FR2581893A1 - Procede de separation et d'enrichissement du krypton et du xenon a partir de l'effluent gazeux d'hydrogene d'un reacteur nucleaire - Google Patents

Procede de separation et d'enrichissement du krypton et du xenon a partir de l'effluent gazeux d'hydrogene d'un reacteur nucleaire Download PDF

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Abstract

PROCEDE DE SEPARATION ET D'ENRICHISSEMENT DU KRYPTON ET DU XENON A PARTIR DE L'EFFLUENT GAZEUX D'HYDROGENE D'UN REACTEUR NUCLEAIRE. LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE SEPARATION, D'ENRICHISSEMENT ET DE RECUPERATION DE L'EFFLUENT GAZEUX D'UN REACTEUR NUCLEAIRE. CETTE TECHNIQUE PERMET DE SEPARER ET D'ENRICHIR DU KRYPTON ET DU XENON RADIOACTIFS UTILISES DANS UN REACTEUR NUCLEAIRE OU DANS D'AUTRES INSTALLATIONS DE TYPE NUCLEAIRE AU MOYEN D'UN ALLIAGE METALLIQUE DE STOCKAGE D'HYDROGENE. EN UTILISANT CE PROCEDE DE TRAITEMENT DE L'EFFLUENT GAZEUX D'UN REACTEUR NUCLEAIRE, ON PEUT FACILEMENT ET SIMULTANEMENT RECUPERER L'HYDROGENE ET LES GAZ RARES, MINIMISER LA POLLUTION DU MILIEU NATUREL, ET ABAISSER LES COUTS DE FONCTIONNEMENT DUDIT REACTEUR.

Description

Procédé de séparation et d'enrichissement du krypton et du xénon à partir de l'effluent gazeux d'hydrogène d'un réacteur nucléaire.
La présente invention concerne un procédé de séparation, d'enrichissementet etde récupération de l'effluent gazeux d'un réacteur nucléaire. Ce procédé permet de séparer et d'enrichir du krypton (Kr) et du xénon (Xe) à partir d'un effluent gazeux au moyen d'un alliage métallique de stockage d'hydrogène.
Dans les centrales nucléaires et d'autres installations nucléaires, les neutrons rapides heurtant le U235, du fait de la fission, produisent une certaine quantité de Kr et de Xe radioactifs qui sont mêlés dans l'effluent gazeux d'hydrogène.
Le dégagement de cet effluent gazeux dans la nature a des conséquences néfastes telles que la pollution du milieu naturel, le déséquilibre des conditions météorologiques, la menace pour la sécurité de l'homme, et aussi la perte d'hydrogène comme porteur gazeux, le gaspillage de Kr et de Xe qui sont des gaz rares très précieux.
Différentes méthodes ont été mises au point pour extraire le Kr et le Xe radioactifs présents dans le courant d'hy drogène : l'extraction chimique utilisant le fluorure (Cl2 CF2) qui est très toxique ; cette méthode est compliquée et très onéreuse (ex. brevet japonais 57-100397) ; et la méthode d'absorption par charbon actif (demande non examinée de brevet japonais 57-28920).
La propriété que possèdent les alliages métalliques de stockage d'hydrogène de pouvoir absorber et dégager, de façon sélective, réversible et en grande quantité l'hydrogène est déjà largement utilisée dans les procédés de stockage et de purification de l'hydrogène (brevet japonais 57-156304). Mais ces procédés visent uniquement le stockage et la purification de lthydrogene ; ils ne concernent pas ltenrichissement et etla récupéra- tion des gaz rares.
La présente invention permet de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de séparation et d'enrichissement du Krypton et du Xénon radioactifs à partir de l'effluent gazeux d'un réacteur nucléaire.
Compte tenu de l'inertie du Kr et du Xe, l'invention est mise en oeuvre en utilisant un alliage métallique de stockage d'hydrogène qui est capable d'absorber l'hydrogène de façon sélective.
Le procédé de l'invention présente de multiples avantages : la réutilisation possible de l'hydrogène, l'enrichis- sement et la récupération du Kr et du Xe radioactifs présents dans l'effluent gazeux, la diminution de pollution du milieu naturel, l'abaissement du coût de fonctionnement des réacteurs nucléaires.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre accompagnée des dessins annexés.
La figure 1 montre le dispositif de la présente invention destiné à l'enrichissement du Kr et du Xe présents dans un courant d'hydrogene. Sur cette figure, (1) est l'alimenta- tion en effluent d'hydrogène qui contient le Kr et le Xe radioactifs, (2) est la sortie des gaz Kr et Xe radioactifs après séparation et enrichissement, (3) est la sortie d'hydrogène pur après séparation.
(5,6,7) représentent trois cuves d'alliage pour le stockage d'hydrogène mais leur nombre peut varier selon les- besoins. Dans les cuves on dispose des échangeurs de chaleur fonctionnant avec des résistances électriques et avec circulations d'eaux chaude et froide,
L'entrée des gaz se trouve à l'extrémité inférieure de ladite cuve de stockage d'hydrogène et est reliée à une vanne d'admission (8) ltextrémité supérieure est reliée à une vanne de sortie (10) de l'hydrogène pur placée sur la conduite de sortie (3) de l'hydrogène pur.
Les deux extrémités sont respectivement garnies d'un filtre mince (4) dont les ouvertures ont un diamètre de l'ordre du micron.
L'espace entre ces deux filtres est rempli par l'alliage métallique (11) de stockage d'hydrogène. Au-dessous, sur le bord latéral de la cuve, se trouve une vanne d'évacuation (9) du Kr et du Xe enrichis placée sur la conduite de sortie (2) des gaz. (12) représente la conduite d'alimentation des cuves (5,6,7) en effluent gazeux.
L'effluent gazeux (1) du réacteur nucléaire pénètre dans la cuve en passant successivement par la vanne d'admission (8) et le filtre métallique (43, puis l'alliage métallique (11) de stockage d'hydrogène absorbe de façon sélective l'hydrogène en laissant libre cours au Kr et au Xe et à d'autres gaz rares.
Ainsi, ces derniers flottent dans l'espace compris entre l'hydrure métallique et l'alliage. Quand l'alliage métallique (11) de stockage d'hydrogène arrive à saturation en hydrogène absorbé dans ladite cuve, il se forme uniquement de l'hydrure métallique.
A ce moment, on ferme les vannes (8) et (10), on ouvre la vanne (9) et on élève convenablement la température d'échange calorifique pour permettre à l'hydrogène dégagé dans le premier temps parl'alliage métallique d'emporter avec lui le :#r,le Xe et d'autres gaz rares.
On ferme ensuite la vanne (9), on ouvre la vanne de sortie (10) de l'hydrogène pur, celui-ci peut alors être recyclé et continuer à servir comme porteur gazeux, ainsi à partir de l'effluent gazeux d'hydrogène sont séparés et enrichis du Kr et du Xe. Les cuves de stockage d'hydrogène (5,6,7) peuvent fonctionner pour traiter l'effluent gazeux, en mode continu ou discontinu.
Les température et pression d'hydrogène stabilisées, nécessaires pour la séparation et l'enrichissement des gaz rares sont variables selon le type d'alliage métallique de stockage d'hydrogène utilisé. Par exemple, pour un alliage de magnésium, il faut une température supérieure à 250 C, obtenue par exemple au moyen de résistances électriques, afin de réaliser l'échange calorifique, tandis que pour un alliage de titane ou un alliage de terres rares, une température plus basse (20-300C) est suffisante.
De même la pression d'hydrogène stabilisée nécessaire se situe généralement entre 1-10 atm ; pour l'atteindre, l'alliage de magnésium doit être porté à une température de 237-3504C, tandis que l'alliage de titane ou l'alliage de terres rares peuvent l'atteindre facilement à température ambiante.
La figure 2 représente un autre mode de réalisation de la présente invention. Ladite cuve dont le diamètre est de 108 mm contient 3.5 m3 d'hydrogène. Elle est en acier inoxydable, de forme cylindrique. Aux extrémités supérieure et inférieure ainsi que sur les bords latéraux sont soudés des filtres minces (15) en acier inoxydable dont les ouvertures ont un diamètre de l'ordre du micron. La partie supérieure de la cuve est reliée à une bride (14). Le filtre supérieur est soudé sur la partie supérieure de la bride (14). L'eau de circulation assure l'échange de chaleur. Le tube (13) de ltechangeur de chaleur est en cuivre et est relié à des ailettes de cuivre en forme d'éventail.Les vannes (16,17,18) sont disposées respectivement en tant que vanne inférieure d'entrée, vanne supérieure de sortie et vanne inférieure latérale de sortie (ces vannes sont fabriquées par l'Usine de valves
Dong Hai de Changhai). La cuve de stockage d'hydrogène contient 17-18 litres d'alliage (20) de stockage d'hydrogène (TiFe 0,86 Mn 0,1) dont la granulométrie est la suivante
Figure img00040001
<tb> Granulométrie <SEP> | <SEP> 1-2 <SEP> Xm <SEP> <SEP> | <SEP> <SEP> 0,5-1,0 <SEP> mm <SEP> | <SEP> <SEP> 0,2-0,5 <SEP> mm <SEP> | <SEP> <SEP> 0,2 <SEP> mm <SEP>
<tb> <SEP> poids <SEP> Z <SEP> <SEP> 33 <SEP> | <SEP> 31 <SEP> 21 <SEP> | <SEP> <SEP> 15
<tb>
Après la mise en place, l'alliage est soumis à un traitement préliminaire. On chauffe pour cela l'alliage à 800C, on fait le vide dans le système et on rend l'alliage actif sous une pression d'hydrogène de 40 kg/cm2. A la température ambiante (250C environ), on introduit dans la cuve de stockage d'hydrogène 2500 litres d'effluent gazeux d'hydrogène contenant du Kr et du Xe.
Ensuite, à une température de 300C et à une pression d'hydrogène de 5 kg/cm2 le dégagement d'hydrogène commence. Au début du dégagement l'efficacité de l'enrichissement du Kr et du Xe augmente de plus de deux unités (Tableau 1).
Figure img00050001
<tb>
<SEP> Concentration <SEP> de <SEP> Kr <SEP> et <SEP> de <SEP> Xe <SEP> { <SEP> <SEP> Concentration <SEP> de <SEP> Kr <SEP> et <SEP> de <SEP> Xe
<tb> <SEP> dans <SEP> l'hydrogène <SEP> de <SEP> départ <SEP> après <SEP> la <SEP> séparation <SEP> et
<tb> <SEP> l'enrichissement
<tb> (PPM) <SEP> <SEP> (PPM)
<tb> <SEP> 1 <SEP> Concentration <SEP> de <SEP> Kr <SEP> 110 <SEP> 20889
<tb> <SEP> 2 <SEP> Concentration <SEP> de <SEP> Xe <SEP> 81 <SEP> 13776
<tb> <SEP> 3 <SEP> Mélange <SEP> de <SEP> I <SEP> <SEP> Kr <SEP> 102 <SEP> 14245
<tb> <SEP> Kr <SEP> et <SEP> de <SEP> Xe <SEP> Xe <SEP> 83 <SEP> i <SEP> 12795
<tb>
Tableau 1 : Après le traitement de l'alliage TiFeMn,
efficacité de l'enrichissement du Kr et du Xe
au début du dégagement d'hydrogène.
Figure img00050002
<tb>
Concentration <SEP> <SEP> de <SEP> Kr <SEP> et <SEP> de <SEP> La <SEP> proportion <SEP> de <SEP> Kr <SEP> et <SEP> de <SEP> Xe <SEP> présents
<tb> <SEP> Xe <SEP> dans <SEP> le <SEP> courant <SEP> dans <SEP> le <SEP> courant <SEP> d'hydrogène <SEP> après <SEP> un
<tb> <SEP> d'hydrog & e <SEP> de <SEP> départ <SEP> dégagement <SEP> gazeux <SEP> d'environ <SEP> 100 <SEP> litres
<tb> <SEP> (PPM)
<tb> <SEP> Kr <SEP> dans <SEP> le <SEP> Xe <SEP> dans <SEP> le <SEP> Mélange <SEP> de <SEP> Kr
<tb> <SEP> courant <SEP> courant <SEP> et <SEP> de <SEP> Xe <SEP> dans
<tb> <SEP> d'hydrogène <SEP> d'hydrogène <SEP> le <SEP> courant
<tb> <SEP> dthydrogene <SEP>
<tb> <SEP> (PPM) <SEP> (PPM) <SEP> (PPM)
<tb> <SEP> Concentration <SEP> de
<tb> <SEP> Kr <SEP> 110 <SEP> 0,25 <SEP> |
<tb> <SEP> Concentration <SEP> de
<tb> <SEP> Ke <SEP> 81 <SEP> 0,89
<tb> <SEP> Mélange <SEP> de <SEP> | <SEP> Kr <SEP> 102 <SEP> | <SEP> 0,83
<tb> <SEP> Kr <SEP> et <SEP> de <SEP> Xe <SEP> 1 <SEP> Xe <SEP> 83 <SEP> | <SEP> 0,11
<tb>
Tableau 2 : quantité de Kr et de Xe présents dans le courant d'hydro
gène après un dégagement gazeux d'environ 100 litres.
Comme le montrent les résultats ci-dessus, si l'on traite 2500 litres d'hydrogène contenant environ 100 PPM de Kr et de Xe par absorption et extraction de la cuve de stockage d'hydrogène, on obtient, après dégagement de 100 litres d'hydrogène, une séparation et un enrichissement du Kr et du Xe presque complets (Tableau 2). La capacité de stockage d'hydrogène de l'alliage
Ti Fe Mn reste la même après 500 emplois successifs en absorption et extraction. En permettant de récupérer l'hydrogène et d'autres gaz rares comme le Kr et le Xe, ce procédé de traitement de lteffluent gazeuxdes réacteurs nucléaires est pratique, moins onéreux, est aussi moins polluant et permet d'abaisser les coûts de fonctionnement des réacteurs nucléaires. Ce procédé est également valable pour séparer, enrichir et récupérer d'autres gaz rares inertes.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés et dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Procédé de séparation et d'enrichissement du krypton et du Xénon à partir de lteffluent gazeux d'un réacteur nucléaire caractérisé en ce qu'il utilise un alliage de stockage d'hydrogène capable d'absorber l'hydrogène de façon sélective.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'alliage de stockage d'hydrogène utilisé est un alliage de titane, de magnésium ou de terres rares.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'alliage de titane utilisé est un alliage de titane, de fer et de manganèse (TiFeMn).
4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé -en ce que l'alliage TiFeMn utilisé est TiFe 0,86 Mn 0,1.
5. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que pour l'alliage de titane ou de terres rares, la séparation et l'enrichissement -nécessitent une température de 20-300C et une pression d'hydrogène stabilisée de 1-10 atm.
6. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que pour l'alliage de magnésium la séparation et l'enrichissement nécessitent une température de 237-3500C et une pression d'hydrogène stabilisée de 1-10 atm.
7. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'alliage de stockage d'hydrogène TiFe o 86 Mn 0,1 est introduit dans une cuve métallique de stockage d'hydrogène dont les extrémités supérieure et inférieure ainsi que le bord latéral sont garnis de filtres minces en acier inoxydable dont les ouvertures ont un diamètre de l'ordre du micron, la capacité d'absorption de ladite cuve étant de 3.5 m3 et l'intérieur de cette cuve étant garnie d'échangeurs de chaleur en cuivre, en forme d'éventail.
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