EP0736879B1 - Procédé et dispositif de contrÔle continu de l'activité de poussières - Google Patents

Procédé et dispositif de contrÔle continu de l'activité de poussières Download PDF

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EP0736879B1
EP0736879B1 EP96400703A EP96400703A EP0736879B1 EP 0736879 B1 EP0736879 B1 EP 0736879B1 EP 96400703 A EP96400703 A EP 96400703A EP 96400703 A EP96400703 A EP 96400703A EP 0736879 B1 EP0736879 B1 EP 0736879B1
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EP
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dust
acquisition
activity
ventilation duct
detector
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Jacques Paris
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/50—Control or safety arrangements
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28—Treating solids
    • G21F9/30—Processing
    • G21F9/32—Processing by incineration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2209/00—Specific waste
    • F23G2209/18—Radioactive materials

Definitions

  • the invention relates to monitoring the activity of dust emitted especially during dismantling nuclear installations, in particular from the melting of various scrap.
  • the object of the invention is therefore to remedy this disadvantage in implementing such an analysis.
  • the measurement of the amount of dust can be do it by density measurement, preferably with a photovoltaic cell, while the measurement of the activity can be done with a radiation detector gamma coupled to a multichannel analyzer.
  • the transmitter is a laser diode.
  • the first detector is advantageously consisting of a photovoltaic cell.
  • a temperature sensor placed in the sheath can complete this scheme.
  • the placement of the process according to the invention is based on the examination of the kinetics of dust emission at the time of fusion.
  • curve A representing the dust temperature as a function of time
  • curve B representing dust activity shows a clear preponderant peak when the temperature marks this plateau, that is to say around 60 minutes.
  • the activity of dust is relatively localized in time and that its measurement is therefore facilitated. Indeed, if the broadcast of activity was evenly distributed throughout the time of the merger, it would be difficult to detect.
  • This instantaneous and continuous detection of the passage activity can therefore direct the dust towards selective filters according to their activity, uncontaminated dust being recycled to recover the iron and decrease the volume of waste.
  • the whole phenomenon can be interpreted as separation at the time of fusion between the oxidized layer containing the contamination in relation to its solid support, metal.
  • the method according to the invention therefore provides continuously measure the fusion to be able to measure, at the time desired temperature step, the maximum activity of dust coming out of the oven.
  • thermodynamic properties of Cs137 conferred higher lability, and therefore it had to appear first compared to Co60. It is not so for this system. Indeed, we are dealing with scrap previously archived and we can assume that the labile contamination is gone. There would only remain deep oxidation for the benefit of occluded pores. On the other hand, the active emission occurs at the moment when the fusion takes place. It is therefore reasonable to assume that the release of pore contents occurs at the time of change of state.
  • the realization mentioned here is the one used during the operation of the arc furnace of two MARCOULE units by the depositor.
  • This oven is intended to melt scrap from basic nuclear installations to be dismantled.
  • This arc furnace has an installed capacity of 6 MW with a capacity of 14 tonnes. It has ventilation allowing operation in a confined environment.
  • One of these ventilation ducts is that shown in section transverse in Figure 2 and referenced 1.
  • the density measurement of the dust circulating at the interior of the sheath 1 can be done with numerous different types of measuring devices such as a transmitter light radiation associated with a radiation detector corresponding.
  • This laser diode is positioned using a tube 5 fixed on the first wall side 2 of the sheath 1.
  • the light beam F passes through therefore right through sheath 1 to emerge by a second opposite lateral face 3.
  • a first detector is installed light radiation which is a photovoltaic cell 6 in a position as it is able to receive and detect the intensity of the radiation of the light beam F after it has passed through the sheath 1.
  • a second tube 7 allows to install this type of photovoltaic cell by being fixed on the second side wall 3.
  • the detection of the activity of these dusts is carried out, in this embodiment, with one or more second gamma 9 radiation detectors placed around the sheath 1. They each deliver a signal characteristic of the radiation detected. This signal is sent to an analyzer multichannel 10. The latter allows a selection of one or several detectors 9 and the indications thus selected are addressed to the acquisition unit 11.
  • control unit and signal processing, it is possible for an operator to control the start, set the duration of the analysis and synchronize the measurement acquisition conditions, this in real time.
  • the acquisition box includes two means of voltage measurement 12A and 12B respectively receiving the signal from the photovoltaic cell and the signals from of the multichannel analyzer 10 constituted by the signals of gamma radiation detection.
  • averaging means 14A and 14B connected to the outputs of memories 13A and 13B to provide an indication characteristic of the phenomenon measured over a fixed period.
  • the acquisition box is completed advantageously of a chronometer 15 which controls the means of voltage measurement 12A and 12B and the means of calculation of average 14A and 14B.
  • the output of these averaging means 14A and 14B is connected to the input of the processing unit 20, in this case a "Powerbook" microcomputer.
  • the whole is completed by a device power supply 21 of the diode 4. This is controlled by the control and signal processing unit 20, but can also be ordered by the box acquisition and control 11.
  • the acquisition program is stored in the microcomputer constituting the control unit 20. It is thus possible to define a time interval over which is calculated the average of the measured voltages, as well as a total duration of the measure.
  • the stopwatch delays the storage of information. After a determined period value, these information is sent to the microcomputer.
  • the microcomputer On the right side of the flowchart, we see that the microcomputer is in direct dialogue with the acquisition and ordered. This microcomputer receives the values accumulated by the acquisition and control unit, the average being calculated by determined time intervals. The cycle is continues until the operation is completed.

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Description

Domaine de l'invention
L'invention concerne le contrôle de l'activité de poussières émises notamment lors du démantèlement d'installations nucléaires, notamment issu de la fonte de ferrailles diverses.
Art antérieur et problème posé
Lors du démantèlement d'installations nucléaires de base, on procède souvent à la fonte de ferrailles au moyen de fours à arc ou à induction de grande puissance (6 Mégawatts) et de grande capacité. Ce type de four est, de plus, doté d'une ventilation qui lui autorise un fonctionnement particulier en milieu confiné. Trois étages de filtres permettent alors de récupérer la totalité des poussières produites pendant ce type de traitement thermique.
On éprouve le besoin de contrôler, ou tout du moins, d'apprécier les événements se déroulant au cours de la fusion. On sait procéder à ces opérations par des bilans amont et aval par rapport à la phase de fusion. Seules les mesures de températures sur les fluides caloporteurs sont à l'heure actuelle permanentes et effectuées pendant la fusion. Les analyses en cours de fusion des particules et poussières émises sont réalisées par prélèvements.
Or, il semble très utile de pouvoir disposer d'une information en temps réel sur la cinétique d'émission de ces poussières et, si possible, sur la situation de l'activité par rapport à cette émission. Cela pourrait en effet permettre de comprendre quels sont les mécanismes entraínant la décontamination et par suite d'agir sur le déroulement de la fusion en question.
Le but de l'invention est donc de remédier à cet inconvénient en mettant en oeuvre une telle analyse.
Résumé de l'invention
A cet effet, un premier objet principal de l'invention est un procédé de contrôle de l'activité de poussières émises lors de la fusion, dans un four, d'éléments irradiés, le procédé consistant à :
  • mesurer en continu la quantité de poussières pendant leur passage dans une gaine de ventilation du four ; et
  • mesurer l'activité liée à ces poussières.
La mesure de la quantité de poussières peut se faire par la mesure de la densité, de manière préférentielle avec une cellule photovoltaïque, tandis que la mesure de l'activité peut se faire avec un détecteur de rayonnement gamma couplé à un analyseur multicanal.
Un deuxième objet principal de l'invention est un dispositif de contrôle de l'activité de poussières émises lors de la fusion, dans un four, de matériaux irradiés et évoluant dans une gaine de ventilation, le dispositif comprenant :
  • un émetteur de rayonnement lumineux placé en regard d'une première paroi de la gaine ;
  • un premier détecteur de rayonnement lumineux placé en regard de la paroi opposée à la première paroi de la gaine et délivrant un signal caractéristique de la densité du milieu traversé à l'intérieur de la gaine ;
  • au moins un deuxième détecteur, de rayonnement gamma placé en regard de la gaine et délivrant un signal caractéristique de l'activité du milieu traversé à l'intérieur de la gaine ; et
  • des moyens d'acquisition et de traitement connectés au premier et au(x) deuxième(s) détecteurs pour recevoir lesdits signaux caractéristiques.
De préférence, l'émetteur est une diode laser.
De même, le premier détecteur est avantageusement constitué d'une cellule photovoltaïque.
En correspondance, on peut utiliser un analyseur multicanal entre le(s) deuxième(s) détecteur(s) et les moyens d'acquisition et de traitement.
Ces derniers sont de préférence constitués de :
  • un boítier d'acquisition de commande connecté directement au(x) détecteur(s) ; et
  • une unité de commande pour le traitement des signaux reçus et la commande des détecteurs.
Le boítier d'acquisition et de traitement est de préférence constitué pour chaque détecteur :
  • d'un moyen de mesure de tension électrique ;
  • d'une mémoire pour enregistrer des valeurs de tension ;
  • d'un moyen de calcul de la moyenne des valeurs de tensions électriques ; et
  • d'un chronomètre.
Un capteur de température placé dans la gaine peut compléter ce dispositif.
Liste des figures
L'invention et ses caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, complétée de trois figures représentant respectivement :
  • figure 1, deux courbes relatives au déroulement de l'émission de l'activité à mesurer, lors de la fusion de matériaux ;
  • figure 2, un schéma du dispositif selon l'invention ; et
  • figure 3, un ordinogramme du procédé selon l'invention.
Description détaillée d'une réalisation de l'invention
En référence à la figure 1, la mise en place du procédé selon l'invention est basée sur l'examen de la cinétique d'émission des poussières au moment de la fusion. On constate en effet que la courbe A représentant la température des poussières en fonction du temps, lors de la fusion, marque un palier aux alentours de 50 ou 60 minutes, puis reprend sa montée pour plafonner à une température maximale de l'ordre 1 400°C. En correspondance, on constate que la courbe B en traits interrompus, représentant l'activité des poussières, présente un net pic prépondérant au moment où la température marque ce palier, c'est-à-dire vers les 60 minutes. On en déduit donc que l'activité des poussières est relativement localisée dans le temps et que sa mesure s'en trouve donc facilitée. En effet, si l'émission d'activité était uniformément répartie sur tout le temps de la fusion, elle serait difficilement détectable.
Cette détection instantanée et continue du passage de l'activité peut donc permettre d'orienter les poussières vers des filtres sélectifs en fonction de leur activité, les poussières non contaminées étant recyclées pour récupérer le fer et diminuer le volume de déchets.
L'ensemble du phénomène peut être interprété comme la séparation au moment de la fusion entre la couche oxydée contenant la contamination par rapport à son support solide, le métal. Le procédé selon l'invention propose donc de mesurer en continu la fusion pour pouvoir mesurer, au moment voulu du palier de température, l'activité maximale des poussières qui sortent du four.
Les mesures ont été réalisées sur des fusions standards (ferrailles contaminées au Co60 et au Cs137, préalablement "karchérisées") et des fusions oxydantes (ferrailles contaminées à l'uranium, traitées de façon identique), sans graphite au départ pour préserver leur caractère oxydant. La courbe en traits fins visualise le passage du Cs137, tandis que la zone hâchurée visualise celui du Co60.
Les premières conclusions des expériences enregistrées sont assez surprenantes. A priori, on pouvait supposer que les propriétés thermodynamiques du Cs137 lui conféraient une labilité supérieure, et donc qu'il devait apparaítre en premier par rapport au Co60. Il n'en est rien pour ce système. En effet, nous traitons des ferrailles préalablement karchérisées et l'on peut supposer que la contamination labile est partie. Il ne subsisterait que l'oxydation en profondeur au bénéfice des pores occlus. D'autre part, l'émission active se produit au moment où la fusion à lieu. Il est alors raisonnable de penser que la libération du contenu des pores se produit au moment du changement d'état.
Cette hypothèse est confortée par la position du phénomène. Dans le cadre d'une étude de modélisation du fonctionnement du four, on peut observer que la durée et le moment où se produit le passage de l'état solide à l'état liquide coïncide avec l'enregistrement de l'activité dans les poussières.
La réalisation évoquée ici est celle utilisée lors du fonctionnement du four à arc de deux unités à MARCOULE par le déposant. Ce four est destiné à fondre des ferrailles issues d'installations nucléaires de base à démanteler. Ce four à arc a une puissance installée de 6 MW avec une capacité de 14 tonnes. Il est doté d'une ventilation lui permettant un fonctionnement en milieu confiné. Une de ces gaines de ventilation est celle représentée en coupe tranversale sur la figure 2 et référencée 1.
Sa section a été représentée de forme carrée avec deux parois latérales 2 et 3 opposées. Les poussières y circulent perpendiculairement par rapport au plan de cette figure 2.
La mesure de densité des poussières circulant à l'intérieur de la gaine 1 peut se faire avec de nombreux types différents d'appareils de mesure tels qu'un émetteur de rayonnements lumineux associé à un détecteur du rayonnement correspondant. Dans la réalisation décrite, on utilise le faisceau lumineux F émis par une diode laser 4 placée en regard d'une première face latérale 2 de la gaine 1, à l'extérieur de cette dernière. Cette diode laser est positionnée à l'aide d'un tube 5 fixé sur la première paroi latérale 2 de la gaine 1. Le faisceau lumineux F traverse donc de part en part la gaine 1 pour ressortir par une deuxième face latérale opposée 3. En regard de cette deuxième face latérale 3, est installé un premier détecteur de rayonnement lumineux qui est une cellule photovoltaïque 6 dans une position telle qu'elle est apte à recevoir et détecter l'intensité du rayonnement du faisceau lumineux F après qu'il ait traversé la gaine 1. Un deuxième tube 7 permet d'installer ce type de cellule photovoltaïque en étant fixé sur la deuxième paroi latérale 3. Ainsi, lorsque les poussières qui circulent dans la gaine 1 traversent le faisceau F, elles en absorbent une partie et modulent le rayonnement du faisceau. La cellule photovoltaïque 6 détecte donc le flux du rayonnement résultant et délivre des variations de tension consécutives à ces variations de lumière.
Ces indications sont envoyées vers un boítier d'acquisition et de commande 11.
On peut donc disposer d'une information concernant le taux de poussière à l'intérieur de la gaine 1, sous la forme d'une tension électrique caractéristique de cette densité de poussière se trouvant dans cette gaine. A titre d'exemple, on peut signaler que si It est l'intensité du faisceau traversant la gaine 1 et si V est la tension fournie par la photodiode, l'exploitation de la mesure s'effectue à l'aide de la formule suivante : V = k.Log(1+a.It/Io) où Io est l'intensité transmise par le faisceau en l'absence de poussières, a et k étant des coefficients.
Après approximation et en ignorant le phénomène de recouvrement, on peut admettre que la concentration C de poussières est définie par la formule suivante : C = A.(1-V/Vmax)
On peut ainsi mesurer une concentration de poussières de l'ordre de 30 g/m3 au moyen d'un faisceau laser long d'un mètre et ayant une section de 6 centimètres carrés.
La détection de l'activité de ces poussières est effectuée, dans cette réalisation, avec un ou plusieurs deuxièmes détecteurs de rayonnement gamma 9 placés autour de la gaine 1. Ils délivrent chacun un signal caractéristique du rayonnement détecté. Ce signal est envoyé à un analyseur multicanal 10. Ce dernier permet une sélection d'un ou de plusieurs détecteurs 9 et les indications ainsi sélectionnées sont adressées au boítier d'acquisition 11.
Le traitement et l'exploitation de ces signaux sont donc assurés par des moyens d'acquisition et de traitement constitués par le boítier d'acquisition 11 et une unité de commande et de traitement de signaux 20. Cette dernière peut être constituée par un microordinateur du type "Powerbook" en temps réel.
A l'aide d'une telle unité de commande et de traitement des signaux, il est possible à un opérateur de commander le démarrage, de régler la durée de l'analyse et de synchroniser les conditions d'acquisition de la mesure, ceci en temps réel.
Le boítier d'acquisition comprend deux moyens de mesure de tension 12A et 12B recevant respectivement le signal issu de la cellule photovoltaïque et les signaux issus de l'analyseur multicanal 10 constitués par les signaux de détection de rayonnement gamma. On utilise également deux mémoires 13A et 13B, connectées respectivement aux moyens de mesure 12A et 12B. Elles peuvent ainsi enregistrer des séries de valeurs mesurées concernant les deux types de signaux.
On complète avantageusement le boítier avec des moyens de calculs de moyenne 14A et 14B, connectés à la sortie des mémoires 13A et 13B pour fournir une indication caractéristique du phénomène mesuré sur une durée déterminée.
Le boítier d'acquisition se complète avantageusement d'un chronomètre 15 qui commande les moyens de mesure de tension 12A et 12B et les moyens de calculs de moyenne 14A et 14B.
La sortie de ces moyens de calculs de moyenne 14A et 14B est connectée à l'entrée de l'unité de traitement 20, en l'occurrence un microordinateur "Powerbook".
L'ensemble se complète d'un dispositif d'alimentation électrique 21 de la diode 4. Celui-ci est commandé par l'unité de commande et de traitement de signaux 20, mais peut également être commandé par le boítier d'acquisition et de commande 11.
On peut également utiliser un capteur de température 22 placé à l'intérieur de la gaine 1 pour corriger éventuellement, au niveau des moyens de mesure de tension 12A et 12B, les valeurs mesurées.
Le déroulement du fonctionnement d'un tel dispositif peut être le suivant. Il est schématisé par l'ordinogramme de la figure 3 et est assuré par le boítier d'acquisition et de commande 11, ainsi que par l'unité de commande et de traitement des signaux 20 figurant également sur cette figure.
Le programme d'acquisition est stocké dans le microordinateur constituant l'unité de commande 20. Il est ainsi possible de définir un intervalle de temps sur lequel se calcule la moyenne des tensions mesurées, ainsi qu'une durée totale de la mesure.
Sur la droite de l'ordinogramme, on voit qu'une fois que l'acquisition des données est faite, la lecture des tensions a lieu, réglée par le chronomètre. En fonction des conditions de transmissions informatiques RS232, les informations sont stockées.
Le chronomètre temporise le stockage des informations. Après une valeur déterminée de période, ces informations sont envoyées vers le microordinateur. Sur le côté droit de l'ordinogramme, on voit que le microordinateur est en dialogue direct avec le boítier d'acquisition et de commande. Ce micoordinateur reçoit les valeurs accumulées par le boítier d'acquisition et de commande, la moyenne étant calculée par intervalles de temps déterminés. Le cycle se continue jusqu'à tant que l'opération soit terminée.
En fait, selon le type de poussières à mesurer, on peut varier le type de mesure de densité des poussières. Dans l'exemple précédent, nous avons décrit l'utilisation d'un laser dans le domaine du visible. C'est l'écran formé par les poussières qui a été mesuré. On pourrait également envisager de mesurer la densité des poussières en mesurant la densité optique, c'est-à-dire la densité du volume traversé par le rayon laser. Il suffit alors de changer la longueur d'onde du rayonnement et de la cellule photovoltaïque. Ainsi, on pourrait choisir un système optique de mesure, caractéristique d'un effluent radioactif complètement gazeux, c'est-à-dire se trouvant sous forme de vapeur.
Un laser à infrarouge permet de voir en même temps la densité et la radioactivité dans le cas de la mesure d'oxyde de ruthénium.
Avec le système selon l'invention, on conçoit qu'il est possible pour l'opérateur d'agir en temps réel sur les conditions de fonctionnement de la ventilation en fonction des mesures effectuées en temps réel sur la gaine de ventilation. Les éléments mis en oeuvre dans ce système sont relativement simples et peuvent être facilement gérés par un microordinateur.

Claims (10)

  1. Procédé de contrôle de l'activité de poussières émises lors de la fusion, dans un four, d'éléments irradiés, le procédé consistant à :
    mesurer en continu la quantité de poussières pendant leur passage dans une gaine de ventilation (1) du four ; et
    mesurer l'activité liée à ces poussières.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure de la quantité de poussières se fait par la mesure de la densité des poussières avec une cellule photovoltaïque (6), tandis que la mesure de l'activité se fait avec au moins un détecteur de rayonnement gamma (9) couplé à un analyseur multicanal (10).
  3. Dispositif de contrôle de l'activité de poussières émises lors de la fusion dans un four de matériaux irradiés évoluant dans une gaine de ventilation (1), comprenant :
    un émetteur de rayonnement lumineux (4) placé en regard d'une première paroi (2) de la gaine de ventilation (1) ;
    un détecteur de rayonnement lumineux (6) placé en regard d'une paroi opposée (3) à la première paroi latérale (2) de la gaine de ventilation (1) et délivrant un signal caractéristique de la densité du milieu traversé à l'intérieur de la gaine de ventilation (1) ;
    au moins un détecteur de rayonnement gamma (9) placé en regard de la gaine de ventilation (1) et délivrant un signal caractéristique de l'activité du milieu traversé à l'intérieur de la gaine de ventilation (1) ; et
    des moyens (11, 20) d'acquisition et de traitement connectés au premier et au(x) deuxième(s) détecteurs (6, 9) et recevant lesdits signaux caractéristiques de la densité et de l'activité des poussières.
  4. Dispositif de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que les lecteurs (4)sont des diodes laser.
  5. Dispositif de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier détecteur (6) est une cellule photovoltaïque.
  6. Dispositif de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'acquisition de traitement comportent :
    un boítier d'acquisition et de commande (11) connecté au premier détecteur (6) et second(s) détecteur(s) (9) ; et
    une unité de commande (20) pour le traitement des signaux et la commande des détecteurs.
  7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un analyseur multicanal (10) placé entre le ou les deuxième(s) détecteur(s) (9) et le boítier d'acquisition de traitement (11).
  8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'unité de traitement (20) est un microordinateur.
  9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le boítier d'acquisition et de traitement comprend :
    deux moyens de mesure de tension (12A et 12B) ;
    deux mémoires (13A, 13B) pour enregistrer les valeurs de tensions mesurées ;
    deux moyens de calculs de la moyenne des valeurs (14A, 14B) ; et
    un chronomètre (15).
  10. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de température (22) placé à l'intérieur de la gaine (1) et relié au(x) moyen(s) d'acquisition et de traitement.
EP96400703A 1995-04-03 1996-04-01 Procédé et dispositif de contrÔle continu de l'activité de poussières Expired - Lifetime EP0736879B1 (fr)

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FR9503874 1995-04-03

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EP0736879A1 EP0736879A1 (fr) 1996-10-09
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US (1) US5693949A (fr)
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JP (1) JPH08327741A (fr)
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