Le Traitement des combustibles RNR usés

Transcription

Le Traitement des
combustibles RNR usés:
Bilan des connaissances et perspectives
Michel MASSON
CEA/DEN/MAR/DRCP
Avec les contributions de B. Lorrain et A. Vaudano
─ Contexte
─ Historique du traitement des RNR
─ Le combustible RNR MOX
─ Le combustible RNR Carbure
Atelier PARIS-GEDEPEON « Séparation-Transmutation »
Génération IV : les principaux critères
1/ DURABILITE
– préservation des ressources naturelles
– minimisation des déchets ultimes
– résistance / risques de prolifération
2/ ECONOMIE
3/ SURETE
Département RadioChimie et Procédés
2
Quels objectifs pour le cycle ?
(1) Recycler les actinides
[valorisation U et Pu]
[quantité, radiotoxicité, impact des déchets]
(2) Recycler en bloc les actinides ?
[simplifier, accroître résistance/risques de
prolifération]
(3) Une technologie « compacte » et « propre »
[coût, limiter rejets et déchets technologiques]
3
La loi du 28 juin 2006 …
LA « FEUILLE DE ROUTE » :
28 Juin 2006
– 2012 : évaluation des potentialités
industrielles des diverses options
(réacteur prototype 2020, recyclage des
actinides)
– 2015 : définition du stockage
(mise en exploitation 2025)
4
Les grandes voies de traitement
• HYDROMETALLURGIE
− taux de séparation élevés
− peu de déchets technologiques
− peu compact, nombreuses étapes
• PYROMETALLURGIE
• AUTRES ?
− supercritique, échangeurs solides ?
− Volatilisation sélective ?
− Procédés physiques ?
5
USINES FRANCAISES
1970
1960
UP2
1980
UNGG
Eau légère
Rapide
1976
1994
UP3
1990
UP2-800
AT1
2000
1987
1966
UP2-400
APM
1990
1994
1962
1997
1969
1978
6
Traitement des RNR MOX : retour d’expérience français
Atelier AT1 La Hague
•
1969 - 1978 :première installation pilote française pour le retraitement des
combustibles RNR (Rapsodie et Phénix) ; capacité 1 kg/j ; 15477 aiguilles ou
753,7 kg d’U+Pu
Usine UP2 - 400 La Hague
•
1978 à 1984 : traitement de 11 t (U+Pu) (Phénix cœur interne, 73 GWj/tmli
maximum et refroidissement de 16 à 48 mois)
Après dissolution dans l’atelier HAO (en présence d’un poison neutronique
en solution), le traitement a été réalisé en dilution avec du combustible
UNGG
•
Atelier Pilote de Marcoule
•
•
1973 - 1983 : Chaîne TOP : combustibles Rapsodie, KNK et Phénix ; 6,8 t
(U+Pu) (Phénix, 35 à 105 GWJ/tmli), Pu récupéré au retraitement réutilisé
dans la fabrication du combustible ( jusqu’à 2 recyclages pour
l’assemblage Fontenoy)
1988 – 1997 : Chaîne TOR : 6 t (U+Pu) (Phénix, 75 à 105 GWj/tmli)
7
Traitement des RNR MOX : les projets français dans le passé
• Faisabilité acquise, dans certaines conditions, du traitement industriel
des combustibles oxydes RNR ; 27,5 t RNR MOX traités en France
entre 1969 et 1997
Les projets d’usines
•
1980 : projet PURR (Première Usine de Retraitement de combustibles
Rapides) :
– la capacité de retraitement de cette usine était de 150 t/an et devait
retraiter les combustibles des réacteurs SPX, Phénix et SNR 300
•
1981-1982 : projet MAR 2000
– retraitement des combustibles associés à un projet de EDF de quatre
tranches RNR de 1500 MWe. Le projet MAR 2000 regroupait les usines
PURR et FOR (Fabrication Oxyde Rapide).
•
1984 : projet MAR 600
– retraitement des combustibles SPX, capacité 250 kg/j
8
Combustible RNR MOX
Combustible RNR MOX :
- Oxyde mixte gainé métal
- Carbure mixte en repli
9
En quoi diffère un RNR MOX… : les points particuliers pour le traitement
COMBUSTIBLE
Caractéristiques
Composition av. irr.
Structure
Assemblage
Nature de la
gaine
Pièces de
structures
Diamètre des
aiguilles (mm)
Eau légère
UOX
MOX
UO2 enrichi
(U,Pu)O2
235
Pu: 3 - 8,5%
U: 3 - 4,5%
faisceau (200 à 300 aiguilles)
Zircaloy
Zircaloy
tête et pied (grilles, tirants)
11 à 12
11 à 12
MOX RNR
(U,Pu)O2
Pu: 13 - 20%
faisceau (200 à 300
aiguilles)
Acier inox
tête (PNS), pied,
tube hexagonal, fil
espaceur
Solubilité
Gestion de la Criticité
Dissolution Fer, Cr, ...
Technologie
6à8
REP
Irradiation
Puissance spécifique
taux de
combustion
(MWj/t)
33000/60000
33000/45000
80000/120000
température
moyenne (°C)
850 (1300 à
coeur)
850 (1300 à coeur)
1700
1 an de
refroidissement
10
25
40
Plutonium
Act. Mineurs
PF totaux
platinoides
1
0,03 - 0,1
3,5
0,4
1-5
0,55
5
0,9
8 - 15
0,5
8 - 12
2-3
RNR
(KW)
Composition ap. irr.
Précipités Pu-PF
Incorporation dans verres
10
Particularités du traitement mécanique
• Elimination préalable des
tête et pied de l’assemblage
• Découpe du tube hexagonal
• Enlèvement éventuel du fil
espaceur
• Cisaillage des aiguilles
• Tenue des gaines en acier
inoxydable :
– sous l’effet de l’irradiation
(allongement, rupture
d’aiguilles)
– lors du cisaillage
(berlingotage)
11
APM - TOR 1 Traitement mécanique
enlèvement du fil espaceur
12
Particularités de la dissolution des RNR MOX
• Limite de solubilité des oxydes mixtes
Diminution de la cinétique de
dissolution de l’UPuO2 avec la teneur
en plutonium, dans l’acide nitrique à
l’ébullition pendant 6 heures.
Courbe de dissolution dans HNO3
ébullition, durée 6 heures.
• Perte en matière fissile liée à la teneur élevée en Pu :
– Nécessité d’augmenter l’acidité, la température et la durée de la
dissolution
– Ajout d’un digesteur discontinu en aval d’une dissolution continue
•
13
• Problèmes accrus de corrosion :
– Présence de Pu (VI) et de Np (VI) due au milieu très oxydant
– Dissolution partielle du matériau de gainage
Résultats d’immersion 12h dans HNO3 9 mol.L-1 à l’ébullition
EM12: 9Cr 2Mo 0,1V 0,5Nb
DT: 13Cr Ti2O3
DY 05: 13Cr Ti2O3, Y2O3
MA957: 14Cr 0,3Mo 1Ti 0,2Y2O3
MA956: 20Cr 4,5Al 0,5 Ti 0,5Y2O3
N9 : 12Cr 25Ni 0.07C Ti
15/15Ti : 15,5Cr 14,5Ni 0,5Ti
316 : 17Cr 12Ni
316Ti : 17Cr 13Ni 0,4Ti
140
2500
100
Aciers
austénitiques
80
60
40
2000
Niveau acceptable de corrosion
Fe dissous (mg/L)
F e d is s o u s (m g /L )
120
1500
Aciers ferritiques-martensitiques
1000
500
20
0
12
15,5
17
17
N9
15/15Ti
316
316Ti
Teneur en Cr (% mass.)
0
9
13
EM12
DT
13
14
20
DY 05
MA957
MA956
Teneur en Cr (% mass.)
• Corrosion acceptable des gaines en acier ferritique à dispersoïdes
si proche de 20Cr
14
• Problèmes accrus de sûreté-criticité
– limitation de la concentration en U et Pu,
– géométrie sous-critique des appareils (cas d’AT1 et de l’APM)
– éventuel empoisonnement des solutions (cas du HAO).
15
Dissolveur continu hélicoïdal - Prototype SPI
16
Evolution de la composition des précipités métalliques
Evolution avec le BU du rapport Mo/Ru dans les précipités métalliques d’un
combustible RNR
Au-dessus de 80 GWj/tmli
- Masse de précipités métalliques
- enrichissement en métaux nobles
17
Proportion de Tc dissous
Influence de la teneur initiale en Pu
200
Uox-REP
180
90%
Tc soluble
160
Tc (mg/L)
140
65-70%
120
MOX-REP
100
10%
80
60
40
MOX-RNR
20
0
0
2
4
6
Pu/( U+Pu)
8
10
12
14
16
18
20
dans le combustible %
18
Masse de résidus de dissolution
Influence du taux de combustion
70
60
50
Evolution de la masse de
produits de fission
40
30
insolubles en fonction du
taux de combustion
mesuré après dissolution
20
10
du combustible irradié
par HNO3 7M
19
Granulométrie des résidus de dissolution
Influence du taux de combustion
Données anciennes à réactualiser
20
Comportement des gaz rares
• Inertes chimiquement
Combustible
• Dans le combustible :
– occlus dans l’oxyde,
– dans la chambre
d’expansion
REP
NR PHENIX
NR FORTISSIMO
Cisaillage
3à6%
60 à 80 %
95 %
• Relâchement plus ou moins
important au cisaillage
21
Répartition du tritium
COMBUSTIBLES REP
HT 0,5 %
40 %
Gaz de dissolution
0,2 %
Solution de dissolution
40 %
Coques
60 %
Liquide de refroidissement du réacteur
0,1 %
Gaz de dissolution
0,005 %
Solution de dissolution
1%
Coques
~0%
OXYDE
TRITIUM FORME
HTO, OT 99,5 %
100 %
~ 100 %
60 %
GAINE
~ 0,1 %
COMBUSTIBLES NR
HT 0,5 %
1%
OXYDE
TRITIUM FORME
HTO, OT 99,5 %
100 %
~0%
99 %
GAINE
~ 100 %
Liquide de refroidissement du réacteur
99 %
22
Particularités des Extractions
• Présence de Pu (VI) en quantité importante :
– Nécessité de réduction du Pu(VI) (radiolyse α ou par bullage
de NOX)
• Présence de fines de dissolution :
– Augmentation des crasses d’interphase dans les appareils
d’extraction
• Quantité de PF :
– Décontamination plus difficile de U et Pu vis-à-vis de Ru/Rh
• Partition U-Pu au 1er cycle non testée pour des combustibles
RNR
23
Conditionnement des produits de fission
• Concentration des produits de fission :
– Contraintes sur la masse de composés oxydes
– Contraintes thermiques
– Contraintes sur la masse de fer
• Vitrification des PF :
– Risques d’atteindre des teneurs limites en Ni et Cr
– Dépassement de la borne d’activité α totale (Pu des fines)
– Problème éventuel du gadolinium si addition de poison
soluble dans le procédé pour raisons de sûreté-criticité
Recherche d’
d’un procé
procédé de conditionnement
séparé
paré des fines de dissolution des PF
24
Le combustible GFR
Combustible plaque
Combustible GFR innovant :
- Combustible céramique
U80Pu20(AM)C/SiC
- Séparateur métallique: W,
W-Re, …
- Recyclage intégral des AM (1,5
à 3% en coeur)
Combustible aiguille
1-Tube métallique
réfractaire
2-Enroulement de fibres
SiC ou tricotage
3- Réalisation de la matrice
par infiltration SiC
25
En quoi diffère un carbure … : les points particuliers pour le traitement
COMBUSTIBLE
Caractéristiques
Composition av. irr.
Structure
Irradiation
Puissance spécifique
Assemblage
MOX RNR
Carbure GFR
(U,Pu)O2
(U,Pu)C
Pu: 13 - 20%
Pu: 20%
faisceau (200 à 300 faisceau plaques ou
aiguilles)
aiguilles
Nature de la
gaine
Acier inox
SiC
Pièces de
structures
tête (PNS), pied,
tube hexagonal, fil
espaceur
Matrice inerte SiC
Diamètre des
pastilles (mm)
6à8
11
taux de
combustion
(GWj/t)
80/120
50/100
température
moyenne (°C)
1700
1600
1 an de
refroidissement
40
30
Plutonium
Act. Mineurs
PF totaux
platinoides
8 - 15
0,5
8 - 12
2-3
20
0,3
5-10
2
Pyrophoricité
Solubilité
Produits carbonés
Technologie
Céramique dure abrasive
Déstructuration CF/MI
Séparation CF/MI
Gestion du déchet
(KW)
Composition ap. irr.
26
Traitement des combustibles carbure : retour d’expérience
•
Expérience française
─ fin des années 1970
IGCAR Reprocessing Facility
─ limitée au laboratoire
quelques tronçons
à
• Expérience indienne récente :
─ plusieurs aiguilles Carbure U0,3-0,45Pu0,7-0,55
de plusieurs assemblages du cœur MK-1 du
réacteur FBTR
─ taux de combustion entre 25 et 148 GWj/tmli
─ cisaillage mécanique sous argon
─ dissolution à acidité nitrique concentrée (HNO3
9N) et à reflux pendant 24h (destruction des
espèces carbonées en solution par électrooxydation)
─ rendements de récupération de U et Pu par
PUREX « annoncés » bons
27
Particularités des combustibles carbures
Energie (mW)/masse d’UC (mg)
Influence de la teneur en oxygène sur l’énergie de la
réaction d’oxydation du carbure d’uranium à l’état divisé
8
UC divisé
Masse = 3,5 g
O2 pur
6
O2 : 20% air
4
O2
30% air-Ar
O2 : 3 % air-Ar
2
100
150
200
T°C
250
300
Définir des conditions de manipulation sû
sûres des
combustibles carbures
28
Particularités du traitement des combustibles carbures
• Dissolution nitrique des carbures d’actinides
─ UPuC soluble dans l’acide nitrique (cinétique de dissolution (~50 g.cm-2.h-1),
environ 2 fois plus rapide que les oxydes)
─ Matériau très réactif au contact de l’acide nitrique
─ ~ 50 % du carbone initial sous forme d’acides carboxyliques et aromatiques
Solution de dissolution UC/HNO3
Solution brune en fin de dissolution
• Besoin de revisiter la dissolution: UC, UPuC et UPuC irradié (aiguilles
Rapsodie et Nimphe 2)
─ Solubilité, cinétique, effluents gazeux, bilan, indissous, composés carbonés
organiques, …
29
Particularités du traitement des combustibles carbures
Residual plutonium in organic phase (mg/ml)
• Extraction par le TBP
Impact des espèces carbonées en solution sur les rendements
de séparation du Pu
100
Carbon destroyed unirradiated
Travaux Indiens
Carbon undestroyed unirradiated
carbon undestroyed irradiated 100 GWt/d
10
1
Cycle RNR
Fuite Pu dans le
solvant comprise
entre 0,1 et 0,5%
0,1
0,01
0
2
4
6
8
10
Minéralisation des composés organiques
Oxydation en amont possible du combustible (?)
30
En résumé …
Pas de points rédhibitoires, mais :
─ adaptation des procédés de tête et des technologies aux
spécificités des combustibles (oxyde, carbure)
─ évolution des technologies (capacité, disponibilité, gestion
de la criticité)
─ adaptation, pour une usine du futur, des procédés de
conditionnement (vitrification), voire en rechercher de nouveaux
(iode, 14C, tritium (?), SiC, métaux, …)
Échéance 2012 :
─ Combustible RNR MOX: Revisiter la dissolution (digestion
complémentaire des indissous ?)
─ Combustible carbure: Crédibiliser les principales étapes du cycle de
traitement
31

Le Traitement des combustibles RNR usés

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