Livre blanc du Tritium

132 Origine, modes de gestion et évaluation de technologies de piégeage en vue de réduire les rejets Nota : • La quantité annuelle produite par une usine de traitement du combustible est inférieure à 50 grammes alors que : • les quantités gérées dans le domaine de la fusion thermonucléaire (civile ou militaire) s’expriment en dizaines de kilogrammes, • la quantité annuelle extraite d’un réacteur CANDU est de l’ordre de 500 grammes. Les procédés de séparation isotopique de l’hydrogène ont été développés pour : • séparer le deutérium de l’hydrogène léger (production et retitrage d’eau lourde). Les procédés utilisés sont l’électrolyse, la distillation de l’eau sous vide et les procédés d’échange chimique combinés à la distillation cryogénique. • séparer le tritiumdu deutériumdans un flux d’eau lourde (décontamination du modérateur d’un réacteur à eau lourde), • séparer l’ensemble des isotopes de l’hydrogène dans un flux de dihydrogène (effluents gazeux d’un réacteur de fusion thermonucléaire). Bien que différents domaines d’application soient confrontés au problème de la détritiation d’un flux d’eau légère (réacteurs à eau légère, horlogerie, usines de traitement du combustible usé, gestion des effluents liquides tritiés d’installation nucléaires), la séparation du tritium de l’eau légère n’a fait l’objet d’aucune application. Les solutions disponibles résident donc dans : • les procédés développés pour la production et la purification d’eau lourde. Le rapport de masse atomique T/H, étant supérieur aux rapports D/H et T/D, les performances obtenues en appliquant ces procédés à la séparation du tritium de l’eau légère seront accrues, • les études de faisabilité réalisées sur la séparation du tritium des effluents liquides des installations nucléaires. Cette étude s’appuie notamment sur une série de rapports commandés par le Département américain à l’énergie (DoE) pour évaluer les possibilités de décontamination des effluents liquides des sites de Savannah River et Hanford [7]. Au vu de la référence [7], les procédés applicables se limitent à l’électrolyse, la distillation de l’eau sous vide, aux procédés de séparation sur résines et aux procédés d’échange chimique. Les procédés où le tritium se trouve exclusivement sous forme de dihydrogène sont exclus car ceux-ci ne deviennent économiquement viables que lorsque le tritium récupéré est valorisé. Nota : • Dans le domaine de la fusion thermonucléaire (civile oumilitaire), les unités de traitement des gaz, qui sont basées sur l’oxydation du dihydrogène suivie de la déshydratation des effluents gazeux, génèrent également un effluent liquide tritié. Ces effluents sont actuellement entreposés en enceinte confinée. Divers procédés ont été étudiés en vue de leur traitement. Le procédé CECE (Combined Electrolysis and Catalytic Exchange) est actuellement considéré comme le procédé de référence. • Dans tous ces domaines, les volumes à traiter sont très faibles et les procédés développés sont difficilement adaptables aux capacités requises pour une usine de traitement du combustible usé. C’est notamment le cas de la diffusion thermique du dihydrogène et des procédés de séparation par extraction liquide-liquide ou par laser. Ces procédés permettent des facteurs de séparation très élevés [10] mais ne peuvent être mis en œuvre que pour le traitement de très faibles quantités. • Un procédé a été développé et mis en œuvre par GE en GrandeBretagne pour réduire les rejets de tritium sous forme d’OBT dans les effluents organiques d’une unité de production de traceur biologiques. Cette unité est basée sur la combustion des effluents organiques suivie de la distillation de l’eau sous vide. L’eau tritiée enrichie est convertie en dihydrogène et purifiée dans une unité de distillation cryogénique. La capacité de l’unité et les performances de la colonne à distiller sont faibles au regard des performances requises pour le traitement des effluents de l’établissement AREVA NC de La Hague. 2 3 1 Séparation sur résines Un procédé de séparation du tritium basé sur des résines est développé par la société MSI (Molecular Separation Inc.) [3, 7] pour la récupération du tritium dans les effluents liquides d’installations nucléaires. Ce procédé repose sur la différence d’affinité entre les isotopes de l’eau pour les sites d’hydratation de la résine, qui permet d’adsorber préférentiellement l’eau tritiée. Les effluents liquides tritiés sont traités dans des colonnes mises en série dont le nombre et la taille dépendent des performances visées et du débit à traiter. Le procédé est conduit à une température de l’ordre de 50°C. Deux modes de mise en œuvre sont proposés : • un mode statique en lit fixe. Dans ce mode discontinu, lorsque les résines sont saturées, celles-ci sont régénérées en deux temps par chauffage à une température de 80-120°C, puis à une température de 160°C, • un mode dynamique où la résine mise en œuvre en lit mobile circule de manière continue entre les colonnes d’adsorption et les colonnes de régénération. Les gaz produits lors de la régénération sont traités dans un module de récupération de l’eau tritiée basé sur l’absorption sur support solide ou la condensation. Ce procédé est adapté au traitement de l’eau tritiée et peu énergivore par rapport à la distillation ou à l’électrolyse. Cependant, les essais menés par MSI, l’université de Washington, « Clemson Environnemental Technology Laboratory », et Duratek en 2002 (supportés par l’EPRI) ont montré des performances insuffisantes. De plus, les résultats présentés dans le document [7] laissent penser que les performances sont diminuées lorsque la concentration en tritium est réduite. Ce procédé ne semble pas prêt pour une mise en œuvre industrielle ; une démonstration de son efficacité globale reste nécessaire. Nota : • Les essais ont confirmé une adsorption sélective du tritium. Cette adsorption est toutefois restée limitée à 39% dans les cas les plus favorables lors des essais menés par Duratek en 2002 [7]. Par ailleurs, pour assurer une bonne adsorption, la solution à traiter doit être exempte d’impuretés ioniques et organiques. L’impact des impuretés présentes dans les effluents tritiés d’une usine de traitement et leur séparation éventuelle doit donc être étudié. Enfin, l’étape de régénération des résines engendre un risque de rejet d’eau tritiée dans l’environnement. Des procédés de séparation sur membrane sont également en développement. Leurs avantages sont comparables aux procédés de séparation sur résines. Les essais réalisés ont également montré des performances insuffisantes. 2 3 2 Electrolyse L’électrolyse de l’eau est basée sur la différence de tension d’électrolyse et de diffusion des ions dans l’électrolyte. Les cascades d’électrolyseurs ont été utilisées dès les années 1940 pour la production d’eau lourde concentrée à partir d’eau naturelle. Pour le traitement des effluents tritiés, le fonctionnement de l’électrolyse est discontinu. Les formes légères migrant plus rapidement et étant préférentiellement réduites à la cathode : • le flux de dihydrogène produit est appauvri en tritium, • l’électrolyte s’enrichit en tritium.

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