Livre blanc du Tritium

38 Sources de production et gestion du tritium produit par les installations nucléaires Schéma de principe de l’électrolyse directe E - cellule d’électrolyse, R – recombineur, xF – fraction molaire d’HTO dans le flux d’alimentation L’électrolyse directe peut également être couplée à une étape de distillation cryogénique (séparation des isotopes de l’hydrogène entre 20 et 25 K), le flux de dihydrogène gazeux appauvri en tritium récupéré étant recombiné avec l’oxygène généré dans la cellule d’électrolyse pour former de l’eau détritiée et le flux gazeux enrichi en tritium étant récupéré pour immobilisation, entreposage ou stockage. Compte tenu de sa relative complexité, des faibles capacités de traitement, des coûts de mise en œuvre élevés, du fait notamment de la consommation énergétique, et des risques spécifiques induits par ce type de procédé (risques d’incendie et d’explosion liés au dihydrogène produit) ou propres à la plupart des procédés de séparation et de reconcentration (inventaire élevé en tritium pouvant conduire à des rejets importants en cas d’accident...), l’électrolyse directe ne paraît pas à l’heure actuelle adaptée au traitement de flux d’effluents tritiés de plusieurs dizaines de milliers de m3.an-1. 5 1 6 Procédés d’échanges chimiques Les procédés d’échanges chimiques, principalement développés pour la production et la purification d’eau lourde et, plus récemment, pour le traitement des effluents tritiés produits par les unités de traitement des gaz des réacteurs à fusion, comprennent deux étapes principales : transfert du tritium présent dans l’eau lourde ou l’eau légère tritiée (DTO ou HTO) vers un flux de dihydrogène gazeux (DT ou HT) circulant à contre courant en présence d’un catalyseur à base de platine (loi d’action de masse), suivi d’une étape de séparation et de concentration du tritium gazeux utilisant le plus souvent la distillation cryogénique. Plusieurs technologies ont été développées sur ce principe [4][5][38] : • le procédé VPCE (Vapor Phase Catalytic Exchange) ; • le procédé LPCE (Liquid Phase Catalytic Exchange) ; • le procédé CECE (Combined Electrolysis-Catalytic Exchange). Le procédé VPCE, développé par le CEA, est une des premières technologies d’échange catalytique à avoir été éprouvée à l’échelle industrielle. Il a été tout d’abord mis en œuvre pour détritier l’eau lourde du réacteur à « haut flux » (RHF) de l’Institut Laue-Langevin de Grenoble, associé à une distillation cryogénique, puis a été utilisé à plus grande échelle dans l’installation de récupération du tritium du site de Darlington au Canada (Tritium Removal Facility - TRF). Ce procédé fonctionne à contre-courant, plusieurs cycles d’évaporation-condensation étant nécessaires. Il peut comprendre entre 3 et 8 étages théoriques, chaque étage étant constitué d’un évaporateur, d’un surchauffeur, d’un réacteur catalytique et d’un condenseur. L’eau lourde tritiée est introduite dans l’évaporateur du premier étage, la vapeur formée étant mélangée avec le deutérium froid refluant de l’étage suivant. Le mélange est ensuite réchauffé à 200 °C avant d’être introduit dans le réacteur catalytique sous une pression de 1,2 bar, pour éviter la condensation de la vapeur pouvant saturer les sites du catalyseur. Le deutérium gaz, enrichi préférentiellement en tritium selon les réactions équilibrées ci-dessous, est ensuite séparé de l’eau lourde dans le condenseur puis purifié avant d’alimenter la colonne de distillation cryogénique (séparation des isotopes HD/D2/DT/T2 réalisée sous 2 bar). L’eau lourde recondensée, appauvrie en tritium, alimente à son tour l’évaporateur de l’étage suivant. Le gaz de deutérium détritié alimentant le dernier étage provient de l’unité de distillation cryogénique. (DTO)vap + D2 → (D 2O)vap + DT (HDO)vap + D2 → (D 2O)vap + HD Le principal inconvénient de ce procédé réside dans le fait que les réactions d’échange catalytique s’effectuent en phase gazeuse homogène, les facteurs de séparation obtenus étant relativement faibles, de l’ordre de quelques unités. De plus, un des principaux risques liés à ce procédé est le risque d’explosion dû à la présence de dihydrogène en phase gazeuse Electrolyse directe couplée à un système de distillation cryogénique (exemple de la détritiation de l’eau lourde)

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