FR2600454A1 - Procede et dispositif de decontamination des gaz d'echappement d'un circuit de combustion d'un reacteur de fusion pour des composants contenant des liaisons chimiques avec du tritium et/ou deuterium - Google Patents

Procede et dispositif de decontamination des gaz d'echappement d'un circuit de combustion d'un reacteur de fusion pour des composants contenant des liaisons chimiques avec du tritium et/ou deuterium Download PDF

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Abstract

PROCEDE DE DECONTAMINATION DES GAZ D'UN CIRCUIT DE COMBUSTION D'UN REACTEUR. PROCEDE CARACTERISE EN CE QU'ON EFFECTUE L'OXYDATION CATALYTIQUE A 200C A 300C; ON MET LE MELANGE GAZEUX OBTENU EN CONTACT AVEC UN LIT DE METAL A 200C ET 300C POUR ELIMINER LA QUANTITE RESIDUELLE D'OXYGENE O ET LA CONVERSION DE LA FRACTION D'EAU DANS LES ISOTOPES D'HYDROGENE; ON PREND LE MELANGE GAZEUX OBTENU POUR DECOMPOSER L'AMMONIAC A L'AIDE D'UNE MEMBRANE CHAUDE EN PALLADIUM A 400C A 450C; ON EVACUE LE GAZ D'ECHAPPEMENT DECONTAMINE A L'ATMOSPHERE EXTERIEURE. L'INVENTION CONCERNE DE DECONTAMINATION DES GAZ D'UN CIRCUIT DE COMBUSTION D'UN REACTEUR.

Description

Procédé et dispositif de décontamination des gaz d'échappement d'un
circuit de combustion d'un réacteur de fusion pour des composants contenant des liaisons chimiques avec
du tritium et/ou du deutérium ".
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la décontamination des gaz d'échappement du circuit de combustible d'un réacteur de fusion pour des composants de gaz de combustion contenant des liaisons chimiques avec du tritium et/ou du deutérium, procédé selon lequel on fait passer le gaz d'échappement sur un catalyseur d'oxydation, puis sur un lit métallique chaud, pour libérer le tritium et/ou le deutérium de sa ou ses combinaisons, le séparer des gaz
d'échappement et le réinjecter dans le circuit de combustible.
Le gaz d'échappement d'un circuit de combustible d'un réacteur à fusion contient environ 85 % en volume de gaz noble et environ 15 % en volume d'impuretés y compris des quantités résiduelles d'hydrogène lourd. Les impuretés sont constituées par de l'argon, 20 des hydrocarbures à tritium et/ou à deutérium notamment CH4 avec du tritium et/ou du deutérium, de l'eau avec du tritium et/ou du deutérium et de l'ammoniac avec du tritium et/ou du deutérium. I1 faut pour cela éliminer à la fois le tritium libre ainsi que les impuretés conte25 nant du tritium ou décontaminer le gaz d'échappement jusqu'aux valeurs limites autorisées pour le rejet avant que le gaz d'échappement résiduel ne soit envoyé dans l'atmosphère environnante. De plus, la récupération de tritium et de deutérium à partir de certaines liaisons contenant ces corps et la réinjection du tritium et du deutérium dans le circuit du combustible sont des opéra5 tions souhaitables en particulier, car de cette manière
on s'assure que le tritium n'est pas envoyé dans l'atmosphère.
Un procédé et un dispositif de décontamination du type de. la revendication principale sont décrits dans le document "Proceedings of Tritium Technology in Fission, Fusion.and Isotopic Application", Dayton, Ohio, 29 Avril 1980 aux pages 115-118. Dans ce cas, on fait passer les gaz d'échappement contenant les impuretés tout d'abord dans un récipient intermédiaire, puis dans 15 un réacteur à catalyse pour réduire l'oxygène avec de l'hydrogène à 450 K et toutes les impuretés sont fixées dans un tamis moléculaire à 75 K de manière à les séparer des gaz d'échappement. Après élévation de la température du lit à tamis moléculaire à 400 K, opération par laquelle 20 on désorbe les impuretés, on les oxyde dans un lit solide générateur d'oxygène à une température de 800 K pour donner de l'eau contenant du tritium ou du deutérium et des combinaisons sans tritium ou sans deutérium à savoir C02, N2 et Ar. L'eau contenant du tritium ou du deutérium est 25 congelée à 160 K, puis est évaporisée périodiquement et est envoyée sur un lit chaud d'uranium métallique qui à 750 K transforme l'eau en hydrogène contenant D ou T
et en UO2 solide. A la place de la réduction par le lit d'uranium métallique, on peut également faire une réduc30 tion à l'aide d'une cellule à électrolyse.
Les procédés proposés antérieurement présentent les inconvénients suivants: - un procédé à nombreuses étapes, - des températures élevées et ainsi le risque de perte de 35 tritium par perméation, - le fonctionnement du lit solide générateur d'oxygène à des températures élevées avec un éventuel frittage des particules du lit solide et un excédent d'oxygène dans les gaz d'échappement (désactivation) chargeant le dégazeur à métal chaud, - conversion oxydante de l'ammoniac et des hydrocarbures et réduction en retour de l'eau formée (charge pour le dégazeur à métal chaud), - oxydation de l'hydrogène et réduction en retour de l'eau 10 formée (charge du dégazeur à métal chaud), - production importante de déchets solides radio-actifs, - formation d'oxydes d'azote pendant l'oxydation de
l'ammoniac NH3 sur le lit solide générateur d'oxygène.
La présente invention a pour but 15 de créer un procédé et un dispositif de décontamination du gaz d'échappement d'un circuit de combustible d'un réacteur à fusion pour éliminer les parties de gaz contenant du tritium et/ou du deutérium sous forme de combinaisons chimiques, évitant les pertes de tritium et/ou 20 de deutérium par perméation et ne présentant pas la charge élevée pour les matériaux du dégazeur à métal chaud comme cela se produisait dans les procédés connus, évitant
également la formation d'oxydes d'azote.
Le procédé doit être économique en 25 énergie par rapport aux procédés connus et pouvoir se mettre en oeuvre simplement. Le tritium et/ou le deutérium libérés doivent pouvoir être réinjectés dans le circuit du combustible sans autre traitement à l'exception d'une
séparation isotopique.
A cet effet, l'invention concerne un procédé caractérisé en ce que: a) on effectue la réaction d'oxydation catalytique à une
température de l'ordre de 2001C à 300 C, les composants CO du gaz d'échappement étant transformés en C02, 35 le méthane en CO2 et de l'eau et les isotopes d'hydro-
gène étant oxydés en eau, l'ammoniac restant inchangé, b) on met le mélange gazeux obtenu par l'étape a) en contact avec un lit de métal à une température comprise entre 200 C et 300 C pour éliminer la quantité rési5 duelle d'oxygène 02 et pour la conversion sélective de la traction d'eau dans les isotopes d'hydrogène, c) on prend le mélange gazeux obtenu selon l'étape b) pour décomposer (cracking) l'ammoniac à l'aide d'une membrane chaude en palladium ou en un alliage palla10 dium-argent à une température de l'ordre de 400 C à 450 C, on fait passer tous les isotopes d'hydrogène ainsi libérés à travers la membrane pour les séparer de la veine de gaz résiduelle et les évacuer,
d) on évacue le gaz d'échappement décontaminé à l'atmos15 phère extérieure.
L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, ce dispositif est caractérisé en ce que dans le sens de l'écoulement du gaz d'échappement, une conduite (7) 20 en forme de circuit comporte un réservoir-tampon (1) pour équilibrer la pression du gaz, un lit de catalyseur (2) susceptible d'être chauffé pour oxyder CO, le méthane et l'hydrogène, un lit métallique (3) susceptible d'être chauffé pour séparer sélectivement 02 et l'eau des gaz 25 d'échappement par réaction chimique, un récipient (5) avec une ou plusieurs membranes (4) susceptibles d'être chauffées, pour laisser passer sélectivement les isotopes de l'hydrogène, ce récipient comportant une sortie de
produit (6) pour les isotopes de l'hydrogène ainsi qu'une 30 ou plusieurs pompes (8).
Le gaz d'échappement d'un circuit de combustible d'un réacteur à fusion présente sensiblement la composition suivante: entre 80 et 85 % molaires He, Ar 15 à 20 % molaires N(D,T)3, C(D,T)4 (D,T)20,
(D, T)2, CO, CO2, N2 et 02.
Il est clair qu'une partie des isotopes lourds d'hydrogène peuvent être remplacés par de
l'hydrogène léger (protium) dans les liaisons correspondantes.
Les avantages du procédé de l'invention ainsi que du dispositif de l'invention sont les suivants: a) une réduction du nombre d'étapes de procédé, b) à l'exception de la température de décomposition de 10 NH3, la température maximale de fonctionnement dans le circuit ne dépasse pas 300 C et ainsi il ne peut y avoir aucune perte de tritium par perméation à travers les parois métalliques, c) réduction au minimum des déchets solides radio-actifs, 15 d) réduction de la charge du dégazeur à oxygène (du lit métallique) à un minimum (pas de formation d'oxygène 02 in situ par décomposition thermique du lit solide générant de l'oxygène), et
e) il n'y a pas formation d'oxydes d'azote.
Dans le procédé exposé dans l'état de la technique, on peut avoir à la fois dans l'oxydation catalytique des composants du gaz d'échappement susceptibles ainsi qu'à la réduction de l'eau en hydrogène dans
le lit d'uranium, des pertes par perméation en hydrogène 25 lourd.
Dans le procédé selon l'invention, le gaz d'échappement est injecté comme gaz d'alimentation dans une conduite en circuit; le gaz passe dans un réservoir-tampon, puis il arrive à 200 C-300 C sur un lit 30 solide catalytique. Celui-ci contient par exemple de l'hopcalite (CuO/MnO2) ou de la perowskite. De ce fait, l'oxygène et le monoxyde de carbone contenus dans le gaz d'échappement sont transformés en C02, les hydrocarbures sont transformés en CO2 et en eau et l'hydrogène est oxydé en eau; toutefois, l'ammoniac n'est pas transformé et reste dans le gaz d'échappement. En cas de déficit en oxygène dans le gaz, le lit solide dégage des quantités stoechiométriques d'oxygène. Ce gaz d'échappement sortant du catalyseur est ensuite conduit sur un lit qui peut comporter par exemple de l'uranium métallique ou du titane métallique à une température comprise entre 200 C et 300 C de préférence 200 C; à ce niveau, l'eau est décomposée en formant de l'hydrogène et de l'oxyde d'uranium et éventuellement l'oxygène non transformé en gaz carbo10 nique est éliminé. Ce gaz d'échappement qui sort du dégazeur d'oxygène est alors envoyé à travers un récipient comportant des membranes en palladium ou en un alliage palladium-argent à une température comprise entre 300 C et 450 C de préférence à une température comprise entre 15 400 C et 450 C et l'ammoniac contenu dans -le gaz est décomposé quantitativement sur les membranes. Les membranes peuvent être réalisées comme un tube ou un faisceau de tube chauffé directement et muni d'une gaine extérieure refroidie (récipient). L'hydrogène lourd obtenu par le craquage dans ce récipient est évacué et le cas échéant
il est réinjecté dans le circuit de combustible du réacteur à fusion après passage dans une installation de séparation des isotopes de l'hydrogène.
Le gaz résiduel peut, suivant son 25 degré de pureté, être évacué directement à l'air ambiant ou encore être mis en circulation jusqu'à ce qu'il soit à la pureté nécessaire; à ce moment, le gaz traverse de nouveau tout d'abord le réservoir-tampon, puis les lits
de catalyseur décrits, le dégazeur d'oxygène et les réci30 pients.
Alors que le procédé connu comporte au moins sept étapes de procédé dont les différentes températures de mise en oeuvre sont très éloignées, la
plus grande différence de température de deux pas consé35 cutifs est de 640 alors que dans le procédé de l'inven-
tion, les trois pas ont des différences de température considérablement plus réduites et les températures sont uniquement croissantes. Alors que dans les procédés de l'état de la technique, l'oxydation catalytique de tous les composants susceptibles d'être oxydés, contenus dans le gaz d'échappement se fait à 525 C, dans le procédé de l'invention, l'oxydation catalytique du monoxyde de carbone CO, du méthane et de l'hydrogène se fait à des températures plus faibles de l'ordre de 200 C à 300 C. Se10 lon le procédé, la réduction consécutive de l'eau et l'élimination de l'oxygène par le métal du dégazeur à une température moyenne par exemple comprise entre 200 C et 300 C permettent alors l'étape de décomposition de l'ammoniac. La présente invention sera décrite de manière plus détaillée ci-après à l'aide du dessin
annexé dans lequel l'unique figure est une vue schématique d'un exemple de dispositif de l'invention.
Après arrivée des gaz d'échappement 20 à décontaminer dans la conduite 7 en forme de circuit, le gaz traverse le réservoir-tampon 1, puis arrive dans le lit de catalyseur d'oxydation 2 dans lequel, à une température par exemple de l'ordre de 250 C, CO est transformé en C02, les hydrocarbures comme par exemple le méthane sont transformés en CO2 et en eau et les isotopes d'hydrogène sont oxydés en eau de manière catalytique. Comme catalyseur, on peut avoir de l'hopcalite ou de la pérowskite. Comme les gaz d'échappement qui sortent de ce lit et qui contiennent encore de l'ammoniac, de l'eau et éventuellement du quantité résiduelle d'oxygène sont fournis à un lit d'uranium 3 chauffé par exemple à 250 C dans lequel l'oxygène résiduel est séparé et l'eau est décomposée sélectivement, les isotopes d'hydrogène étant dégagés et l'uranium métallique absorbant l'oxygène de l'eau ou le combinant. Le gaz sortant du lit d'uranium 3 qui ne contient pratiquement plus que de l'ammoniac et des isotopes d'hydrogène en plus du gaz vecteur qui est de l'hélium, est envoyé dans un récipient 5 avec par exemple des membranes en palladium 4; ces membranes se trouvent par exemple à une température de 450 C. Le récipient 5 est alors refroidi sur sa face
extérieure à une température inférieure ou égale à 200 C.
L'ammoniac est décomposé en ses éléments sur les membranes 4. En même temps, les-isotopes d'hydrogène traversent 10 les membranes et ces isotopes sont évacués par la sortie
6 hors du circuit 7.
R E V E ND I C A T I 0 N S
1 ) Procédé de décontamination des gaz de combustion d'un circuit de combustion d'un réacteur à fusion pour des composants de gaz de combustion 5 contenant des liaisons chimiques avec du tritium et/ou du deutérium, procédé selon lequel on fait passer le gaz d'échappement sur un catalyseur d'oxydation, puis sur un lit métallique chaud, pour libérer le tritium et/ou le deutérium de sa ou ses combinaisons, le séparer des 10 gaz d'échappement et le réinjecter dans le circuit de combustible, procédé caractérisé en ce que: a) on effectue la réaction d'oxydation catalytique à une température de l'ordre de 2000 C à 300 C, les composants CO du gaz d'échappement étant transformés en C02, 15 le méthane en C02 et de l'eau et les isotopes d'hydrogène étant oxydés en eau, l'ammoniac restant inchangé, b) on met le mélange gazeux obtenu par l'étape a) en contact avec un lit de métal à une température comprise 20 entre 200 C et 300 C pour éliminer la quantité résiduelle d'oxygène 02 et pour la conversion sélective de la fraction d'eau dans les isotopes d'hydrogène, c) on prend le mélange gazeux obtenu selon l'étape b) pour décomposer (cracking) l'ammoniac à l'aide d'une membrane chaude en palladium ou en un alliage palladium-argent à une température de l'ordre de 400 0C à 450 C, on fait passer tous les isotopes d'hydrogène ainsi libérés à travers la membrane pour les séparer de la veine de gaz résiduelle et les évacuer,
d) on évacue le gaz d'échappement décontaminé à l'atmosphère extérieure.
2 ) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant un réservoir-tampon, un lit de catalyseur d'oxydation sus35 ceptible d'être chauffé et un lit métallique susceptible d'être chauffé, dispositif caractérisé en ce que dans le sens de l'écoulement du gaz d'échappement, une conduite (7) en forme de circuit comporte un réservoirtampon (1) pour équilibrer la pression du gaz, un lit de catalyseur (2) susceptible d'être chauffé pour oxyder CO, le méthane et l'hydrogène, un lit métallique (3) susceptible d'être chauffé pour séparer sélectivement 02 et l'eau des gaz d'échappement par réaction chimique, un récipient (5) avec une ou plusieurs membranes (4) susceptibles d'être - chauffées, pour laisser passer sélectivement les isotopes de l'hydrogène, ce récipient comportant une sortie de produit (6) pour les isotopes de l'hydrogène ainsi qu'une
ou plusieurs pompes (8).
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