Livre blanc du Tritium

133 Origine, modes de gestion et évaluation de technologies de piégeage en vue de réduire les rejets La teneur en tritium dans le flux de dihydrogène augmente progressivement. Lorsque la teneur en tritium devient trop élevée, le procédé est arrêté et l’électrolyte est régénéré. Les facteurs de séparation obtenus dépendent de la technologie utilisée. Les technologies les plus matures sont : • les électrolyseurs alcalins. Cette technologie est mature et présente une capacité faible (de l’ordre de 500 L/h). Les facteurs de séparation obtenus sont modérés car l’écart entre les masses atomiques des espèces réduites à la cathode (H2O et HTO) des espèces migrantes dans l’électrolyte (OH- et OT-) est faible. Cette technologie engendre des risques de fort rejet de matière en cas d’accident en raison du fort inventaire accumulé, • ces risques sont réduits dans le cas de la technologie à membrane. Cette technologie permet des facteurs de séparations plus élevés car l’écart entre les masses atomiques des espèces réduites à la cathode et migrantes dans l’électrolyte (H+ et T+) est significatif. Cependant, cette technologie est moins mature que la technologie alcaline, de capacité actuelle très faible (50 à 100 fois plus faible) et engendre des risques supplémentaires d’incendie et d’explosion de la membrane. Dans tous les cas, l’électrolyse engendre des coûts d’investissement et d’exploitation élevés ainsi que des risques supplémentaires qui doivent être étudiés. Par ailleurs, les capacités disponibles sont faibles au regard du volume à traiter. Cette technologie a été envisagée dans le domaine militaire (électrolyse bipolaire) puis abandonnée en raison des faibles capacités et performances obtenues. Les électrolyseurs sous pression présentent une capacité accrue mais amplifient les risques d’explosion du dihydrogène et de fuite de matière. L’électrolyse en tant que procédé intégré de traitement des effluents liquides n’est donc pas applicable au traitement d’un flux de plusieurs dizaines de milliers de m3/an au regard de la taille de l’installation et de la consommation énergétique imposées par les performances requises. Par ailleurs, l’innocuité des impuretés ioniques et organiques présentes dans les effluents tritiés d’une usine de traitement pour les matériaux de l’électrolyseur doit être vérifiée. 2 3 3 Distillation de l’eau sous vide Ce procédé est basé sur la différence de volatilité entre les isotopes de l’eau. Le schéma de principe du procédé de distillation sous vide est présenté dans la figure 7. Les masses atomiques des isotopes de l’eau étant très proches, les facteurs de séparation obtenus sont trop faibles pour permettre la séparation à pression atmosphérique. Le facteur de séparation augmentant lorsque la température diminue, l’opération est réalisée sous vide (entre 100 et 200 mbar). Le facteur de séparation obtenu à 50°C est alors de 1,06 ce qui reste très proche de 1. La mise en œuvre de ce procédé nécessite donc un fort reflux et un grand nombre d’étages théoriques d’équilibre ce qui engendre des coûts d’investissement et de fonctionnement très élevés. Ce procédé a été utilisé combiné à l’électrolyse pour purifier l’eau lourde. Ce procédé est largement utilisé pour le retitrage du modérateur des réacteurs à eau lourde car la distillation de l’eau sous vide reste le procédé le plus simple, le plus souple et le plus mature. De plus, la quantité à traiter périodiquement se limite au stock du réacteur et les facteurs de concentration requis sont très faibles. L’unité du réacteur de recherche Orphée du centre CEA de Saclay permet également de décontaminer le modérateur. Cependant, le stock de modérateur à traiter est beaucoup plus faible que dans le cas d’un réacteur commercial. Les colonnes à distiller sont équipées d’un garnissage spécifique : • présentant une capacité élevée et une faible perte de charge en raison du fonctionnement en dépression, • présentant une faible hauteur d’étage théorique afin de limiter la taille des équipements. Figure 7. Schéma de principe du procédé de distillation sous vide Le garnissage le plus répandu est le garnissage Gauze CY développé par Sulzer spécifiquement pour cette application. Le matériau utilisé est le cuivre. Un traitement spécifique du garnissage (oxydation) est nécessaire pour obtenir un mouillage adéquat. Le matériau obtenu est sensible aux impuretés ioniques et organiques. Les impuretés présentes dans les effluents liquides tritiés d’une usine de traitement doivent donc être séparées. La distillation de l’eau sous vide a été retenue pour sa maturité, sa souplesse et sa simplicité de fonctionnement. D’après le prédimensionnement réalisé par AREVA NC, l’unité de distillation nécessaire pour traiter l’eau tritiée dans l’usine AREVA NC de La Hague à capacité nominale, devrait comporter environ 13 colonnes (de diamètre 4 m et de hauteurs 25 m). La masse de garnissage de cuivre nécessaire est de 1190 tonnes. L’exploitation industrielle de cette installation conduirait à une consommation énergétique de 125 MW (soit 2 fois la consommation d’énergie électrique de la totalité de l’établissement AREVA NC de La Hague en 2007). 2 3 4 Procédés d’échange chimique Les procédés d’échange chimique reposent sur l’échange d’isotopes de l’hydrogène entre deux composés hydrogénés selon une réaction équilibrée du type : HX+TY ↔ TX + HY Les couples possibles (classés du facteur de séparation le plus faible au plus élevé) sont les couples H2O/H2S, H2/NH3, H2O/H2 et H2/CH3NH2. En raison des composés utilisés, ces procédés engendrent des risques élevés d’explosion et de fuite de matière en raison de la présence de fortes quantités de tritium concentré. De plus, à l’exception du couple H2O/H2, le procédé est sous pression (de l’ordre de quelques dizaines de bars). Les couples H2O/H2S, H2/NH3 et H2/CH3NH2 ont été utilisés pour la production d’eau lourde au Canada, en France et en Inde car ces procédés ne nécessitent pas de catalyseur et permettent de réduire la taille des installations. Le procédé Girdler-Sulphide est le plus utilisé. Il est mis en œuvre sous une pression de l’ordre de 20 bar dans des colonnes de température différente avec recirculation du gaz H2S.

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