FR2774801A1 - Procede et installation de decontamination de crayons de combustible nucleaire au moyen d'un faisceau laser - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de décontamination de la gaine de crayons de combustible nucléaire (17), consistant à soumettre une surface de la gaine à l'impact d'un faisceau laser pulsé (11) provenant d'un laser Nd-YAG (12) émettant dans l'infrarouge.Elle concerne également une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Description
PROCEDE ET INSTALLATION DE DECONTAMINATION DE CRAYONS
DE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE AU MOYEN D'UN FAISCEAU LASER
Domaine technique La présente invention concerne un procédé de décontamination de crayons de combustible nucléaire au moyen d'un faisceau laser. Elle concerne également une installation permettant la mise en oeuvre de ce procédé. Un crayon (ou aiguille) de combustible nucléaire est constitué par une colonne de matériau fissile contenu dans une gaine. Cette gaine est généralement un tube métallique pourvu de bouchons soudés à ses extrémités. Le matériau fissile est par exemple introduit dans la gaine sous forme de
pastilles.
L'introduction des pastilles dans leur gaine présente un risque potentiel de contamination de la surface externe du crayon, en particulier de
l'extrémité du crayon accostée au "nez" d'engainage.
Si, lors de l'opération d'introduction des pastilles dans la gaine, l'ensemble du crayon (de 4,20 m de longueur environ) est contenu dans une boîte à gant, c'est toute la surface externe du crayon qui risque
d'être contaminée.
Une décontamination des crayons s'avère nécessaire pour les raisons suivantes. Les spécifications techniques exigent que la contamination résiduelle des crayons soit inférieure à un certain seuil: 0,4 Bq/dm2 en contamination labile et 83 Bq/dm2 en contamination fixée. Ces seuils sont justifiés par la manipulation des crayons dans l'usine, hors confinement. Il est nécessaire de limiter la dispersion des matières radioactives en aval de l'opération
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d'introduction des pastilles dans les gaines pour une contamination minimale des installations et des
matériels en boite à gants.
Un procédé performant de décontamination des crayons impose un certain nombre de contraintes. Le procédé doit se faire en ligne, pour traiter 10 crayons par heure, le temps imparti à la décontamination étant de l'ordre de dix secondes par exemple. Il doit être totalement automatisable, ne pas générer d'effluents liquides et être d'un faible encombrement en boîte à gants. La contamination présente sur les crayons est constituée de particules submicroniques provenant
du matériau constitutif des pastilles de combustible.
Dans le cas o le matériau fissile est constitué de pastilles MOX (Mixed OXide), ces particules sont en UO2, en Pu02 et en leur mélange. La gaine des crayons doit posséder une bonne tenue mécanique et la conserver jusqu'à la fin de la vie du combustible. Cette caractéristique est notamment mise en évidence par la conservation de l'aspect d'origine de la gaine: blanc, brillant et uniforme. Elle doit notamment rester ductile pour que les déformations répétées, dues aux variations de température et de pression dans les réacteurs, n'entraînent pas de fissuration. On peut avantageusement les réaliser en un alliage de zirconium
que l'on appelle le Zircaloy.
Etat de la technique Les solutions couramment utilisées pour décontaminer des crayons de combustible nucléaire consistent à nettoyer manuellement ces crayons au moyen de frottis à l'aide de tissus (coton, viscose,
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feutre,...) appliqués sur tout ou partie de la surface
externe du crayon.
On connaît par ailleurs un certain nombre de documents décrivant des procédés et des dispositifs de décontamination d'installations nucléaires au moyen
d'un faisceau laser.
Le document FR-A-2 525 380 divulgue un procédé de décontamination par laser, caractérisé par le fait que la surface à décontaminer est balayée par un faisceau laser présentant d'une part une densité d'énergie suffisante pour obtenir une pénétration thermique correspondant à l'épaisseur de la couche d'oxyde de métal contaminé par la radioactivité et d'autre part une largeur sensiblement plus grande que l'épaisseur de la couche d'oxyde. Sont citées des densités d'énergie de 4,6 à 23 joules/cm2, une énergie par impulsion de 0,3 joule et une durée d'impulsion de
à 40 ns, le laser étant un laser Nd-YAG.
Les documents FR-A-2 666 523, FR-A-2 674 983 et FR- A-2 678 418 déposés par la société FRAMATOME divulguent l'utilisation d'un faisceau laser YAG pulsé et émis en dehors de la zone contaminée, le faisceau laser étant transporté (de préférence par fibre optique) jusqu'à un emplacement voisin de la zone cible, ce faisceau laser étant alors amplifié pour être envoyé sur la surface cible. Selon le troisième document, deux faisceaux laser sont émis et sont transportés séparément par des fibres optiques pour être finalement combinés afin de décontaminer la surface désirée. La durée des impulsions laser est de à 30 ns pour une énergie de 0,3 à 2 joules ou plus par impulsion. La densité d'énergie apportée par les
impulsions est de 1 à 4,5 J/cm2.
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Le document FR-A-2 708 877 divulgue un procédé et un dispositif de décontamination autocontrôlé de surfaces par laser pulsé, le laser émettant dans l'ultraviolet (de 190 à 360 nm). Le faisceau laser est déplacé relativement par rapport à la surface à décontaminer. On règle la densité d'énergie et la fréquence des impulsions en fonction du matériau à décontaminer et de la vitesse de déplacement du faisceau laser. Le gaz ambiant est aspiré autour du
panache formé par l'arrachement des particules.
Le document EP-A-678 212 divulgue un procédé de décontamination par laser de surfaces
métalliques comportant une contamination incrustée.
Selon ce procédé, on dirige un faisceau laser sur la surface, ce faisceau laser ayant une densité de puissance suffisante (supérieure à 6 MW/cm2) pour provoquer l'éjection directe du liquide du bain de fusion généré par le laser permettant ainsi d'enlever la couche métallique superficielle contenant la contamination incrustée. De préférence, le laser est un laser pulsé dont les impulsions ont une durée minimale de 1 ms et une énergie de 5 J. Les moyens de collecte de la matière éjectée consistent essentiellement en une chambre dans laquelle est injecté un mélange d'eau et d'air permettant un refroidissement du matériau éjecté, facilitant ainsi son extraction par un moyen d'aspiration non décrit. Les applications indiquées dans ce document concernent essentiellement le démantèlement d'installations nucléaires, en particulier pour les zones difficilement décontaminables par les méthodes classiques. Un tel procédé fait intervenir de l'eau pour la collecte du matériau fondu éjecté et implique la fusion du matériau
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métallique contaminé sur une épaisseur de l'ordre du millimètre, ce qui endommage ainsi la surface de ce matériau. Le document FR-A-2 714 464 divulgue un procédé de contrôle de la contamination par laser mettant en oeuvre, en particulier, un dispositif d'aspiration des particules éjectées par le faisceau laser, en vue de l'analyse desdites particules. Ce dispositif comprend notamment une enceinte présentant une ouverture destinée à recouvrir une zone de la surface à contrôler, l'enceinte étant pourvue d'une lame transparente à un faisceau laser destiné à extraire les particules à prélever, par son impact sur cette zone. L'enceinte comprend également un orifice d'entrée et un orifice de sortie permettant la circulation d'un gaz pour le transfert des particules et l'enceinte peut être munie d'un orifice d'entrée supplémentaire placé le plus près possible de la lame
transparente de manière que le gaz balaye cette lame.
Tous ces documents décrivent des procédés de décontamination d'éléments d'installations nucléaires grâce à un faisceau laser. Quant à la décontamination des crayons de combustible nucléaire, les techniques utilisées jusqu'à ce jour consistent soit en une décontamination manuelle à l'aide de tissu, soit à une décontamination mécanique à l'aide d'une bande de tissu (en viscose, en polyester ou en coton) sèche ou imbibée d'alcool. Le document FR-A-2 674 363 divulgue un procédé de décontamination mécanique des
extrémités de crayons, utilisant une bande de tissu.
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Exposé de l'invention On connaît de nombreux procédés de décontamination par laser d'installations nucléaires à
démanteler, notamment par laser Nd-YAG pulsé.
Cependant, aucun des documents de l'art antérieur ne cite l'application d'une technique de décontamination par laser à des crayons de combustible nucléaire. Les seules techniques connues de décontamination des crayons de combustibles nucléaires consistent en un nettoyage manuel par frottis ou en un nettoyage mécanique des extrémités des crayons grâce à une bande
de tissu.
Il apparaît que l'application d'une technique de décontamination par laser des crayons de combustible nucléaire n'a pas retenu l'attention de l'homme du métier pour la raison que celui-ci considérait qu'un faisceau laser aurait endommagé
l'état de surface de la gaine en alliage de zirconium.
En effet, l'alliage de zirconium utilisé ou Zircaloy est un matériau ductile et un endommagement de l'état de surface de la gaine est susceptible de favoriser une corrosion, entraînant un risque de rupture de confinement de cette gaine lors de l'utilisation de crayons ainsi traités dans les assemblages destinés à
l'exploitation des centrales nucléaires.
Contrevenant aux usages dans ce domaine, les inventeurs de la présente invention ont effectué différents essais de décontamination de crayons de combustible nucléaire à l'aide de faisceaux lasers. Ces essais ont démontré que, contrairement au préjugé existant dans ce domaine technique, l'utilisation d'un faisceau laser pulsé provenant d'un laser Nd-YAG
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émettant dans l'infrarouge donne de très bons résultats. L'invention a donc pour objet un procédé de décontamination d'une surface de la gaine de crayons de combustible nucléaire, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre ladite surface de la gaine à l'impact d'un faisceau laser pulsé provenant d'un laser
Nd-YAG émettant dans l'infrarouge.
Si le faisceau laser est fixe, la gaine peut être mise en mouvement pour présenter la totalité de la surface à décontaminer à l'impact du faisceau laser. Dans ce cas, si la gaine est un cylindre de révolution, le mouvement de la gaine par rapport au faisceau laser peut être un mouvement de translation selon l'axe principal de la gaine associé à un mouvement de rotation de la gaine autour de son axe principal. L'invention a aussi pour objet une installation de décontamination de la gaine de crayons de combustible nucléaire, caractérisée en ce qu'elle comporte: - des moyens pour soumettre la surface à décontaminer de ladite gaine à l'impact d'un faisceau laser pulsé provenant d'un laser Nd-YAG émettant dans l'infrarouge et de caractéristiques propres à réduire le taux de contamination de ladite gaine, - des moyens d'élimination de ladite surface des produits résultant de l'impact du faisceau
laser sur ladite surface.
Avantageusement, l'installation comporte en outre des moyens de préservation de l'état de la surface à décontaminer de ladite gaine. Ces moyens de
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préservation peuvent comprendre des moyens pour balayer
la surface à décontaminer par un gaz rare.
De préférence, le faisceau laser restant fixe, l'installation comprend un mécanisme de mise en mouvement de la gaine afin de présenter la totalité de
la surface à décontaminer à l'impact du faisceau laser.
Un tel mécanisme peut comprendre des moyens de mise en rotation de la gaine sur elle-méme et des moyens de translation de la gaine par rapport au
faisceau laser.
Avantageusement, le système d'aspiration comprend un organe de récupération des produits résultant de l'impact du faisceau laser, cet organe étant pourvu: - d'une partie transparente audit faisceau laser et disposée de façon à transmettre, par l'intérieur de l'organe, le faisceau laser jusqu'à la gaine, - d'une ouverture de réception d'un crayon de combustible nucléaire à décontaminer permettant de soumettre la surface à décontaminer de sa gaine à l'impact du faisceau laser et permettant l'aspiration desdits produits, - de moyens d'introduction d'un gaz porteur en direction de la gaine, - de moyens d'aspiration du gaz porteur
véhiculant lesdits produits.
De préférence, ladite ouverture de réception est un tunnel traversant ledit organe et dans lequel ledit crayon de combustible nucléaire peut passer. L'installation peut être réalisée dans un système de boîtes à gants permettant le passage d'un
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crayon pour son remplissage par du combustible nucléaire, seule l'extrémité du crayon par o le combustible nucléaire est introduit étant susceptible d'être contaminée lors du remplissage, la décontamination intervenant lors du retrait du crayon.
Brève description des figures
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la
lecture de la description qui va suivre, donnée à titre
d'exemple non limitatif, accompagné des dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est une vue d'ensemble d'une installation industrielle de décontamination de crayons de combustible nucléaire illustrative de la présente invention, - les figures 2, 3 et 4 représentent différentes vues d'un organe de récupération des produits résultant de l'opération de décontamination, utilisé dans l'installation de décontamination représentée à la figure 1, - la figure 5 représente une installation expérimentale de décontamination de crayons de
combustible nucléaire selon la présente invention.
Description détaillée de modes de réalisation de
l'invention La contamination des crayons de combustible nucléaire consiste en une contamination dite labile ou transférable (résultant d'un dépôt en surface de particules non incrustées) et en une
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contamination fixée (résultant de particules incrustées dans la gaine) Selon invention, la surface externe contaminée des crayons de combustible nucléaire est soumise à l'impact d'un faisceau laser Nd-YAG pulsé agissant sur la contamination labile et sur la
contamination fixée.
L'installation industrielle de décontamination représentée à la figure 1 est intégrée dans une disposition particulière de boîtes à gants qui évite une contamination de toute la gaine et tout risque de fuite de particules contaminantes lors de l'opération de décontamination. Pour cela, quatre boîtes à gants 1, 2, 3, et 4 sont disposées les unes à la suite des autres et alignées selon l'axe d'un crayon de combustible. La boite à gants 1 possède une traversée étanche 5 permettant le passage d'un crayon de combustible 17. Les boîtes à gants 2 et 3, ainsi que les boîtes à gants 3 et 4 sont reliées par des traversées étanches, respectivement 6 et 7. La boite à
gants 4 se termine par un nez d'engainage 8.
Pour effectuer le chargement en combustible du crayon 17, celui-ci est introduit dans la boîte à gants 1 par la traversée étanche 5, passe dans la boîte à gants 2 en traversant l'organe 9, puis dans la boîte à gants 3 par la traversée étanche 6, enfin dans la boîte à gants 4 par la traversée étanche 7 pour venir s'accoster sur le nez d'engainage 8. Le chargement en combustible peut alors s'effectuer. De cette façon, seule l'extrémité de la gaine du crayon 17 proche du nez d'engainage 8 est susceptible d'être contaminée, ce qui peut représenter une longueur de
500 mm.
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Lors du retrait du crayon 17 de la suite de boîte à gants, on procède à la décontamination de l'extrémité contaminée ou susceptible d'avoir été contaminée. Cette opération s'effectue dans l'organe 9 au moyen d'un faisceau laser. Pour cela, un mécanisme d'entraînement 10 exerce sur le crayon 17 une action provoquant un mouvement de rotation du crayon sur lui-même et un mouvement de translation du crayon par
rapport à l'installation.
Le faisceau laser 11 est fourni par une source laser extérieure 12. Un miroir 13 permet de renvoyer le faisceau laser 11 émis par la source 12 dans la boite à gants 2, en direction de l'organe de décontamination 9. Un hublot 14, en verre transparent au faisceau laser et inséré dans la paroi de la boite à gants 2, permet d'amener le faisceau laser 11 jusqu'à l'organe de décontamination 9. Le trajet optique du faisceau laser, depuis la source 12 jusque la paroi de la boîte à gants 2 et de cette paroi jusqu'à l'organe
9, est confiné respectivement dans les tubes 15 et 16.
Ces tubes assurent la protection physique des opérateurs. Par ailleurs, tout ou partie de ces tubes peut être mis sous vide afin d'éviter des problèmes d'ionisation. Le faisceau laser 11 pénètre ensuite dans l'organe de décontamination 9 pour atteindre la gaine du crayon de combustible à décontaminer 17. La totalité des dispositifs optiques (miroirs, hublots,...) situés sur le trajet du faisceau laser est traitée à la longueur d'onde de ce faisceau pour éviter la dispersion de la puissance du laser d'une part et éviter la dégradation du matériau constitutif de ces
dispositifs optiques d'autre part.
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L'organe de décontamination 9 est détaillé beaucoup plus précisément par les figures 2 à 4. La figure 2 est une vue selon la coupe II-II de la figure 3. C'est la vue qui est visible sur la figure 1. La figure 3 est une vue selon la coupe III-III de la
figure 2. La figure 4 est une vue de dessus.
L'organe 9, disposé dans la boite à gants 2 ventilée en air, a pour fonction de collecter les particules résultant de l'opération de décontamination et de rendre inerte, sous atmosphère d'argon par exemple, la surface du crayon 17 soumise à l'impact du
faisceau laser 11.
L'organe 9 est constitué par un boîtier comprenant un corps 18 sur lequel est fixé un couvercle étanche 19. La fixation du couvercle 19 sur le corps 18 définit un conduit vertical 20 entre ces deux pièces,
ce conduit permettant le passage du faisceau laser 11.
Le conduit 20 a une section de forme rectangulaire dont le grand côté est orienté selon l'axe du crayon 17. Les dimensions du conduit 20 sont supérieures de 6 à 7 mm à
la section du faisceau laser 11.
L'organe 9 possède, à sa partie supérieure, une lame 36 transparente au faisceau laser 11 et montée étanche sur le corps 18 grâce à un joint d'étanchéité. La lame 36 laisse donc entrer le faisceau laser 11 dans l'organe 9 tout en assurant une
continuité d'étanchéité du conduit 20.
L'organe 9 est alimenté en argon par un conduit 21 aboutissant sur la partie supérieure du corps 18. Comme on le voit sur la figure 3, le conduit 21 débouche sur une fente rectangulaire 24 qui communique avec le conduit 20 par l'espace séparant la lame transparente 36 du corps 18. L'argon introduit par
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le conduit 21, avant d'être collecté dans une fente oblique 23 réalisée dans le corps 18 et aboutissant dans le conduit 20, acquiert la fente 24 une vitesse élevée (supérieure à 50 m/s) entre l'espace séparant la lame transparente 36 du corps 18. On crée ainsi un rideau de gaz protégeant la face interne de la lame transparente 36 des particules émises par l'impact du faisceau laser 11 sur le crayon 17. Le sens de circulation de l'argon provenant du conduit 21 s'oppose, dans le conduit vertical 20 à la remontée des
particules émises pendant la phase de décontamination.
L'organe 9 est également alimenté en argon par un conduit 22 situé en partie inférieure du corps 18 et aboutissant dans le conduit vertical 20. L'argon provenant du conduit 22 remonte dans le conduit vertical 20 en circulant dans la chambre 29, qui est une partie du tunnel prévu transversalement dans l'organe 9 afin de laisser passer le crayon 17, pour être évacué par la fente oblique 23. Ce flux d'argon permet de rendre inerte la zone du crayon soumise à l'impact du faisceau laser 11. Il assure aussi la collecte et l'entraînement des particules émises
pendant la phase de décontamination.
La fente oblique 23 est reliée à une conduite d'extraction 37. Pour assurer l'entraînement des particules émises lors de la phase de décontamination, la vitesse de circulation des gaz dans la fente 23, de section rectangulaire et de même largeur que le conduit vertical 20, doit être
supérieure à 30 m/s.
Le tunnel prévu transversalement dans l'organe 9, afin de laisser passer le crayon 17, est constitué de plusieurs sections comme le montre la
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figure 2. Il comprend un trou 25 compatible avec l'introduction du crayon 17 dans l'organe 9, tout en limitant au strict nécessaire les fuites d'argon à l'extérieur de l'organe 9. Il comprend aussi une première chambre annulaire 26 en communication par l'intermédiaire de trous avec la partie inférieure du conduit vertical 20 alimenté en argon par le conduit 22. Cette chambre annulaire 26 isole le conduit 20, par un premier confinement, d'un contact direct avec l'atmosphère de la boite à gants 2. Ceci permet d'obtenir une grande qualité de l'opération consistant
à rendre inerte les surfaces décontaminées.
Le tunnel comprend aussi la chambre 29, déjà mentionnée, croisant le conduit vertical 20 selon la longueur de sa section et créant un espace libre autour du crayon en cours de décontamination, permettant d'assurer une vitesse ascensionnelle de gaz supérieure à 20 m/s. Le tunnel comprend aussi une seconde chambre annulaire 27, identique à la première
chambre annulaire 26.
Le tunnel comprend également une bague 28 montée dans le corps 18 et dont le diamètre de l'alésage est variable. Côté chambre 27, le diamètre de l'alésage est, sur une distance de quelques millimètres, légèrement inférieur au diamètre du trou afin d'assurer un bon positionnement du crayon à décontaminer dans l'organe 9. Sur la longueur restante, le diamètre de l'alésage est prévu pour être compatible avec le passage des crayons dans l'organe 9 tout en limitant au strict nécessaire les fuites d'argon à
l'extérieur de l'organe 9.
Une autre bague, la bague 30, est centrée sur la bague 28. La bague 30 est équipée d'un détecteur
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laser constitué d'un émetteur 31 et d'un récepteur 32 (voir la figure 4). Le rôle de ce détecteur laser est, lorsque le crayon 17 en phase de décontamination n'est plus détecté, de provoquer, à l'aide d'un électro-aimant 34, la manoeuvre d'un diaphragme 33 afin de boucher partiellement la bague 30 (voir la figure 2). Le diaphragme 33 comporte un trou dont la section est équivalente à la surface annulaire laissée libre
entre un crayon et l'intérieur de la bague 28.
Lorsqu'il est actionné en fin de phase de décontamination, il permet de compenser la diminution des pertes de charge engendrées par la sortie du crayon de la bague 28. On assure ainsi une conservation à un niveau constant du débit de fuite d'argon, ce qui permet de ne pas modifier les vitesses de circulation
des gaz à l'intérieur de l'organe 9.
L'organe 9 possède, à sa partie inférieure, une lame transparente 38 montée étanche sur le corps 18. Une plaque mobile 39 interdit, en dehors des phases de réglage ou de contrôle, au faisceau 11 de sortir de l'organe 9 en traversant la lame transparente 38. L'ouverture de la plaque mobile 39 permet, en laissant sortir le faisceau laser 11, de régler ou de vérifier, par visée sur une cible située à l'extérieur de l'organe 9, la position du faisceau laser. Cette opération peut être réalisée en prenant toutes les précautions inhérentes à l'exploitation d'un laser de
classe IV.
Des essais ont été menés avec
l'installation expérimentale représentée à la figure 5.
L'installation, représentée sommairement, comporte une
source laser 41 accostée à une boîte à gants 42. Le faisceau laser 43 pénètre dans la boite à gants 42
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après avoir traversé un hublot 44 en verre transparent disposé dans la paroi de la boite à gants. Il est ensuite dirigé, au moyen du miroir de renvoi 45 porté par la potence 46, vers la zone o se trouve le crayon de combustible nucléaire 47 à décontaminer. Avant d'atteindre la gaine du crayon 47, le faisceau laser traverse l'organe 48 destiné à récupérer les produits résultant de l'impact du faisceau laser au moyen d'un flux d'argon, comme pour l'installation industrielle
décrite précédemment.
Le crayon de combustible 47 est disposé sur un mécanisme de mise en mouvement 49 qui procure à la gaine du crayon 47 un mouvement de translation par rapport au faisceau laser 43 combiné avec un mouvement de rotation de la gaine sur elle-même. Ce double mouvement fait que toute la surface cylindrique de la
gaine est soumise à l'impact du faisceau laser.
L'installation comprend encore un groupe d'alimentation pour le laser et un hublot d'observation 51 disposé
sur une paroi de la boite à gants 42.
On a utilisé un laser YAG pulsé travaillant dans l'infrarouge (pour une longueur d'onde de 1064 nm). La cadence de tir était fonction de la vitesse d'avancement des crayons sous le faisceau laser. La vitesse de déplacement du crayon 47 sous le faisceau laser peut être de 50 mm/s pour la translation et de 60 tours/minute pour la rotation. Le faisceau laser peut avoir les caractéristiques suivantes: durée d'impulsion 7 ns environ, énergie par impulsion 1850 mJ à 1064 nm, puissance d'utilisation de 80 à 150 MW/cm2 de préférence délivrée telle quelle sur la surface de la gaine du crayon. La tache du faisceau laser oeut être circulaire (d'un diamètre de 7, 9 ou 11 mm),
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elliptique (de dimensions 19 x 10 mm) ou encore rectangulaire (par exemple 24 x 5 mm). La tache rectangulaire peut être obtenue par mise en forme du faisceau laser au moyen de lentilles cylindriques d'anamorphose et d'une lentille convergente. Cette tache rectangulaire est préférée pour la décontamination des crayons car elle permet un
recouvrement optimum lors du traitement.
Pour une meilleure efficacité du procédé de décontamination, il est préférable que les particules extraites soient aspirées et qu'un soufflage soit effectué au niveau de la zone du crayon sur laquelle le faisceau laser est appliqué. C'est le rôle de l'organe 48 qui est placé le plus près possible de la zone de la gaine en cours de traitement. L'organe 48 est raccordé à un tuyau d'amenée d'air ou de gaz neutre (par exemple de l'argon) non représenté et à un circuit
d'aspiration également non représenté.
La vitesse d'aspiration est de préférence comprise entre 20 m/s et 60 m/s. Si la vitesse d'aspiration est trop faible, il y a rétention des particules dans le conduit du circuit d'aspiration. Si elle est trop importante, il se produit trop de
turbulences, ce qui gêne l'application industrielle.
Des essais ont été effectués sur l'installation expérimentale dans les condtions suivantes. Le laser utilisé est du type Nd-YAG fournissant un faisceau pulsé de 1850 mJ. La tache fournie par le faisceau est elliptique (19 x 10 mm) ou
rectangulaire (24 x 5 mm). Sa fréquence est de 10 Hz.
Les échantillons de crayons traités consistaient en cm de gaine en Zircaloy contaminée par des
poussières de rectification (755 Bq/pg).
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Les essais ont été effectués trois mois après la contamination qui s'est donc incrustée et ce qui représente des conditions défavorables pour les essais et non représentatives de la réalité. La vitesse de translation de la gaine était de 106 mm/minute et la vitesse de rotation de la gaine 12 tours/minute. Le débit d'aspiration était de 40 à 50 m3/h. Les puissancetestées étaient de 50, 100 et 130 MW/cm2. On a réalisé parallèlement deux tests de décontamination manuelle et deux essais d'évaluation de la contamination labile initiale. Le plan d'expérimentation et les résultats de ces essais sont respectivement présentés dans les
tableaux I et II ci-après.
Tableau I Essai Puissance (MW/cm2) Commentaires MOX 2-1 50 1er essai: "réglage" du mode opératoire MOX 2-2 130 déroulement selon le mode operatoire prévu MOX 2-3 130 déroulement selon le mode opératoire prévu MOX 2-4 50 déroulement selon le mode opératoire prévu
MOX 2-5 décontamination décontamination par frottis humide-
manuelle réalisation contestable MOX 2-6 évaluation ontinaon 3 frottis secs labile MOX 3-1 100 déroulement selon le mode opératoire _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ prévu MOX 3-2 100 déroulement selon le mode opératoire [___ __ _ prévu MOX 3-3 130 déroulement selon le mode opératoire _ _ _ __! __ __ prévu MOX 3- 4 évaluation odntamination 3 frottis secs labile
MOX 3-5 déconamination manuelle décontamination par frottis humide-
réalisation soignée
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Tableau II
Containation Fdglobal Comptages FAG (Bq/dm2) Essai Puissance C, amination rsiduelle (initiale/ob (M\N/CM2) (B# n-r FDIabile (M W/cm2) initiale (Bq'dm2) résiduelle) frottis 1 frottis 2 frottis 3 _ (Bq'dm2) _ _ _ _ _ MOX 2-6 évaluation 16 820 14 626 1,15 1 500 1 333 711 1,6 contamination labile MOX 3- 4 évaluation 9 783 9 199 1,06 233,3 111,1 111,1 2,3 contamination labile MOX 2-5 décontamination 4 681 3 600 1,30 91,3 39,9 17,2 8,3 manuelle MOX 3-5 décontamination 11 491 7 502 1,53 74,4 53,3 8,5 30,3 manuelle
MOX 2-1 50 11 977 2 919 4,10 71,1 35,6 6,7 80,9
MOX 2-4 50 88108 940 8,62 8,0 4,2 3,1 415
MOX 3-1 100 8 226 1 546 5,32 1,3 <dét. <dét. 5138
MOX 3-2 100 6 270 1 049 5,98 1,7 0,5 0,9 1 684
MOX 2-2 130 13 545 3 027 4,48 0,5 <dét. <dét. 21 036 MOX 2-3 130 7 935 1 697 4,68 1,4 <dét. <det. 4 455___
MOX 3-3 130 11 718 3 027 3,87 1,7 1,0 0,6 2 634
o Concernant le tableau II: la contamination initiale comprend la contamination labile et la contamination incrustée, la contamination résiduelle est la contamination après traitement, FD représente le facteur de décontamination, les comptages FAG sont réalisés au moyen d'un compteur proportionnel pour comptage fin, les frottis 1, 2 et 3 étant effectués successivement sur la même zone. Les contaminations initiales et résiduelles sont calculées en divisant le nombre de becquerels totaux lus à la sonde a par 0,1 dm2 (surface "vue" par la sonde). Les résultats bruts des comptages FAG (en Bq) sont ramenés en Bq/dm2 en les divisant par la surface frottée (0,45 dm). La limite de détection du comptage FAG est de 0,17 Bq, soit 0,38 Bq/dm2. FDlbi!e est calculé à partir des mesures effectuées selon l'équation: FDIa Containi/tot - Conta-r/tot + Contars/lab Conta,/iab De ces tableaux, il ressort que: - d'excellents résultats sont obtenus sur la contamination labile avec un facteur de décontamination labile FD de 80 à 21 000, - des résultats plus modérés sont obtenus sur la contamination fixée (FD de 4 à 8) mais la contamination initiale était très élevée et non fraîche, - la contamination laser est plus performante que la décontamination manuelle, quelle que soit la puissance utilisée, sur la contamination labile, de
meilleurs résultats sont obtenus à 100 et 130 MW/cm2.
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Par ailleurs, sous gaz neutre (argon), l'aspect "blanc, brillant uniforme" des gaines est
obtenu à une puissance de 130 MW/cm2.
D'autres essais ont été menés en inactif, c'est-à-dire sur des gaines non contaminées que l'on a soumises à un traitement laser afin de procéder à: - la vérification des critères d'aspect visuel "blanc, brillant, uniforme" des gaines traitées, (ce critère doit généralement être impérativement respecté), - la vérification de la tenue à la corrosion des gaines traitées par laser (essais autoclave), - l'analyse poussée de l'interaction laser/gaine par des coupes métallographiques et des
profils de concentration.
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Claims (21)
1. Procédé de décontamination d'une surface de la gaine de crayons de combustible nucléaire (17), caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre ladite surface de la gaine à l'impact d'un faisceau laser pulsé (11) provenant d'un laser Nd-YAG (12)
émettant dans l'infrarouge.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le faisceau laser (11) étant fixe, la gaine est mise en mouvement pour présenter la totalité de la surface à décontaminer à l'impact du
faisceau laser.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, la gaine étant un cylindre de révolution, le mouvement de la gaine par rapport au faisceau laser (11) est un mouvement de translation selon l'axe principal de la gaine associé à un mouvement de rotation de la gaine autour de son axe principal.
4. Procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le faisceau
laser (11) possède une section rectangulaire.
5. Procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce que
l'élimination des produits résultant de l'impact du
faisceau laser est réalisée par aspiration.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface de la gaine soumise à l'impact du faisceau laser (11) est balayée par un flux gazeux dans une direction facilitant l'aspiration des
produits résultant de l'impact du faisceau laser.
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7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le flux gazeux est un flux de gaz rare.
8. Procédé selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il se
déroule à l'intérieur d'une enceinte close.
9. Installation de décontamination de la gaine de crayons (17) de combustible nucléaire, caractérisée en ce qu'elle comporte: - des moyens pour soumettre la surface à décontaminer de ladite gaine à l'impact d'un faisceau laser pulsé (11) provenant d'un laser Nd- YAG (12) émettant dans l'infrarouge et de caractéristiques propres à réduire le taux de contamination de ladite gaine, - des moyens d'élimination de ladite surface des produits résultant de l'impact du faisceau
laser sur ladite surface.
10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens de préservation de l'état de la surface à décontaminer
de ladite gaine.
11. Installation selon la revendication , caractérisée en ce que lesdits moyens de préservation comprennent des moyens pour balayer ladite
surface à décontaminer par un gaz rare.
12. Installation selon l'une quelconque
des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que, le
faisceau laser (11) restant fixe, l'installation comprend un mécanisme (10) de mise en mouvement de la gaine afin de présenter la totalité de la surface à
décontaminer à l'impact du faisceau laser (11).
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13. Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que ledit mécanisme (10) comprend des moyens de mise en rotation de la gaine sur elle-même et des moyens de translation de la gaine par rapport au faisceau laser (11).
14. Installation selon l'une des
revendications 12 ou 13, caractérisée en ce qu'elle
comprend des moyens permettant de donner audit faisceau
laser (11) une section rectangulaire.
15. Installation selon l'une quelconque
des revendications 9 à 14, caractérisée en ce que les
moyens d'élimination des produits résultant de l'impact
du faisceau laser comprennent un système d'aspiration.
16. Installation selon la revendication 15, caractérisée en ce que le système d'aspiration comprend un organe (9) de récupération des produits résultant de l'impact du faisceau laser, cet organe étant pourvu: - d'une partie (36) transparente audit faisceau laser et disposée de façon à transmettre, par l'intérieur de l'organe (9), le faisceau laser (11) jusqu'à la gaine, - d'une ouverture de réception d'un crayon de combustible nucléaire à décontaminer permettant de soumettre la surface à décontaminer de sa gaine à l'impact du faisceau laser et permettant l'aspiration desdits produits, - de moyens d'introduction d'un gaz porteur en direction de la gaine, - de moyens d'aspiration du gaz porteur
véhiculant lesdits produits.
17. Installation selon la revendication 16, caractérisée en ce que lesdits moyens
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2s d'introduction d'un gaz porteur comprennent des moyens d'introduction (21,24) situés entre ladite partie transparente (36) et ladite ouverture, à proximité de
la partie transparente.
18. Installation selon l'une des revendication 16 ou 17, caractérisée en ce que ladite ouverture de réception est un tunnel traversant ledit organe (9) et dans lequel ledit crayon de combustible
nucléaire (17) peut passer.
19. Installation selon la revendication 18, caractérisée en ce que lesdits moyens d'introduction d'un gaz porteur comprennent des moyens d'introduction (22) situés de manière à diriger du gaz porteur vers la surface à décontaminer du crayon de
combustible nucléaire (17).
20. Installation selon l'une des
revendications 18 ou 19, caractérisée en ce qu'il est
prévu des moyens de fermeture partielle (33) du tunnel dudit organe (9) afin de compenser la variation de pertes de charge due à un retrait du crayon de
combustible nucléaire (17) dudit tunnel.
21. Installation selon l'une quelconque
des revendications 9 à 20, caractérisée en ce qu'elle
est réalisée dans un système de boîtes à gants (1,2,3,4) permettant le passage d'un crayon (17) pour son remplissage par du combustible nucléaire, seule l'extrémité du crayon par o le combustible nucléaire est introduit étant susceptible d'être contaminée lors du remplissage, la décontamination intervenant lors du
retrait du crayon (17).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20121031 |