Recherche et innovation pour l’assainissement-démantèlement

15/03/2016
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2016-1:16258
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Recherche et innovation pour l’assainissement-démantèlement

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            <title>Recherche et innovation pour l’assainissement-démantèlement</title></titles>
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58 REE N°1/2016 LE DÉMANTÈLEMENT DES CENTRALES NUCLÉAIRESDOSSIER 1 Introduction L’assainissement et le démantèle- ment des installations nucléaires en fin de vie représente un enjeu capital pour l’industrie nucléaire, tant sur le plan de l’acceptabilité de cette industrie que sur le plan économique. La réussite de ces projets représente plusieurs challenges. Sur le plan straté- gique, il s’agit de définir des road maps1 et des priorités ; sur le plan opération- nel, il s’agit d’aller d’une préparation amont rigoureuse jusqu’à la réalisation d’opérations techniques ciblées et par- fois de haute technologie ; sur le plan organisationnel enfin, il s’agit d’articu- ler un ensemble de contraintes et de besoins, par exemple les contraintes d’exploitation des installations, la ges- tion de projet, la mise en synergie des différents métiers amenés à intervenir sur ces projets, etc. La recherche et l’innovation techno- logique sont au carrefour de ces enjeux. En effet, les chantiers d’assainissement- démantèlement nécessitent différents savoir-faire et technologies. Une partie des opérations utilise des techniques 1 Feuilles de route. courantes, adaptées au milieu nucléaire, mais les projets nécessitent souvent le développement d’outils ou de technolo- gies spécifiques. Stratégie et enjeux de la recherche et de l’innovation dans le domaine du déman- tèlement Fort de sa double expertise, d’une part dans la maîtrise d’ouvrage des pro- jets d’assainissement-démantèlement, d’autre part dans le domaine de la re- cherche et du développement (R&D) nucléaire qui constitue son cœur de métier, le CEA a décidé de structurer un programme de R&D dédié spécifi- quement à l’assainissement-démantè- lement. Ces recherches sont menées en partenariat avec des industriels, dans l’objectif qu’elles puissent être valori- sées au-delà des besoins propres du CEA, pour d’autres maîtres d’ouvrage, en France et à l’étranger. Ainsi, les actions de R&D menées par le CEA dans le domaine de l’assainisse- ment-démantèlement s’inscrivent dans une double stratégie : assainissement-démantèlement dans des domaines ciblés, pour permettre de répondre aux grands enjeux du démantèlement en termes de réduc- tion des coûts et de durée des chan- tiers, de minimisation des quantités de déchets produits, tout en renforçant toujours la sûreté ; d’expertise auprès des autres donneurs d’ordre français ou internationaux, et à travers divers modes de partenariats ou de transferts technologiques avec des entreprises spécialisées, et ce dans un contexte de développement internatio- nal de l’activité industrielle en assainis- sement-démantèlement. Si de nombreuses technologies sont déjà déployées avec succès ou sur le point de l’être, d’autres sont encore à développer, ce qui a amené le CEA à identifier six thématiques prioritaires : installations et des sols ; les meilleures conditions de sûreté et d’économie ; optimisée d’opérations en milieu hostile ; des sols ; Recherche et innovation pour l’assainissement-démantèlement Par Christine Georges Chef de programme R&D pour l’assainissement-démantèlement au CEA CEA (the French Alternative Energies and Atomic Energy Commission) is simultaneously an operator of nuclear facilities, responsible for major clean-up and dismantling projects, and a research organization particularly active in terms of technology transfer to industry. CEA’s position in the field of Clean-up and Dismant- ling is unique because of the number of installations and their high diversity, some of them being characterized by very high levels of contamination or radiation. Innovative solutions are essential to the success of Clean-up and Dismantling operations. Because of financial and strategic challenges attached to these programs, new opportu- nities are permanently to be searched. Increased R & D efforts are all the more necessary to achieve reductions in terms of costs, delays and volumes of generated waste. CEA has structured the R & D according to six main areas: assessment of the radiological condition of facilities and soils, waste characterization, hostile environment operations, structures and soil decontamination, waste and effluents treatment, tools and methods for Clean-up and Dismantling. ABSTRACT REE N°1/2016 59 Recherche et innovation pour l’assainissement-démantèlement - chets ; pour la gestion des transports, des matières nucléaires ou des déchets. Avancées technologiques dans les domaines stratégiques de la R&D pour l’assainissement- démantèlement Dans le domaine de l’évaluation de l’état radiologique des instal- lations et des sols Les besoins sont immenses dans le domaine de la caractérisation in situ. Celle-ci doit permettre de fournir une meilleure connaissance des états phy- sique et radiologique des installations et donc des données d’entrée plus précises pour les études de scénarios de déman- tèlement ou les études d’impact, depuis la définition des objectifs jusqu’aux in- ventaires finaux, tout en en minimisant les prélèvements pour désengorger les laboratoires d’analyse et limiter les doses intégrées par les opérateurs. De nombreuses avancées ont d’ores et déjà été réalisées, qu’il s’agisse de la localisation des points chauds, de l’iden- tification des radioéléments ou de l’esti- mation du niveau d’activité radiologique. Ainsi, par exemple, les systèmes d’imagerie basés sur des alpha et/ou des gamma caméras permettent l’accès ra- pide à des cartographies d’installations ou de sols (figure 1). L’autoradiographie est aussi utilisée pour la détection d’émet- teurs béta. La technologie LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) per- met une analyse à distance de la com- position physico-chimique de certains constituants et les méthodes géostatis- tiques permettent d’optimiser les prélè- vements. Des développements voient aussi le jour dans le domaine de la mi- niaturisation pour permettre l’accès à des zones exiguës. Aujourd’hui, des efforts sont mis en œuvre pour permettre un déploiement plus large de ces technologies. Cela passe par l’implication d’industriels en charge de l’industrialisation, de la commercia- lisation et l’incitation à leur utilisation à travers les spécifications des cahiers des charges des maîtres d’ouvrage. Dans le domaine de la caracté- risation des déchets Les besoins dans le domaine de la ca- ractérisation des déchets concernent le développement de systèmes d’analyses destructives et surtout non destructives minimisant au maximum l’incertitude sur la mesure et les seuils de détection (figure 2). L’objectif visé est bien sûr de minimiser les volumes de déchets pro- duits sur les chantiers d’assainissement et de démantèlement, mais aussi de les catégoriser au plus juste afin d’évaluer toujours plus précisément les inven- taires de déchets des futurs sites d’en- treposage et de stockage. Des systèmes de caractérisation existent déjà dans le domaine de l’ima- Figure 1 : Mesure radiologique par caméra gamma. A gauche, photo de l’installation ; à droite, rendu sur un logiciel de simulation 3D – Crédit photo : CEA. Figure 2 : Cellule d’irradiation pour la réalisation de caractérisations non destructives par radiographie et tomographie haute énergie sur des colis de déchets de grandes dimensions et de forte masse – Crédit photo : CEA. 60 REE N°1/2016 LE DÉMANTÈLEMENT DES CENTRALES NUCLÉAIRESDOSSIER 1 gerie gamma et alpha, de la spectromé- trie ou de la neutronique. Cependant, ces systèmes sont très volumineux. L’enjeu des recherches est désormais de rendre les systèmes transportables et utilisables pour différentes catégories de déchets et d’optimiser le processus de caractérisation. Dans le domaine de la réalisation d’opérations en milieu hostile Aussi bien pour la phase préparatoire aux interventions que pour les réalisa- tions opérationnelles, les études portent sur deux grands domaines qui inter- viennent en complémentarité : la modé- lisation et la simulation d'une part et de l'autre, le développement d’outils d’inter- vention opérationnels. Les objectifs sont de réduire les aléas, la dosimétrie, la quantité de déchets produits, de former les opérateurs et de mieux faire commu- niquer les différentes parties prenantes dans les phases d’étude ou de réalisation des opérations. Modélisation et simulation numérique en soutien Dans le domaine de la simulation, les développements réalisés à ce jour permettent de disposer de logiciels de différentes sensibilités pour déterminer, comparer et valider les scénarios et les outils d’intervention. Le CEA a, à son actif, le développement d’un logiciel de simulation de scénarios d’intervention nommé IDROP incluant un module de calcul de doses intégrées. Ce logiciel est d’ores et déjà utilisé pour les prépara- tions en salle immersive sur le site CEA de Marcoule (figure 3). Outils et moyens d’intervention Les outils d’intervention en milieu hostile reposent sur deux piliers : le dé- veloppement de moyens d’intervention à distance, c’est-à-dire des systèmes téléopérés, et le développement d’outils spécifiques (de découpe par exemple), permettant de réaliser les opérations techniques souhaitées. Dans le domaine des systèmes té- léopérés, le CEA a développé, dans le cadre d’un partenariat industriel, un pro- cédé d’intervention, Maestro, qui vient d’entrer en activité sur plusieurs chan- tiers du CEA (figure 4). Il rend ainsi pos- sible certaines opérations impossibles jusqu’alors. Aujourd’hui, ce bras robotisé est d’ores et déjà adapté à des chantiers peu ou moyennement irradiants. L’enjeu principal de R&D réside désormais dans l’adaptation de ce robot pour qu’il puisse résister à des environnements encore plus irradiants (comme par exemple les futurs chantiers de Fukushima Daiichi). Dans le domaine de la robotique et de l’électronique, c’est ce que l’on appelle « durcir » l’outil. Figure 3 : Salle immersive 3D du CEA Marcoule pour la préparation des scénarios d’intervention en milieu hostile - Crédit photo CEA. Figure 4 : Robot de découpe Maestro – Crédit photo : J.Vasquez/OTND. REE N°1/2016 61 Recherche et innovation pour l’assainissement-démantèlement Dans le domaine des outils, les pro- cédés de découpe sous air ou sous eau constituent un axe fort de recherche car ils peuvent permettre de gagner en efficacité pour la dépose des gros composants comme les cuves de réac- teur ou pour la découpe de déchets. Le CEA développe ainsi depuis plusieurs années des procédés de découpe laser sous air répondant aux contraintes spé- cifiques des chantiers d’assainissement- démantèlement. Plus récemment, le CEA s’est lancé dans le développement du procédé de découpe laser sous eau dans son installation DELIA située à Saclay. Ce procédé est intéressant sur les chantiers de démantèlement vis-à- vis de la protection radiologique et de la réduction des aérosols produits. Le CEA a ainsi lancé des études de simulation, la conception de maquettes et des cam- pagnes d’essais de découpe laser sous eau. Fin 2015, la découpe laser a été utilisée pour la première fois en actif, couplée au système téléopéré Maestro, pour la découpe des dissolveurs de l’unité de dissolution continue MAR 200 de l’usine de retraitement des combus- tibles usés UP1 à Marcoule. Les procédés en air et sous eau ont par ailleurs été sélectionnés par les opérateurs japonais au terme d’appels d’offres internationaux, pour la découpe des débris de combustible fondu dans les réacteurs accidentés de Fukushima (encadré 1). Dans le domaine de la décontamination des structures et des sols D’un point de vue scientifique et technologique, il s’agit de décontaminer des solides : structures des installations, appareils «procédé », terres ou gravats contaminés. La décontamination des structures et des appareils « procédé » est essentielle, que ce soit en amont des interventions pour éviter le recours à la téléopération, abaisser les coûts de gestion des dé- chets et minimiser les doses intégrées par les opérateurs ou, en fin de dé- mantèlement, pour atteindre les seuils convenus avec les autorités de sûreté. De nombreuses techniques existent d’ores et déjà à un niveau industriel : mousses, gels aspirables, gels de nap- page, ablation laser, fusion décontami- nante pour le recyclage des métaux, etc. L’enjeu aujourd’hui réside dans le ciblage et l’adaptation de chaque tech- nologie en fonction des matériaux et radioéléments concernés, des confi- gurations géométriques ou de leur compatibilité avec les installations de sites. En général, les phases de décon- tamination font appel à des procédés chimiques, mécaniques ou thermiques, voire par laser, ou à une combinaison de ceux-ci. Le choix d’une méthode de décontamination est fait en fonction du niveau radiologique, de l’accessibilité de l’installation, de la quantité de déchets secondaires générés : volume des déchets radioactifs, des chercheurs du CEA ont mis au point des gels solidifiants et aspirables et des mousses décontaminantes rédui- lors de la décontamination de sur- faces ; - nation mécanique est utilisée essen- tiellement en assainissement final sur des supports de type béton ou métal. Elle s’applique sur des surfaces exté- Les technologies françaises au service de Fukushima Daiichi Onet Technologies et le CEA se sont associés pour répondre à des appels d’offres internationaux visant à faire émerger des techniques innovantes de découpe pour récupérer les débris de combustible fondu dans les réacteurs accidentés de Fukushima Daiichi. Cette étape est primordiale dans le pro- gramme de démantèlement de la centrale qui demandera entre 30 et 40 ans. Les offres proposées ont été retenues en 2014 et 2016 pour des subven- tions du ministère de l’Économie, du commerce et de l’industrie japonais (METI). Elles reposent sur un procédé de découpe laser en téléopération et portent sur la démonstration de la faisabilité technique de la découpe de ce matériau extrêmement complexe et peu connu ainsi que sur l’adaptation du procédé aux contraintes spécifiques du site. Ce procédé de découpe laser de forte puissance est particulièrement adapté à la situation de la centrale japonaise. En effet, facilement pilotable à distance, il a une grande tolérance de positionnement pour la découpe de couches hétérogènes de matériaux, permet des coupes franches des maté- riaux sans qu’ils ne se fissurent et génère moins d’aérosols que la plupart des autres techniques disponibles. Il devra parvenir à découper le magma très compact des réacteurs de Fukushima en morceaux d’environ 10 cm3 , qui seront ensuite entreposés dans des conteneurs. Quelques verrous technologiques sont encore à lever. L’objectif est d’abou- tir en 2017 au développement de la découpe laser du corium sous air et sous eau et à la caractérisation des aérosols produits lors de la découpe de simulants inactifs. Encadré 1 : Les technologies françaises au service de Fukushima Daiichi. 62 REE N°1/2016 LE DÉMANTÈLEMENT DES CENTRALES NUCLÉAIRESDOSSIER 1 rieures de locaux ou sur de gros équi- pements ; - ner des surfaces de béton ou de métal. Est par exemple utilisée la projection de granulés de glace carbonique à très haute vitesse ; - rive de celle employée pour nettoyer les statues. L’Aspilaser, basé sur un laser à impulsion, est ainsi destiné au décapage des peintures. L’utilisation du laser a l’avantage d’être adaptée à de grandes surfaces, d’être auto- matisable et de ne pas produire d’ef- Dans le domaine de la décontamina- tion de terres et gravats, les procédés en cours de développement sont sou- vent issus de l’industrie non-nucléaire, - leuses (figure 5) ou l’utilisation du C02 supercritique comme solvant de décon- tamination. Dans le domaine du traitement et du conditionnement des effluents et des déchets Le CEA a dû développer des procédés pour minimiser le volume et condition- ner les déchets produits par ses chan- tiers d’assainissement-démantèlement. Il s’agit de procédés impliquant adsorption, électrochimie, hydrométallurgie, pyrochi- mie ou destruction thermique. Décontamination d’effluents Le CEA a développé et mis en œuvre des adsorbants sélectifs et des équipe- ments procédé pour la décontamination de réduire les rejets dans l’environne- ment en produits chimiques et radio- logiques, en particulier le césium et le strontium. Traitement des déchets sodés Un autre exemple d’application de la R&D du CEA pour les projets d’assai- nissement-démantèlement est le trai- tement par hydrolyse et carbonatation du sodium des réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium Phénix et Rapsodie, un point essentiel dans le démantèlement de ces réacteurs. Ces procédés élaborés dans les laboratoires du CEA à Cadarache, seront mis en œuvre dans une installation en cours de construction à Marcoule, à côté du réacteur Phénix. Traitement de déchets organiques Le CEA a développé plusieurs pro- cédés pour le traitement de déchets organiques solides ou liquides, qu’il s’agisse d’incinération plasma ou de minéralisation par oxydation hydrother- male. Un nouveau procédé d’incinéra- tion par plasma sous eau est en cours d’industrialisation pour les solvants radioactifs contenant du chlore ou du simplifiera le traitement des gaz et mini- misera la corrosion des installations et équipements. Conditionnement des déchets Les compétences du CEA couvrent tous les domaines liés au conditionne- ment des déchets depuis la formula- tion des matrices de conditionnement jusqu’aux études de comportement à long terme des colis produits. Les deux domaines historiques de développe- ment menés au CEA sont la cimenta- tion et la vitrification. Ils trouvent tous deux aussi leur application dans le domaine de l’assainissement-déman- tèlement : la cimentation avec des géopolymères minéraux est particuliè- Figure 5 : Analyse de mousses dites de « flottation » (elles permettent de faire « flotter » les particules les plus fines en surface) utilisées pour la décontamination – Crédit photo : S. Le Couster/CEA. REE N°1/2016 63 Recherche et innovation pour l’assainissement-démantèlement rement adaptée pour le conditionne- ment du magnésium (figure 6) et la vitrification “in can ” pour les déchets de haute activité. Outils et méthodes pour l’assai- nissement-démantèlement La prévision des coûts du déman- tèlement d’une installation est néces- saire tout au long de sa vie, que ce soit pour décider de son investissement ou ensuite pour mettre de côté les provi- sions nécessaires. Elle a conduit à la création par le CEA, en partenariat avec AREVA, d’un logiciel de chiffrage adapté, ETE-EVAL, avec plus de 3 000 ratios technico-économiques. D’autres outils et méthodes sont aussi développés dans le domaine de la gestion des déchets, des transports ou des matières afin d'assurer la traçabilité et l’homogénéité des données issues des chantiers et les comparer aux pré- visions. Conclusion Le CEA a depuis plus de 30 ans une expérience considérable de maîtrise d’ouvrage des chantiers d’assainisse- ment des installations « historiques » du nucléaire français. Cette expertise inclut le management de projet, la conception et la conduite d’opérations de démantèlement ainsi que la gestion des déchets associés. En parallèle, le CEA, en tant qu’or- ganisme de recherche, est expert en matière de développement d’outils et de R&D dans les domaines spécifiques du démantèlement, de la gestion des déchets et de la réhabilitation des bâti- ments et des sols. Ce double position- nement lui permet de cibler sa R&D sur ses besoins industriels, de la mutualiser avec d’autres exploitants et d’accompa- gner les industriels français le plus en amont possible pour l’industrialisation et la mise en œuvre, aussi bien sur ses propres chantiers que sur ceux d’autres maîtres d’ouvrage, en France ou à l’in- ternational. Figure 6 : Etudes de cimentation pour les déchets magnésiens – Crédit photo : S. Le Couster/CEA. L'AUTEUR Christine Georges est depuis fin 2013 responsable du programme de R&D pour l’assainissement-dé- mantèlement (A&D) du CEA DEN. Après des études de génie chimique à Nancy et un master aux Etats-Unis, elle mène pour Areva plusieurs pro- jets de construction, à la Hague, Mélox et Marcoule. Après une paren- thèse dans le domaine du transport de plutonium et de MOX, elle se dédie à l’A&D, d’abord en tant chef de programme de la mise à l’arrêt de l’usine de retraitement UP1 puis, en 2010, en tant que chef de dépar- tement des projets d’A&D des cinq sites du CEA.