N.D.L.R. — Cette étude est la cinquième d'une série qui se poursuit dans « L'EAU ET L'INDUSTRIE », concernant l'utilisation des résines échangeuses d’ions dans le traitement des eaux, formant le cycle suivant :
CYCLE « ÉCHANGE D’IONS DANS LE TRAITEMENT DES EAUX »
1) Utilisation des résines échangeuses d’ions : la technique des lits superposés par R. CORSIN, notre n° 4, pages 35 et suivantes. 2) Utilisation des résines échangeuses d’ions : le traitement des eaux d’appoint de chaudières par B. CAUSSE et M. HEUZEY, notre n° 4, pages 39 et suivantes. 3) Déminéralisation sur résines échangeuses d’ions en sucrerie : le procédé IMACTI - Épuration et recyclage des eaux résiduaires de déminéralisation à la sucrerie d’Eppeville (Somme) par J. BONNIER et R. DEBUIRE, notre n° 10, pages 59 et suivantes. 4) par J.J. WOLFF, notre n° 10, pages 67 et suivantes. 5) par R. CORSIN et A. PRUNAC.
PRINCIPE D'UNE CENTRALE NUCLÉAIRE À EAU PRESSURISÉE
Les centrales nucléaires à eau pressurisée (PWR) reposent sur le principe de la séparation du circuit actif et du circuit non actif.
Il faut entendre par circuit actif celui qui va chercher la chaleur au cœur du réacteur, entre les éléments combustibles où se produit la réaction de fission nucléaire et que l'on dénomme généralement circuit primaire. Le circuit non actif, également dénommé circuit secondaire, est, en de nombreux points, comparable à celui d’une centrale thermique classique : la chaleur provenant du circuit primaire est utilisée pour évaporer l'eau du circuit secondaire dans un générateur de vapeur, qui peut être du type à ballon ou à évaporation directe ; la vapeur ainsi produite alimente un ou des turbo-alternateurs puis est condensée et retournée au générateur de vapeur.
Une technique moderne d'utilisation des échangeurs d’ions : la régénération à contre-courant
PRINCIPE DE L’UTILISATION DES RÉSINES ÉCHANGEUSES D‘IONS
Dans le circuit primaire, les résines échangeuses d'ions auront pour rôle principal d’éliminer les produits radioactifs provenant des défauts (micro-ruptures) des gaines du combustible ou de l'activation dans le cœur du réacteur des produits de corrosion. Elles devront, par ailleurs, permettre un contrôle de la concentration des produits de conditionnement introduits, tant pour maintenir certaines valeurs de pH que pour limiter le flux de neutrons dans le cœur du réacteur.
Compte tenu du principe de ce type de centrale, le circuit secondaire est pratiquement non actif ; toutefois, il faut tenir compte de la possibilité de faibles fuites de produits actifs du circuit primaire dans le secondaire au niveau des échangeurs de chaleur du générateur de vapeur. Le rôle des résines échangeuses d’ions sera d’éliminer ces produits actifs, ainsi que les produits de corrosion et les impuretés solubles provenant d’éventuelles introductions d'eau de refroidissement au niveau des condenseurs.
[Schéma : Réacteur à eau pressurisée (P.W.R.) – Schéma de principe]CIRCUIT PRIMAIRE. CIRCUIT SECONDAIRE.
RÉACTEUR À EAU PRESSURISÉE (P.W.R. : Pressurized Water Reactor) Schéma de principe :
1. Cœur du réacteur – b. Pressuriseur – c. Générateur de vapeur – d. Turbine – e. Condenseur.
1. Unité d’échange d’ions :
1. Eau d’appoint : déminéralisation et filtration. 2. Purification circuit primaire (RCV) : déminéralisation. 3. Traitement des effluents des circuits primaires (TEP) : déminéralisation et décontamination. 4. Déboratation : contrôle de la concentration en bore. 5. Traitement de l'eau du secondaire (condensation-purge) : déminéralisation, décontamination et filtration. 6. Piscine de désactivation. 7. Décontamination des eaux radioactives résiduaires.
[Schéma : Circuit chimique et volumétrique (RCV) et circuit de traitement des effluents primaires (TEP)]UTILISATION DES RÉSINES ÉCHANGEUSES D’IONS DANS LE PRIMAIRE
Afin de mieux fixer les idées, nous décrirons, d’une manière résumée, les caractéristiques d’une centrale nucléaire à eau pressurisée d’une puissance de 900 MWe, d’un type comparable aux centrales qui seront prochainement mises en service en France.
Le circuit primaire consiste en fait en trois boucles qui assurent la circulation de 250 tonnes d’eau à un débit de 15 000 m³ par heure. Cette eau prend la chaleur dans le cœur du réacteur qui utilise des éléments combustibles constitués à partir d’oxyde d’uranium enrichi.
Ces éléments sont mis en place dans le réacteur et renouvelés pour un tiers chaque année.
À la sortie du réacteur, la température de l’eau est d’environ 320 °C, ce qui porte le débit de circulation à près de 20 000 m³ par heure. L’eau est maintenue liquide, à l’aide d’un pressuriseur assurant une pression de 155 bars. Elle passe ensuite dans l’échangeur de chaleur du générateur de vapeur, qui se présente sous l’aspect d’un faisceau de tubes en U, très serrés, où elle provoque l’évaporation de l’eau du circuit secondaire.
À la sortie de l’échangeur de chaleur, l’eau du circuit primaire, dont la température est alors de 280 °C, est retournée vers le réacteur.
Le circuit primaire est conditionné chimiquement de deux manières : d’une part par addition d’hydroxyde de lithium pour maintenir un pH basique et empêcher la corrosion ; d’autre part, avec de l’acide borique, agissant en tant que modérateur du flux de neutrons et permettant de contrôler la puissance fournie par le réacteur.
Le lithium naturel contient environ 92,4 % d’isotope ⁷Li et 7,6 % d’isotope ⁶Li, ce dernier présentant le désavantage de produire, par réaction neutronique, de par sa plus grande section de capture, du tritium qui est un gaz émettant une radioactivité β et qui possède la propriété de diffuser à travers les tissus de la peau, ce qui le rend particulièrement dangereux.
Le bore, utilisé ici sous forme d’acide borique, est un capteur de neutrons grâce à l’isotope ¹⁰B. Maintenu à une concentration de l’ordre de 2 500 à 3 000 ppm en B dans le circuit primaire, il empêche toute réaction nucléaire de se produire durant les périodes d’arrêt du réacteur, en particulier après les opérations de chargement ou de remplacement du combustible. Cette concentration est ensuite progressivement ramenée aux environs de 1 250 à 1 300 ppm B, pour permettre au réacteur de diverger.
En période normale d’exploitation, l’activité du réacteur n’est pas constante dans le temps, ce qui nécessite de diminuer progressivement la concentration de l’acide borique dans le circuit primaire, pour compenser l’épuisement du combustible (jusqu’à environ 50 ppm en B, en fin de vie du combustible).
Il est à noter qu’une partie du ¹⁰B, sous l’influence du flux neutronique, provoque la formation de ⁷Li selon la réaction :
¹⁰B (n, α) ⟶ ⁷Li + ⁴He
Ce ⁷Li, s’ajoutant au ⁷LiOH introduit initialement dans le circuit primaire, devra être progressivement éliminé pour éviter une augmentation trop importante de la valeur du pH.
Les résines échangeuses d’ions qui assurent le traitement du circuit primaire ne sont pas disposées directement sur le circuit, mais sur une dérivation dénommée « Contrôle chimique et volumétrique » (ou également RCV) à laquelle sont adjoints le circuit de traitement des effluents primaires (TEP) et le circuit de déboratation.
Le débit du circuit dérivé ne représente qu’une fraction de celui du circuit primaire : de l’ordre de 27 m³/h.
Avant traitement, il est successivement décompressé et refroidi.
Le but du traitement est de maintenir dans le circuit primaire les impuretés (produits de fission et de corrosion activés) à un niveau minimum de concentration, afin d’empêcher leur dépôt, en particulier sur les éléments combustibles et les tubes de l’échangeur de chaleur du générateur de vapeur, ainsi que l’accumulation de produits radioactifs solubles en quantité trop importante, afin de respecter les caractéristiques de qualité suivantes pour l’eau du circuit primaire :
Sodium ......................................... 150 ppb Fluorure ....................................... 150 ppb Chlorure ....................................... 150 ppb SiO₂ ............................................. 100 ppb Oxygène ....................................... 100 ppb Matières en suspension ................... 100 ppb
Dans une première dérivation, l’eau est maintenue sous pression d’hydrogène : la radioactivité ayant pour effet de décomposer l’eau en ses éléments, cette surpression d’hydrogène aura pour effet de provoquer la recombinaison. Le but de ce circuit dérivé est également de compenser les importantes variations du volume d’eau en circulation dans le circuit primaire, qui résultent des phénomènes de dilatation provoqués par les changements importants de température durant les mises en marche ou à l’arrêt du réacteur.
Dans une seconde dérivation, on assure la purification proprement dite du circuit primaire, au moyen d’échangeurs d’ions en lit mélangé qui ont pour effet de filtrer la radioactivité insoluble et de fixer la
radio-activité ionique. D’où le fait que l’influent contient quelques ppm de Li et que la déformation à la forme H⁺, libère le même cation en présence de la forme OH⁻ et de l’aluminium en présence de la forme OH⁻. Toutefois, il apparaît que la « contamination aluminium » n’a, dans la majorité des cas, pratiquement aucun effet notable sur le fonctionnement chimique du circuit primaire.
En fait, en diminuant la séquence de saturation en “Li⁺” de la résine échangeuse cationique, il est fortement logique de la faire précéder (conséquemment à des travaux de pilotis préliminaires), à l’étape cationique H⁺ (AMBERLITE IRN 77) en début de lit, à l’étape cationique H⁺ (AMBERLITE IRN 77) en position centrale, enfin à l’étape cationique H⁺ (AMBERLITE IRN 77) en queue de lit (AMBERLITE IRN 77). L’addition éventuelle, en amont, d’un pré-filtre cationique (calciné ou non) ne devrait rien changer au fonctionnement du mélange de résines anioniques et cationiques.
En tous cas, l’élimination de l’accident de “Li⁺” qui se produit en cours de fonctionnement du réacteur nécessite l’adjonction d’un filtre supplémentaire cationique sous la forme H⁺ (AMBERLITE IRN 77) qui est utilisé occasionnellement.
Par ailleurs, la fusion de certains éléments radio-actifs, les divers isotopes du cobalt (étain) est beaucoup plus efficace lorsque la résine est sous forme “H⁺”, ce qui est doublement retenu en l’installation d’un lit de résine cationique (AMBERLITE IRN 77) après le lit mélange “H⁺/OH⁻” (AMBERLITE IRN 22).
Ce problème de l’élimination du césium dans le circuit primaire est particulièrement important du fait de la très longue durée de vie de plusieurs isotopes et nous a amenés à mettre au point une résine spécifique vis-à-vis de cet élément, dénommée AMBERLITE IR 10.
Le traitement précédemment décrit permet d’abaisser la radio- activité de l’influent d’un facteur de 10 à 500, suivant la nature et la concentration des éléments radio-actifs dans le circuit. Le rapport de radio-activité de l’influent à celle de l’effluent est appelé facteur de décontamination.
TABLEAU DES FACTEURS DE DÉCONTAMINATION UTILISÉS PAR LES EXPLOITANTS ET LES BUREAUX D’ÉTUDE DE CENTRALES NUCLÉAIRES
| Type de la résine échangeuse d’ions | Fluide traité | DF moyen pour la durée de vie de la résine | Forme physique des produits actifs |
|---|---|---|---|
| – Lit mélange Li⁺/OH⁻ | Circuit primaire | 10 | Toutes formes sauf : Cs, Y et Mo |
| – Échangeur cationique H⁺ | Circuit primaire | 10 | Ca, Y et Mo |
| – Lit mélange H⁺/OH⁻ | Évaporation d’acide borique recyclée | 10 | Toutes formes sauf : Cs, Y et Mo |
| – Échangeur anionique OH⁻ | Évaporation d’acide borique recyclée : concentrat | 10 | I, Br, Cl, F |
| – Lit mélange H⁺/OH⁻ | Eau résiduaire radio-active | 10 | Activité totalement β + γ |
Extrait de : Use of Ion Exchange for the Treatment of Liquids in Nuclear Power Plants, K.L. Hin. ORNL, 1973.
FACTEURS DE DÉCONTAMINATION POUVANT ÊTRE OBTENUS AVEC DIFFÉRENTS TYPES D’ÉCHANGEURS D’IONS
| Type de la résine échangeuse d’ions | I | Cs, Rb | Tous autres ions solubles |
|---|---|---|---|
| – Lit mélangé (Li⁺/Borate) | 10 | 2 | 10 |
| – Échangeur cationique H⁺ | 100 | — | 10 (cations) |
| – Lit mélangé (H⁺/OH⁻) | 100 | 2 | 100 |
| – Échangeur anionique OH⁻ | 100 | 1 | 100 (anions) |
Extrait de : Use of Ion Exchange for the Treatment of Liquids in Nuclear Power Plants, K.L. Hin. ORNL, 1973.
TABLEAU DES RÉSINES CIRCUIT PRIMAIRE
CENTRALE PWR-900 MWe
| Quantité | Qualité AMBERLITE ‑ Renouvellement |
|---|---|
— RCV : lit mélangé 2 × 1 m³
cation 2 × 0,5 m³
— TEP : lit mélangé 2 × 1 m³
cation 2 × 1 m³
— Déboratation : anion 2 × 2 m³
— Effluent non recyclé : lit mélangé 1 × 1 m³
— Piscine désactivation : lit mélangé 1 × 1 m³ |
IRN 217 ‑ 1 m³/an IRN 77 ‑ 1 charge = 0,5 à 1,5/an IRN 150 ‑ Selon nécessité IRN 77 IRN 78 ‑ 2 m³/an IRN 150 ‑ Selon nécessité IRN 150 ‑ 1 m³/2 ans |
Signalons au passage qu’un autre procédé de traitement consiste à assurer la décontamination du circuit sur un lit mélangé qui est mis en service sous la forme H⁺/OH⁻ (AMBERLITE IRN 150) et à effectuer les déconcentrations en ⁷Li sur un autre lit mélangé H⁺/OH⁻ placé en parallèle ; on permute ensuite les fonctions des deux échangeurs lorsque l’échangeur de décontamination est saturé et remplacé, et ainsi de suite. Ce procédé permet de récupérer la majeure partie de l’excédent de ⁷Li (produit onéreux) qui se forme dans le circuit primaire.
Les résines de ce circuit ne sont en aucun cas régénérées. Elles sont changées lorsque la perte de charge devient trop élevée, ou en cas d’abaissement important du facteur de décontamination ou lorsque la radio-activité accumulée dans l’échangeur dépasse un certain seuil.
La dérivation suivante, qui assure le traitement des effluents primaires (ou TEP) permet de purifier la solution d’acide borique résultant d’une déconcentration du circuit primaire pour compenser la consommation du combustible et maintenir l’activité du réacteur.
La solution d’acide borique est purifiée sur un système d’échangeurs d’ions comprenant un cation H⁺ (AMBERLITE IRN 77 ou AMBERLITE IR 105) et un lit mélangé H⁺/OH⁻ (AMBERLITE IRN 150 ou AMBERLITE IR 105/IRN 78) dont la disposition peut être différente d’une centrale à l’autre.
Le but de ce traitement est d’éliminer les impuretés radio-actives (solubles et ioniques) et le ⁷Li de la solution d’acide borique (la résine anionique du lit mélangé, étant rapidement convertie sous la forme borate, n’affecte que très peu la concentration de la solution).
Après ce traitement, qui permet d’assurer un facteur de décontamination pouvant aller de 100 à 1 000, la solution d’acide borique est concentrée par évaporation et peut être réutilisée dans le circuit primaire lorsque la concentration en bore doit être augmentée pour abaisser l’activité du réacteur (mise à l’arrêt par exemple).
Si une concentration élevée d’acide borique peut être avantageusement traitée par évaporation, une solution moins concentrée, de l’ordre de 200 à 300 ppm, le sera plus économiquement en fixant l’acide borique sur une résine anionique OH⁻ (AMBERLITE IRN 78) qui fait également partie du circuit de déboratation.
Le distillat d’évaporation contient encore environ 5 ppm de bore et l’effluent des résines de déboratation 1 ppm seulement ; ils sont en général réutilisés dans le circuit primaire.
Les résines du circuit TEP ne sont pas régénérées et sont changées suivant les mêmes critères que les résines du circuit RCV ; les résines de déboratation peuvent être régénérées ou déchargées comme précédemment.
Signalons au passage que la capacité de la résine AMBERLITE IRN 78 pour l’acide borique étant à la fois fonction de la température et de la concentration de la solution, il est possible d’utiliser cette propriété pour réguler la concentration d’acide borique dans le circuit primaire.
TRAITEMENT DES CIRCUITS ANNEXES
Il s’agit principalement de la piscine de déchargement dans laquelle baigne le réacteur pendant les opérations de déchargement et de remplacement du combustible, et de la piscine de désactivation dans laquelle les éléments combustibles usés sont stockés plusieurs mois, le temps que leur activité décroisse notablement.
La piscine de déchargement est conditionnée comme le circuit primaire (concentration en acide borique jusqu’à 3 000 ppm de bore) et son traitement se fait sur le circuit RCV.
La piscine de désactivation, remplie d’eau déminéralisée (boratée ou non), est traitée sur un lit mélangé H⁺/OH⁻ (AMBERLITE IRN 150) non régénéré.
Un autre circuit annexe est celui des effluents usés : drains de laboratoire, purges échantillons, fuites des pompes, eaux de transfert des résines actives usées, éventuellement effluents de régénération provenant du circuit primaire, etc., qui doivent être traités avant de pouvoir être rejetés ; suivant les caractéristiques de ces effluents — haute conductivité, basse activité ou basse conductivité, haute activité — ils seront soit concentrés par évaporation, soit traités sur des échangeurs d’ions en lit mélangé H⁺/OH⁻ (AMBERLITE IRN 150) non régénérés.
Les résines utilisées dans ces différents circuits sont rassemblées sur un tableau avec indication de leur quantité pour un cas précis de centrale (PWR 900 MWe) et du rythme de renouvellement approximatif.
UTILISATION DES RÉSINES ÉCHANGEUSES D’IONS DANS LE CIRCUIT SECONDAIRE
Le circuit secondaire se présente comme le circuit d’une centrale thermique classique. Les caractéristiques du circuit secondaire pour une centrale nucléaire PWR du type considéré ici sont :
- — Température dans le générateur de vapeur : 210 °C.
- — Pression : 55 bars.
- — Débit de circulation : 3 × 1 700 m³/h.
L’eau du circuit secondaire est conditionnée pour maintenir un pH alcalin et empêcher la corrosion : phosphate de soude ou ammoniaque.
En plus des produits de corrosion, les autres sources possibles d’impureté dans le circuit secondaire sont :
- — Les introductions d’eau du circuit primaire actif au niveau des échangeurs de chaleur des générateurs de vapeur.
- — Les introductions d’eau brute de refroidissement au niveau des condenseurs.
