions (PF + other components) from the start seemed impossible, all the components which are not compatible with each other for the preparation of gels.
De plus, se posait le problème de l'homogénéité du gel. Il fallait agiter mais point trop. En effet, les spécialistes considéraient que le gel doit finir de se constituer au repos (après mélange sous agitation) pendant plusieurs heures, toute agitation pouvant alors provoquer des destructions locales.In addition, there was the problem of the homogeneity of the gel. It was necessary to shake but not too much. Indeed, the specialists considered that the gel must finish constituting at rest (after mixing with stirring) for several hours, any stirring being able to then cause local destruction.
La demanderesse a trouvé un procédé pour l'immobilisation des déchets nucléaires dans un verre borosilicaté, caractérisé en ce que tous les constituants du verre sont introduits en même temps dans une zone de mélange, le mélange ayant lieu sous forte agitation en milieu aqueux dans des conditions de température (25-1OO°C, 65-7O°C de préférence), pH (acide et entre 2,5 et 3,5 de préférence) et proportions déterminées (selon la composition voulue pour le verre final), les constituants du verre étant composés de :
- un précurseur de gel à base de silice,
- une solution aqueuse concentrée d'un composé du bore,
- des solutions aqueuses concentrées des autres constituants, c'est-à-dire :
. la solution des déchets nucléaires à traiter,
. la solution d'adjuvant de vitrification.The Applicant has found a process for the immobilization of nuclear waste in a borosilicate glass, characterized in that all the constituents of the glass are introduced at the same time into a mixing zone, the mixing taking place with vigorous stirring in an aqueous medium in temperature conditions (25-1OO ° C, 65-7O ° C preferably), pH (acid and between 2.5 and 3.5 preferably) and determined proportions (depending on the composition desired for the final glass), the constituents glass being composed of:
- a silica-based gel precursor,
- a concentrated aqueous solution of a boron compound,
- concentrated aqueous solutions of the other constituents, that is to say:
. the solution of the nuclear waste to be treated,
. the vitrification aid solution.
Le mélange obtenu est séché, calciné (3OO-5OO°C) et enfin fondu (1OOO-115O°C) pour obtenir le verre final.The mixture obtained is dried, calcined (3OO-5OO ° C) and finally melted (1OOO-115O ° C) to obtain the final glass.
On définit une forte agitation par la vitesse d'agitation : le dispositif d'agitation tourne à plus de 5OO tr/min, de préférence 2OOO tr/min, et l'épaisseur de la couche agitée (distance entre la paroi du récipient et une pale d'agitation) ne dépasse pas 1O % du diamètre de la pale. Ce peut être par exemple une turbine, un mixer ou plus simplement un agitateur mécanique tournant dans une section étroite.Strong stirring is defined by the stirring speed: the stirring device rotates at more than 5000 rpm, preferably 2OOO rpm, and the thickness of the stirred layer (distance between the wall of the container and a stirring blade) does not exceed 10% of the diameter of the blade. It can for example be a turbine, a mixer or more simply a mechanical agitator rotating in a narrow section.
Dans l'état actuel des connaissances, il y a tout lieu de penser que l'agitation doit être d'autant plus intense donc d'autant plus courte que les risques de précipitation sont plus élevés. Il faut en effet faire en sorte que l'on réalise, par agitation, un mélange homogène en un temps très court, vis-à-vis de la durée de la précipitation ; et que le gel se forme aussi rapidement que possible de façon à figer les divers ions et, en empêchant toute diffusion de ces ions, d'éviter une éventuelle réaction desdits ions entre eux.In the current state of knowledge, there is every reason to think that the agitation must be all the more intense therefore all the shorter the higher the risk of precipitation. It is in fact necessary to ensure that a homogeneous mixture is produced by stirring in a very short time, with respect to the duration of the precipitation; and that the gel also forms as quickly as possible so as to freeze the various ions and, by preventing any diffusion of these ions, to avoid a possible reaction of said ions with one another.
Les solutions utilisées sont des solutions concentrées, dans le but de fabriquer rapidement un gel et de minimiser la quantité d'eau à évaporer, ainsi que l'expliciteront la description et les exemples. Il est difficile de donner une limite exacte en concentration pour chacun des composés, mais on peut raisonnablement situer la concentration des solutions à au moins 75 % de la concentration de saturation.The solutions used are concentrated solutions, with the aim of rapidly manufacturing a gel and minimizing the amount of water to be evaporated, as will be explained in the description and the examples. It is difficult to give an exact concentration limit for each of the compounds, but the concentration of the solutions can reasonably be situated at least 75% of the saturation concentration.
Le procédé peut être appliqué à diverses solutions de déchets nucléaires. Il convient particulièrement bien à la vitrification des solutions de PF seules ou avec d'autres effluents actifs, par exemple la solution sodée de lavage du tributylphosphate utilisé pour l'extraction de l'uranium et du plutonium ; la solution sodée de lavage pouvant même être traitée seule par ce procédé. Les solutions de PF sont des solutions nitriques issues du retraitement des combustibles, elles contiennent un grand nombre d'éléments sous des formes chimiques diverses et une certaine quantité d'insolubles. Un exemple de composition est donné plus loin.The method can be applied to various nuclear waste solutions. It is particularly suitable for the vitrification of FP solutions alone or with other active effluents, for example the soda solution for washing tributylphosphate used for the extraction of uranium and plutonium; the sodium washing solution can even be treated alone by this process. FP solutions are nitric solutions resulting from the reprocessing of fuels, they contain a large number of elements in various chemical forms and a certain amount of insolubles. An example of composition is given below.
L'effluent sodé est à base de carbonate de sodium et contient éventuellement des traces organiques phosphorées entraînées par le lavage (exemple 3).The soda effluent is based on sodium carbonate and possibly contains organic phosphorus traces entrained by washing (example 3).
Dans l'exposé du procédé, on appellera précurseur de gel une substance contenant des particules de silice, éventuellement partiellement hydrolysée, se présentant soit à l'état de poudre qui, mise en solution acide, peut produire un sol, soit directement sous forme d'un sol.In the description of the process, a substance containing silica particles, possibly partially hydrolyzed, which is either in the form of a powder which, when dissolved in acid, can produce a sol, or directly in the form of a gel, will be called a gel precursor. 'a floor.
Des précurseurs de gel vendus dans le commerce et avantageusement utilisés dans le procédé peuvent être par exemple un sol tel que le Ludox ® ou bien l'Aérosil ® qui est formé par hydrolyse en phase gazeuse de tétrachlorure de silicium. En milieu acide, l'Aérosil conduit à un sol puis à une masse gélifiée ferme.Gel precursors sold commercially and advantageously used in the process can for example be a sol such as Ludox® or else Aerosil® which is formed by hydrolysis in the gas phase of silicon tetrachloride. In an acidic environment, the Aerosil leads to a soil then to a firm gelled mass.
Le Ludox est amené en solutiontêlquel. L'Aérosil par contre peut être pris soit en solution soit directement sous forme de poudre, cela en fonction de la technologie employée.The Ludox is brought in a solution. Aerosil on the other hand can be taken either in solution or directly in the form of powder, depending on the technology used.
Le précurseur de gel est placé, en milieu aqueux acide, suivant le procédé objet de l'invention, de sorte qu'il se transforme en une solution gélifiée par polymérisation à partir des liaisons Si-OH-.The gel precursor is placed in an acidic aqueous medium, according to the process which is the subject of the invention, so that it becomes a gelled solution by polymerization from Si-OH- bonds.
Le bore nécessaire pour former la structure borosilicatée est amené par la solution aqueuse d'un composé boré suffisamment soluble tel que le tétraborate d'ammonium (TBA) qui présente une solubilité d'environ 3OO g/l soit 15,1 % B₂O₃. De préférence, la solution est élaborée et utilisée à 65-7O°C. L'acide borique peut tout aussi bien être employé, sa solubilité est d'environ 13O g/l à 65°C soit 6,5 % B₂O₃, elle est augmentée en présence d'ions Na⁺ quand Na/B ≃ O,23.The boron necessary to form the borosilicate structure is brought by the aqueous solution of a boron compound sufficiently soluble such as ammonium tetraborate (TBA) which has a solubility of approximately 3OO g / l or 15.1% B₂O₃. Preferably, the solution is prepared and used at 65-7O ° C. Boric acid can just as easily be used, its solubility is around 13O g / l at 65 ° C or 6.5% B₂O₃, it is increased in the presence of Na⁺ ions when Na / B ≃ O, 23 .
Pour préparer la solution de l'adjuvant de vitrification, il convient d'employer des composés contenant les éléments voulus qui soient solubles dans l'eau, à la température du procédé, qui soient compatibles entre eux, qui ne rajoutent pas inutilement d'autres ions et dont les ions ne participant pas à la structure du verre final sont facilement éliminés par chauffage. Ce sont par exemple des solutions de nitrates lorsque des solutions de PF nitriques sont traitées. Les composés solides sont toujours dissous de préférence dans la quantité minimale d'eau de façon à minimiser les volumes traités et les quantités d'eau à évaporer.To prepare the solution of the vitrification aid, it is necessary to use compounds containing the desired elements which are soluble in water, at process temperature, which are compatible with each other, which do not unnecessarily add other ions and whose ions not participating in the structure of the final glass are easily removed by heating. They are, for example, nitrate solutions when nitric FP solutions are treated. The solid compounds are always preferably dissolved in the minimum quantity of water so as to minimize the volumes treated and the quantities of water to be evaporated.
Les proportions dans lesquelles ces solutions sont préparées (à l'exception des solutions de déchets) et mélangées dépendent de la formulation du verre final désirée. On peut considérer que les éléments constitutifs du verre ne sont pratiquement pas volatilisés et que la composition du verre final obtenue correspond pratiquement à celle du mélange élaboré. Dans les exemples, une formulation de verre acceptable est indiquée. La composition qualitative et quantitative de l'adjuvant de vitrification est adaptée en fonction de la composition du verre final et de celle de la solution de déchets à traiter.The proportions in which these solutions are prepared (with the exception of waste solutions) and mixed depend on the formulation of the final glass desired. It can be considered that the constituent elements of the glass are practically not volatilized and that the composition of the final glass obtained practically corresponds to that of the mixture produced. In the examples, an acceptable glass formulation is indicated. The qualitative and quantitative composition of the vitrification aid is adapted according to the composition of the final glass and that of the waste solution to be treated.
Le mélange est effectué entre 2O et 8O°C. Les solutions à traiter sont prises à la température à laquelle elles sont ; la solution des PF, du fait que son activité, arrive à l'unité de traitement entre 2O et 4O°C. La solution concentrée du composé boré est maintenue pour éviter la précipitation entre 5O et 8O°C. Les autres solutions sont élaborées à température ambiante. Il est alors possible soit de mélanger les solutions à la température à laquelle elles sont elaborées ou amenées, soit de porter toutes les solutions (sauf celles des déchets prises telles quelles) à une température plus élevée avant de les mélanger.The mixing is carried out between 20 ° and 80 ° C. The solutions to be treated are taken at the temperature at which they are; the FP solution, due to the fact that its activity arrives at the treatment unit between 20 ° and 40 ° C. The concentrated solution of the boron compound is maintained to avoid precipitation between 50 ° and 80 ° C. The other solutions are developed at room temperature. It is then possible either to mix the solutions at the temperature at which they are developed or brought, either to bring all the solutions (except those of the waste taken as is) to a higher temperature before mixing them.
Ce dernier cas présente l'avantage suivant. Après que le mélange a eu lieu et que la solution gélifiée a commencé à se former, la polymérisation (la gélification) se développe pendant un temps dit de maturation. L'élévation de température la favorise. On a donc tout avantage à élaborer le mélange entre 5O°C et 8O°C. La maturation de la solution gélifiée a lieu, dans le procédé objet de l'invention, pendant le séchage, à 1OO-1O5°C de préférence.The latter has the following advantage. After mixing has taken place and the gelled solution has started to form, the polymerization (gelling) takes place during a so-called maturation time. The rise in temperature favors it. It is therefore very advantageous to prepare the mixture between 50 ° C. and 80 ° C. The gelling solution matures in the process which is the subject of the invention, during drying, preferably at 100-150 ° C.
Les solutions des constituants du verre présentent des pH différents : le précurseur de gel en solution est acide (tel que l'Aérosil en solution nitrique) ou alcalin (Ludox), la solution d'adjuvant de vitrification acide, la solution des déchets acide (cas des solutions de PF) ou alcaline (effluent de lavage non neutralisé), la solution du composé boré acide (acide borique) ou alcaline (tétraborate d'ammonium). Dans le procédé ici décrit le pH du mélange doit être inférieur à 7 et de préférence compris entre 2,5 et 3,5. Un ajustement du pH peut si nécessaire être entrepris.The solutions of the glass constituents have different pH values: the gel precursor in solution is acid (such as Aerosil in nitric solution) or alkaline (Ludox), the solution of acidic vitrification adjuvant, the solution of acid waste ( in the case of FP) or alkaline (non-neutralized washing effluent) solutions, the solution of the boron acid (boric acid) or alkaline (ammonium tetraborate) compound. In the process described here, the pH of the mixture must be less than 7 and preferably between 2.5 and 3.5. An adjustment of the pH can be undertaken if necessary.
Selon le procédé objet de l'invention, le mélange - à partir duquel le verre final est obtenu par chauffage - est préparé à partir de tous les composants en solution aqueuse introduits simultanément dans la zone de mélange.According to the process which is the subject of the invention, the mixture - from which the final glass is obtained by heating - is prepared from all the components in aqueous solution introduced simultaneously into the mixing zone.
Sont à mélanger :
Dans une zone de mélange, les solutions séparées A, B, C, D arrivent simultanément (éventuellement C et D peuvent être amenées ensemble).In a mixing zone, the separate solutions A, B, C, D arrive simultaneously (possibly C and D can be brought together).
Par mélange, il est obtenu une solution dite solution gélifiée, sa viscosité et sa texture évoluant dans le temps et allant d'une solution fluide à un gel. Le mélange obtenu est séché (à 1OO-1O5°C de préférence) en étuve par exemple, un séchage sous vide est aussi possible. Pendant cette opération, le gel continue à se former. Une calcination est ensuite effectuée entre 3OO et 5OO°C (35O à 4OO°C de préférence) durant laquelle l'eau finit de s'évaporer et les nitrates se décomposent en partie, l'analyse montre qu'après 2 h à 4OO°C 3O % des nitrates sont encore présents dans les conditions de l'exemple.By mixing, a so-called solution is obtained gelled, its viscosity and its texture changing over time and going from a fluid solution to a gel. The mixture obtained is dried (at 1OO-1O5 ° C preferably) in an oven for example, drying under vacuum is also possible. During this operation, the gel continues to form. A calcination is then carried out between 3OO and 5OO ° C (35O to 4OO ° C preferably) during which the water finishes evaporating and the nitrates decompose in part, the analysis shows that after 2 h at 4OO ° C 30% of the nitrates are still present under the conditions of the example.
La calcination peut se faire soit dans un calcinateur classique (du type de celui utilisé dans le procédé de vitrification AVM) soit dans un four de fusion type ceramic melter par exemple.The calcination can be done either in a conventional calciner (of the type used in the AVM vitrification process) or in a melting furnace of the ceramic melter type for example.
On termine toujours la décomposition des nitrates pendant la fusion. A l'entrée du four, le produit passe rapidement de sa température de calcination à sa température de fusion. C'est la zone dite d'introduction, ensuite dans la zone dite d'affinage, il est à une température légèrement supérieure à celle de fusion puis il est porté à la température de coulée. Une valeur intéressante se situe entre 1O35°C et 11OO°C pour laquelle la viscosité du verre comprise entre 2OO poises et 8O poises permet la coulée du verre dans de bonnes conditions.We always finish the decomposition of nitrates during melting. At the entrance of the oven, the product quickly goes from its calcination temperature to its melting temperature. This is the so-called introduction zone, then in the so-called refining zone, it is at a temperature slightly higher than that of melting and then it is brought to the casting temperature. An interesting value is between 1035 ° C and 1100 ° C for which the viscosity of the glass between 2OO poises and 8O poises allows the glass to be poured under good conditions.
Les étapes séchage-calcination-fusion décrites correspondent à des traitements thermiques dans des zones de température définies et dans des équipements différents. Il est bien évident que des traitements thermiques similaires dans d'autres dispositifs conviennent, par exemple un séchage en étuve suivi de l'introduction dans un four de fusion conçu en plusieurs zones, en général toute technique d'élaboration du verre à partir d'un gel est utilisable.The drying-calcination-melting steps described correspond to heat treatments in defined temperature zones and in different equipment. It is obvious that similar heat treatments in other devices are suitable, for example drying in an oven followed by introduction into a melting furnace designed in several zones, in general any technique for making glass from a gel can be used.
Ainsi, lorsqu'un mélange ayant la formulation du CEA est préparé en milieu aqueux selon le procédé objet de l'invention, on observe que les temps d'affinage sont écourtés : 1,5 h suffisent alors que 5 h étaient nécessaires par la voie des oxydes. Il est alors possible d'augmenter les débits du four.Thus, when a mixture having the formulation of CEA is prepared in an aqueous medium according to the process which is the subject of the invention, it is observed that the ripening times are shortened: 1.5 h are sufficient whereas 5 h were necessary by the way oxides. It is then possible to increase the oven flow rates.
De plus, la formulation élaborée par le CEA et qui donne toutes satisfactions peut être aisément obtenue avec divers déchets.In addition, the formulation worked out by the CEA and which gives all satisfactions can be easily obtained with various wastes.
En effet, il est possible avec le procédé objet de l'inven tion de vitrifier des déchets variés, en particulier des déchets riches en sodium. Le sodium qui améliore la fusibilité du verre a par contre l'inconvénient de le rendre plus sensible à la lixiviation. Le traitement de tels déchets nécessite dans la voie des oxydes la modification de la fritte de verre, mais elle est limitée par la fusibilité.Indeed, it is possible with the process object of the invention tion to vitrify various wastes, in particular sodium-rich wastes. Sodium, which improves the fusibility of glass, has the disadvantage of making it more sensitive to leaching. The treatment of such waste requires in the oxides path the modification of the glass frit, but it is limited by the fusibility.
Selon le procédé objet de l'invention, la composition de la matrice borosilicatée préparée en milieu aqueux est ajustée au type de déchets traités. Ainsi, pour des déchets riches en sodium une matrice borosilicatée pauvre en sodium (ou même éventuellement sans sodium) peut être élaborée, comme le montreront les exemples.According to the process which is the subject of the invention, the composition of the borosilicate matrix prepared in an aqueous medium is adjusted to the type of waste treated. Thus, for sodium-rich waste a borosilicate matrix low in sodium (or even possibly without sodium) can be developed, as the examples will show.
Un autre avantage important (non obtenu antérieurement par les autres techniques de gélification) est que de grandes quantités de gel peuvent être préparées sans difficulté avec une turbine. On a pu atteindre dans les essais, sans être à la limite, 4O kg/h de gel très facilement. Un appareillage de ce type simple et démontable peut être adapté aux contraintes de sûreté appliquées aux installations nucléaires.Another important advantage (not previously obtained by other gelation techniques) is that large amounts of gel can be prepared without difficulty with a turbine. We were able to reach in the tests, without being at the limit, 40 kg / h of gel very easily. Apparatus of this simple and removable type can be adapted to the safety constraints applied to nuclear installations.
Afin de mieux comprendre l'originalité du procédé objet de l'invention par rapport à l'état de la technique, des exemples vont être donnés, le premier exemple consistant à essayer d'élaborer une solution gélifiée à partir de l'enseignement de l'art antérieur.In order to better understand the originality of the process which is the subject of the invention in relation to the state of the art, examples will be given, the first example consisting in trying to develop a gelled solution from the teaching of prior art.
A l'échelle du laboratoire, une solution de PF a été simulée à partir d'une composition type d'une solution réelle de PF de la manière suivante :
Le groupe 1 représente les éléments inactifs de la solution des produits de fission et le groupes 2 les PF et les insolubles de la même solution.Group 1 represents the inactive elements of the fission product solution and group 2 the PF and insolubles of the same solution.
ZrO₂ et Mo restent solides, ils simulent les insolubles. La quantité totale d'eau ajoutée est de 2 972 g.ZrO₂ and Mo remain solid, they simulate the insoluble. The total amount of water added is 2,972 g.
La solution simulée de PF a un pH : 1,3. La composition de verre final à obtenir est :
Dans la composition centésimale présente, il faut tenir compte de la présence de sodium et de nickel dans les oxydes actifs (provenant du groupe 2 de la solution définie plus haut).In the percentage composition present, account must be taken of the presence of sodium and nickel in the active oxides (originating from group 2 of the solution defined above).
Ainsi, on prépare les solutions de l'adjuvant de vitrification en fonction de la composition du verre à obtenir et de celle de la solution de déchets à traiter.Thus, the solutions of the vitrification aid are prepared according to the composition of the glass to be obtained and that of the waste solution to be treated.
Pour cet exemple, les solutions séparées d'adjuvant de vitrification sont préparées ainsi à température ambiante :
Dans un bécher de 1 l muni d'un agitateur magnétique (barreau de 7 cm) tournant à 5OO tr/min, on place 59 g de solution de TBA que l'on amène à pH 2 par addition de HNO₃59 g of TBA solution are placed in a 1 l beaker fitted with a magnetic stirrer (7 cm bar) rotating at 5OO rpm, which is brought to pH 2 by addition of HNO₃
Dans un autre bécher, 56 cm³ de Ludox sont acidifiés à pH 2, pour éviter la précipitation ultérieure d'hydroxydes tels que Al(OH)₃ à pH : 5-6 ou Zn(OH)₂ à pH : 4,8.In another beaker, 56 cm³ of Ludox are acidified to pH 2, to avoid the subsequent precipitation of hydroxides such as Al (OH) ₃ at pH: 5-6 or Zn (OH) ₂ at pH: 4.8.
On introduit sous agitation dans le tétraborate d'ammonium la solution de Ludox, la réaction ayant lieu à 65°C-7O°C. On agite (agitateur magnétique ou mécanique) 3O min en maintenant la température. Pour accélérer la gélification, on ajoute une petite quantité d'ammoniaque diluée (O,15 N) pour avoir pH : 3. Il y a formation de gel.The Ludox solution is introduced, with stirring, into the ammonium tetraborate, the reaction taking place at 65 ° C.-70 ° C. Stirred (magnetic or mechanical stirrer) 30 min while maintaining the temperature. To accelerate the gelation, a small amount of dilute ammonia (0.15 N) is added to obtain pH: 3. There is gel formation.
Chaque solution de l'adjuvant est ajoutée séparément lentement (goutte à goutte) sous agitation au mélange. On agite encore 5 à 1O min. Le mélange obtenu, appelé gel, ne comporte ni précipitation, ni floculation visibles. 235 g de la solution simulée de PF sont ajoutés lentement (goutte à goutte) tout en agitant. Il se forme des précipités.Each solution of the adjuvant is added separately slowly (drop by drop) with stirring to the mixture. Stirring is continued for 5 to 10 min. The mixture obtained, called gel, has no visible precipitation or flocculation. 235 g of the simulated FP solution are added slowly (drop by drop) while stirring. Precipitates are formed.
Pour obtenir la prise en masse, le mélange est mis au repos à 65°C-7O°C, il faut au moins 2O h pour obtenir une masse qui est séchée à l'étuve (9O h à 11O°C) immédiatement après son obtention, puis fondue entre 1OOO et 115O°C.To obtain solidification, the mixture is left to stand at 65 ° C.-70 ° C., it takes at least 20 h to obtain a mass which is dried in the oven (90 h at 110 ° C.) immediately after its obtaining, then melted between 1OOO and 115O ° C.
L'analyse montre que le molybdène qui a sédimenté n'a pas été inclus de façon homogène dans le verre, de plus des traces de molybdate sont visibles. Le verre obtenu n'est pas acceptable.The analysis shows that the molybdenum which sedimented was not homogeneously included in the glass, moreover traces of molybdate are visible. The glass obtained is not acceptable.
Avec ce procédé, seules de petites quantités de gels (≃ 1OO à 5OO ml) ont pu être préparées. On n'a pas pu obtenir de gel avec 1 l de solution (il y a précipitation).With this process, only small amounts of gels (≃ 1OO to 5OO ml) could be prepared. It was not possible to obtain a gel with 1 l of solution (there is precipitation).
Les solutions des constituants du verre doivent être introduites séparément ou ensemble si elles sont compatibles entre elles, sinon on observe des précipitations rendant le gel non homogène. Le gel et le verre final ne sont pas toujours de bonne qualité.The solutions of the glass constituents must be introduced separately or together if they are compatible with each other, otherwise precipitation is observed making the gel non-homogeneous. The gel and the final glass are not always of good quality.
De plus, avec ce procédé classique, on n'a jamais pu introduire correctement la solution simulée des déchets. On a observé des précipitations et des sédimentations qui ont pour conséquence de nécessiter une température de fusion et/ou un temps de digestion plus élevés ou de produire un verre final non acceptable.In addition, with this conventional process, it has never been possible to correctly introduce the simulated waste solution. Precipitation and sedimentation have been observed which have the consequence of requiring a higher melting temperature and / or digestion time or producing an unacceptable final glass.
Dans les essais, on a défini un verre de bonne qualité comme étant un verre homogène, ne présentant par d'infondus et de bulles et de plus ne montrant pas en surface des traces de molybdate.In the tests, a glass of good quality was defined as being a homogeneous glass, not presenting any unfused and bubbles and moreover not showing on the surface traces of molybdate.
En effet, le molybdate provenant des solutions de PF pose un problème majeur : une partie du Mo actif a tendance à se séparer de la solution et sédimenter de sorte que cette phase n'est pas dispersée complètement dans le mélange donc elle n'est pas incluse en totalité dans la solution gélifiée. De plus, le molybdène lorsqu'il diffuse mal se présente à la surface du verre sous forme de traces de molybdate jaunes et visibles qui sont considérées comme un indice de moindre qualité.Indeed, the molybdate coming from FP solutions poses a major problem: part of the active Mo tends to separate from the solution and sediment so that this phase is not completely dispersed in the mixture therefore it is not fully included in the gelled solution. In addition, molybdenum when it diffuses badly appears on the surface of the glass in the form of traces of yellow and visible molybdate which are considered to be an index of poorer quality.
Ce sont les mêmes que celles de l'exemple 1, sauf celle de l'adjuvant de vitrification.These are the same as those of Example 1, except that of the vitrification aid.
Pour cet exemple, la solution d'adjuvant de vitrification est préparée comme suit :
Les proportions des éléments Al, Na, Zn, Ca, Li sont les mêmes que dans l'exemple 1.The proportions of the elements Al, Na, Zn, Ca, Li are the same as in Example 1.
On utilise une turbine classique comportant une zone de mélange de faible volume dans laquelle tourne une hélice à plusieurs pales de sorte qu'un mélange avec un fort taux de cisaillement soit produit. Elle tourne dans cet exemple à 2OOO tr/min.A conventional turbine is used comprising a mixing zone of small volume in which a propeller with several blades rotates so that a mixture with a high rate of shear is produced. In this example, it rotates at 2OOO rpm.
La turbine utilisée pour les essais est fabriquée par la Société STERMA, la zone de mélange a un volume de 1 cm³, l'épaisseur de la couche agitée est de l'ordre du mm. Pour l'utilisation à l'échelle industrielle en milieu nucléaire, quelques perfectionnements techniques concernant surtout la géométrie des pales et l'arrivée des solutions seront nécessaires ; ils ont pour but de faciliter l'exploitation en cellule fermée active.The turbine used for the tests is manufactured by the company STERMA, the mixing zone has a volume of 1 cm³, the thickness of the agitated layer is of the order of mm. For use on an industrial scale in a nuclear environment, some technical improvements especially concerning the geometry of the blades and the arrival of solutions will be necessary; their purpose is to facilitate operation in an active closed cell.
Les solutions arrivent séparément et simultanément à la turbine :
Les solutions adjuvant de vitrification et PF sont pompées au débit indiqué, et c'est leur mélange au débit global de 25,4 kg/h qui est envoyé à la turbine. Ainsi, on a un débit de 36 kg/h en gel. Le pH de la solution gélifiée qui sort de la turbine est de 3.The vitrification and PF adjuvant solutions are pumped at the indicated flow rate, and it is their mixture at the overall flow rate of 25.4 kg / h which is sent to the turbine. Thus, there is a flow rate of 36 kg / h in gel. The pH of the gelled solution leaving the turbine is 3.
Dans cet essai, 12 min ont suffi pour faire le mélange des constituants et pour produire 7 kg de solution gélifiée.In this test, 12 min were sufficient to mix the constituents and to produce 7 kg of gelled solution.
Sur 3 échantillons, les traitements thermiques suivants ont été effectués :
- - essai 1 :
1O,5 kg de mélange ont été concentrés sous vide dans un appareil fabriqué par la Société GUEDU (T : 9O°C, P 63O mmHg), 6,5 l d'eau ont été extraits. La masse récupérée (3,5 kg) est calcinée 2 h à 4OO°C. On obtient 1,8 kg de produit qui sont soumis à une fusion à 1O5O°C pendant 5 h. Un verre de bonne qualité est obtenu. - - essai 2 :
5 kg de mélange sont séchés 3 jours à 1O5°C produisant 1,2 kg de produit sec qui est ensuite porté 2 h à 4OO°C où il perd 27,5 % de son poids. Une fusion de 5 h à 1O25°C donne 82O g d'un verre de bonne qualité avec une bonne coulée. Dans cet essai on a observé qu'un gel en masse était obtenu en moins de 3O min à 1O5°C. - - essai 3 :
3 kg de mélange étalés sur une plaque avec 2-3 cm d'épaisseur et placés 8 h dans un four à micro-ondes ont donné 55O g de produit qui après 2 h à 4OO°C (la température étant montée régulièrement de celle de séchage à 4OO°C) se réduisent à 5O2 g de produit calciné. La fusion à 1125°C nécessite seulement 1,5 h (dont 1 h d'affinage) pour produire un verre de très bonne qualité avec une bonne coulée.
- - test 1:
10 kg of mixture were concentrated in vacuo in an apparatus manufactured by the company GUEDU (T: 9O ° C, P 63O mmHg), 6.5 l of water were extracted. The mass recovered (3.5 kg) is calcined for 2 h at 4OO ° C. 1.8 kg of product are obtained which are subjected to fusion at 1050 ° C. for 5 h. A good quality glass is obtained. - - test 2:
5 kg of mixture are dried for 3 days at 105 ° C. producing 1.2 kg of dry product which is then brought 2 hours to 400 ° C. where it loses 27.5% of its weight. A fusion of 5 h at 1025 ° C. gives 820 g of a good quality glass with good pouring. In this test, it was observed that a bulk gel was obtained in less than 30 min at 105 ° C. - - test 3:
3 kg of mixture spread on a plate with 2-3 cm thickness and placed 8 h in a microwave oven gave 55O g of product which after 2 h at 4OO ° C (the temperature being increased regularly from that of drying at 400 ° C.) are reduced to 502 g of calcined product. Melting at 1125 ° C requires only 1.5 h (including 1 h of refining) to produce a very good quality glass with good pouring.
En conclusion, un gel ainsi obtenu traité 8 h dans un four à micro-ondes, calciné 2 h à 4OO°C puis fondu 1,5 h à 1125°C (1 h d'affinage), conduit à un verre de très bonne qualité acceptable pour l'immobilisation des déchets nucléaires et ce avec un gain de temps de l'ordre de 3 à 4h par rapport au procédé actuellement mis en oeuvre.In conclusion, a gel thus obtained treated for 8 h in a microwave oven, calcined for 2 h at 4OO ° C and then melted for 1.5 h at 1125 ° C (1 h of ripening), leads to a glass of very good acceptable quality for the immobilization of nuclear waste and this with a time saving of the order of 3 to 4 hours compared to the process currently used.
La solution de TBA à 15 % B₂O₃ est remplacée par une solution H₃BO₃ à 6,5 % en B₂O₃ formée par dissolution à 65-7O°C sous agitation de 13O g d'acide borique solide dans 1 l d'eau (pH = 2,7).The solution of TBA at 15% B₂O₃ is replaced by a solution H₃BO₃ at 6.5% in B₂O₃ formed by dissolution at 65-7O ° C with stirring of 13O g of solid boric acid in 1 l of water (pH = 2 , 7).
Dès lors le débit en composé boré est de 1O,8 kg/h en solution H₃BO₃, les autres solitions étant envoyées aux mêmes débits.Consequently, the flow rate of boron compound is 10.8 kg / h in H₃BO₃ solution, the other solitions being sent at the same flow rates.
Il est alors obtenu environ 42 kg/h de mélange qui, traité de la même façon que précédement, conduit à des produits similaires.It is then obtained about 42 kg / h of mixture which, treated in the same way as above, leads to similar products.
Actuellement, dans le procédé de vitrification (AVM) à partir des oxydes, il n'est pas possible de traiter cet effluent sodé.Currently, in the vitrification process (AVM) from oxides, it is not possible to treat this soda effluent.
En effet, ce procédé AVM utilise l'adjuvant de vitrification sous forme de fritte de verre solide, une composition connue est :
SiO₂ 55-6O % en poids
B₂O₃ 16-18 % en poids
Al₂O₃ 6-7 % en poids
Na₂O 6-7 % en poids
CaO 4,5-6 % en poids
ZnO 2,5-3,5 % en poids
Li₂O 2-3 % en poidsIndeed, this AVM process uses the vitrification adjuvant in the form of solid glass frit, a known composition is:
SiO₂ 55-6O% by weight
B₂O₃ 16-18% by weight
Al₂O₃ 6-7% by weight
Na₂O 6-7% by weight
CaO 4.5-6% by weight
ZnO 2.5-3.5% by weight
Li₂O 2-3% by weight
Cette composition limite la quantité de sodium admissible dans l'effluent à vitrifier, puisqu'on ne peut pas augmenter trop la teneur en sodium qui abaisse la résistance à la lixiviation.This composition limits the amount of admissible sodium in the effluent to be vitrified, since the sodium content cannot be increased too much which lowers the resistance to leaching.
On pourrait penser diminuer la teneur en sodium de la fritte de verre et même l'amener à zéro pour que le verre final (fritte + calcinat d'effluent sodé) ait une teneur en sodium acceptable (9 à 11 % en poids). Mais alors, on se trouve devant la difficulté posée par l'élaboration et la fusion d'un verre pauvre en sodium (et par voie de conséquence plus riche en silice).One could think of reducing the sodium content of the glass frit and even bringing it to zero so that the final glass (frit + calcine of soda effluent) has an acceptable sodium content (9 to 11% by weight). But then, we are faced with the difficulty posed by the development and fusion of a glass low in sodium (and consequently richer in silica).
La présente invention permet de fabriquer avec l'effluent sodé un verre borosilicaté ayant une composition proche de celle donnant toute satisfaction dans le procédé AVM. En outre, la température d'affinage peut être nettement abaissée ou les temps d'affinage raccourcis.The present invention makes it possible to manufacture a borosilicate glass with the soda effluent having a composition close to that giving any satisfaction in the AVM process. In addition, the ripening temperature can be significantly lowered or the ripening times shortened.
Pour les essais, on a donc simulé une solution sodée avec 12O g Na₂CO₃ dans 1 l d'eau (pH = 9). Le précurseur de gel choisi est le Ludox AS4O. La solution de TBA : 312 g/l TBA,4H₂O.For the tests, we therefore simulated a soda solution with 12O g Na₂CO₃ in 1 l of water (pH = 9). The gel precursor chosen is Ludox AS4O. The TBA solution: 312 g / l TBA, 4H₂O.
Pour obtenir un verre ayant la composition de celui obtenu par le procédé AVM, on prépare la solution d'adjuvant de vitrification suivante pour un litre de solution aqueuse :
Al(NO₃)₃,9H₂O 2O9,O g
Ca(NO₃)₂,3H₂O 98,5 g
LiNO₃ 53,7 g
Zn(NO₃)₂,6H₂O 49,7 g
Fe(NO₃)₃,6H₂O 73,5 g
Mn(NO₃)₃,6H₂O 18,2 g
Ba(NO₃)₂ 5,5 g
Co(NO₃)₂,6H₂O 11,3 g
Sr(NO₃)₂ 4,1 g
CsNO₃ 8,O g
Y(NO₃)₃,4H₂O 71,O g
Na₂MoO₄,2H₂O 16,6 g
Phosphate monoammonique 2,8 gTo obtain a glass having the composition of that obtained by the AVM process, the following vitrification aid solution is prepared for one liter of aqueous solution:
Al (NO₃) ₃, 9H₂O 2O9, O g
Ca (NO₃) ₂, 3H₂O 98.5 g
LiNO₃ 53.7 g
Zn (NO₃) ₂, 6H₂O 49.7 g
Fe (NO₃) ₃, 6H₂O 73.5 g
Mn (NO₃) ₃, 6H₂O 18.2 g
Ba (NO₃) ₂ 5.5 g
Co (NO₃) ₂, 6H₂O 11.3 g
Sr (NO₃) ₂ 4.1 g
CsNO₃ 8, O g
Y (NO₃) ₃, 4H₂O 71, O g
Na₂MoO₄, 2H₂O 16.6 g
Monoammonium phosphate 2.8 g
Dans cette solution, on a introduit les composants Fe, Mn... phosphate de façon à obtenir un verre final de composition proche de celle donnée dans l'exemple 2.In this solution, the components Fe, Mn ... phosphate were introduced so as to obtain a final glass with a composition close to that given in Example 2.
Chacune des solutions est maintenue dans un bain thermostaté (température 65°C). On dispose de 4 pompes à membranes que l'on a réglées au préalable pour obtenir les débits souhaités.Each of the solutions is kept in a thermostatically controlled bath (temperature 65 ° C). There are 4 diaphragm pumps that have been adjusted beforehand to obtain the desired flow rates.
On envoie par les pompes simultanément ces solutions dans un mixer à grande vitesse (capacité 1,5 l).These solutions are sent simultaneously by the pumps to a high speed mixer (capacity 1.5 l).
Les débits réglés sont :
. Solution TBA............ O,12 kg/h
. Solution adjuvant....... O,25 kg/h
. Solution Ludox.......... O,15 kg/h
. Solution Na₂CO₃ ........ O,21 kg/hThe debits set are:
. TBA solution ............ O, 12 kg / h
. Adjuvant solution ....... O, 25 kg / h
. Ludox solution .......... O, 15 kg / h
. Na₂CO₃ solution ........ O, 21 kg / h
On opère pendant 1,5 h toujours sous forme agitation. On verse le contenu du bol du mixer dans un bécher et laisse reposer 2 h. Il se forme une masse homogène, pratiquement solide de couleur opalescente. On répartit cette masse sur un plateau pour former une couche d'environ 2O à 3O mm d'épaisseur et place le plateau dans une étuve chauffée à 1O5°C pendant 24 h.The operation is carried out for 1.5 h still in the form of agitation. The contents of the mixer bowl are poured into a beaker and left to stand for 2 hours. A homogeneous, practically solid mass of opalescent color is formed. This mass is distributed on a plate to form a layer of approximately 20 to 30 mm thick and the plate is placed in an oven heated to 105 ° C. for 24 h.
On obtient ainsi des particules sèches de l'ordre du cm³. On place dans un four pour calciner, on monte régulièrement en 3 h la température à 4OO°C et on la maintient 3 h. Le calcinat obtenu est concassé en particules de 1 à 3 mm.Dry particles of the order of cm³ are thus obtained. It is placed in an oven to calcine, the temperature is regularly raised over 3 hours to 400 ° C. and it is maintained for 3 hours. The calcinate obtained is crushed into particles of 1 to 3 mm.
Un four électrique à effet Joule de capacité suffisante est réglé à 115O°C. On remplit un creuset de platine avec le tiers de poudre préparé et le place dans le four. Après 3O min, on recharge le creuset avec un deuxième tiers de poudre, de même une troisième fois. On laisse le creuset séjourner ensuite 2 h dans le four chaud puis coule sur une plaque de réfractaire. On recuit à 5OO°C 8 h afin d'obtenir un échantillon de surface suffisante et on baisse lentement la température, ce qui donne une plaque de verre de coloration noire intense et d'une homogénéité visuelle parfaite.A Joule effect electric oven with sufficient capacity is set at 115O ° C. We fill a platinum crucible with a third of the prepared powder and place it in the oven. After 30 min, the crucible is recharged with a second third of powder, likewise a third time. The crucible is then left to remain for 2 h in the hot oven and then poured onto a refractory plate. It is annealed at 50 ° C. for 8 h in order to obtain a sufficient surface sample and the temperature is slowly lowered, which gives a glass plate of intense black coloration and of perfect visual homogeneity.
Une analyse chimique donne la composition moyenne suivante :
SiO₂ 45,6 %
B₂O₃ 14 %
Al₂O₃ 4,9 %
Na₂O 1O %
CaO 4 %
Li₂O 2 %
Fe₂O₃ 2,9 %
MnO₂ O,95 %
BaO O,55 %
CoO O,5 %
Cs₂O 1 %
SrO O,35 %
Y₂O₃ 4 %
MoO₃ 2 %
P₂O₅ O,3 %A chemical analysis gives the following average composition:
SiO₂ 45.6%
B₂O₃ 14%
Al₂O₃ 4.9%
Na₂O 1O%
CaO 4%
Li₂O 2%
Fe₂O₃ 2.9%
MnO₂ O, 95%
BaO O, 55%
CoO O, 5%
Cs₂O 1%
SrO O, 35%
Y₂O₃ 4%
MoO₃ 2%
P₂O₅ O, 3%
Cet exemple montre comment on peut ajuster la composition de l'adjuvant de vitrification.This example shows how the composition of the vitrification aid can be adjusted.
Les solutions d'adjuvant de vitrification, de TBA et de solution de déchets sont les mêmes.The vitrification adjuvant, TBA and waste solution solutions are the same.
Par contre, au lieu d'utiliser comme précurseur de gel le Ludox AS4O, on prendra l'Aérosil ® commercialisé par la firme DEGUSSA. Le précurseur de gel est constitué en versant peu à peu sous agitation l'Aérosil dans de l'eau acidifiée par HNO₃3N (pH : 2,5) de façon à obtenir une solution à 15O g de silice par litre.On the other hand, instead of using Ludox AS4O as a gel precursor, we will take the Aerosil ® sold by the company DEGUSSA. The gel precursor is formed by gradually pouring, with stirring, the Aerosil into water acidified with HNO₃3N (pH: 2.5) so as to obtain a solution of 150 g of silica per liter.
Les débits sont ajustés aux valeurs indiquées :
TBA : O,37 kg/h
Adjuvant : O,75 kg/l
Aérosil : 1,3 kg/h
Solution Na₂CO₃ : O,63 kg/hThe flow rates are adjusted to the values indicated:
TBA: O, 37 kg / h
Adjuvant: 0.75 kg / l
Aerosil: 1.3 kg / h
Na₂CO₃ solution: 0.63 kg / h
Le mode opératoire est identique à l'exemple 1 précédent en tout point, sauf pour le séchage qui est accompli dans une étuve à vide ce qui permet de réduire la durée à 4 h. Le résultat est le même. On ne saurait distinguer entre les deux verres. En particulier, on retrouve la même analyse chimique (à la précision près).The procedure is identical to the previous example 1 in all respects, except for the drying which is carried out in a vacuum oven which allows the duration to be reduced to 4 h. The result is the same. You can't tell the difference between the two glasses. In particular, we find the same chemical analysis (except for precision).
Les deux exemples 3 et 4 illustrent l'invention pour le traitement de l'effluent sodé avec des précurseurs de gel différents, mais ils n'en constituent pas une limitation. On peut, en particulier, les combiner pour faire varier le mode opératoire sans sortir du cadre de l'invention, par exemple en amenant la silice à la fois sous forme de Ludox et d'Aérosil simultanément.The two examples 3 and 4 illustrate the invention for the treatment of soda effluent with different gel precursors, but they do not constitute a limitation thereof. We can, in particular, combine them to vary the operating mode without departing from the scope of the invention, for example by bringing the silica both in the form of Ludox and Aerosil simultaneously.
Dans les exemples 3 et 4, l'effluent sodé neutralisé a été traité seul. Il est évidemment avantageux de traiter simultanément l'effluent sodé non neutralisé (donc tel qu'il sort des unités d'extraction) et les solutions de PF qui sont nitriques, de façon à ne pas surconsommer d'acide nitrique et augmenter les volumes des déchets. Pour cela, l'eau de lavage des vapeurs nitreuses, chargée en acide nitrique, est ajoutée à l'effluent sodé pour le neutraliser, le liquide résultant étant mélangé à la solution de PF dans des proportions déterminées. La solution d'adjuvant de vitrification sera alors adaptée à ce traitement.In Examples 3 and 4, the neutralized soda effluent was treated alone. It is obviously advantageous to simultaneously treat the non-neutralized soda effluent (therefore as it leaves the extraction units) and the FP solutions which are nitric, so as not to consume nitric acid and increase the volumes of waste. For this, the washing water of the nitrous vapors, loaded with nitric acid, is added to the soda effluent to neutralize it, the resulting liquid being mixed with the FP solution in predetermined proportions. The vitrification adjuvant solution will then be suitable for this treatment.
Toutes les solutions ont été préparées dans un minimum d'eau - elles sont proches de la saturation - pour ne pas augmenter les temps de séchage, les volumes de liquide à manipuler et aussi les rejets gazeux actifs, puisque l'eau à évaporer est contaminée par des radioéléments, ce qui oblige l'exploitant à un traitement desdits rejets. On peut être amené, sans dommage pour le procédé, à diluer plus ces solutions pour des questions de pompage ou d'écoulements.All the solutions have been prepared in a minimum of water - they are close to saturation - so as not to increase the drying times, the volumes of liquid to be handled and also the active gas emissions, since the water to be evaporated is contaminated by radioelements, which obliges the operator to process said discharges. It may be necessary, without damage to the process, to further dilute these solutions for pumping or flow issues.
Par ailleurs, dans les exemples, le composé boré utilisé est le tétraborate d'ammonium tétrahydraté, ce pour permettre la comparaison avec l'art antérieur plus aisée. Mais dans les installations de vitrification existantes, l'emploi du TBA pose des problèmes au niveau du traitement des effluents gazeux riches en ammoniac et en vapeurs nitreuses qui sont susceptibles de se recombiner pour produire du nitrate d'ammonium dangereux dans certaines conditions.Furthermore, in the examples, the boron compound used is ammonium tetraborate tetrahydrate, this to allow comparison with the prior art easier. However, in existing vitrification plants, the use of TBA poses problems in the treatment of gaseous effluents rich in ammonia and nitrous vapors which are capable of recombining to produce dangerous ammonium nitrate under certain conditions.
Pour ces raisons, l'acide borique est préféré dans les conditions du procédé objet de l'invention.For these reasons, boric acid is preferred under the conditions of the process which is the subject of the invention.
La description montre ainsi nettement que le procédé développé par la demanderesse est différent du procédé HITACHI décrit dans l'art antérieur en ce que tous les composants du verre final sont introduits simultanément pour former une solution gélifiée. Le bore, au contraire du procédé HITACHI, est introduit avant la formation du gel et non après. Il fait donc partie, dès le départ, de la structure alors que dans le procédé HITACHI il est dispersé dans la structure silicate préalablement élaborée.The description thus clearly shows that the process developed by the applicant is different from the HITACHI process described in the prior art in that all the components of the final glass are introduced simultaneously to form a gelled solution. Boron, unlike the HITACHI process, is introduced before the gel formation and not after. It is therefore part, from the start, of the structure whereas in the HITACHI process it is dispersed in the silicate structure previously prepared.
La demanderesse pense que la solution gélifiée produite selon le procédé inventé se forme plus rapidement que ne réagissent les composés entre eux pour précipiter. La solution gélifiée obtenue a la structure du verre final voulu et dans cette solution les ions ne peuvent plus migrer.The Applicant believes that the gelled solution produced according to the invented process forms more quickly than the compounds react with one another to precipitate. The gelled solution obtained has the structure of the desired final glass and in this solution the ions can no longer migrate.
En effet, on estime que, lors du mélange, dans les conditions indiquées, le phénomène de thixotropie a lieu, de sorte qu'une dispersion homogène des ions se produit. Après cette phase de mélange, la solution voit sa viscosité augmenter, de sorte que les ions sont emprisonnés dans le milieu. Ils ne peuvent plus réagir (précipitation, sédimentation...), le milieu est bloqué.Indeed, it is estimated that, during mixing, under the conditions indicated, the phenomenon of thixotropy takes place, so that a homogeneous dispersion of the ions occurs. After this mixing phase, the solution sees its viscosity increase, so that the ions are trapped in the medium. They can no longer react (precipitation, sedimentation ...), the environment is blocked.
Cet effet est selon la demanderesse dû au choix des solutions utilisées et au mode d'agitation employé pour réaliser leur mélange.This effect is, according to the applicant, due to the choice of solutions used and to the method of agitation used to produce their mixture.
Claims (8)
- sont mélangés simultanément :
. un précurseur de gel à base de silice,
. une solution aqueuse concentrée d'un composé boré,
. les solutions aqueuse concentrées des autres constituants du verre final comprenant la(les) solution(s) des déchets à traiter et la solution de l'adjuvant de vitrification
avec une forte agitation, le mélange ayant lieu entre 2O et 8O°C, de préférence 65-7O°C, dans les proportions correspondant à la composition du verre voulue, ledit mélange ayant un pH acide et de préférence compris entre 2,5 et 3,5 ;
- ledit mélange est séché, calciné entre 3OO et 5OO°C puis fondu.1. Method for immobilizing nuclear waste in a borosilicate glass, characterized in that:
- are mixed simultaneously:
. a silica-based gel precursor,
. a concentrated aqueous solution of a boron compound,
. concentrated aqueous solutions of the other constituents of the final glass comprising the solution (s) of the waste to be treated and the solution of the vitrification aid
with vigorous stirring, the mixture taking place between 20 ° and 80 ° C., preferably 65 ° -70 ° C., in the proportions corresponding to the composition of the glass desired, said mixture having an acidic pH and preferably between 2.5 and 3.5;
- Said mixture is dried, calcined between 3OO and 5OO ° C and then melted.
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