Décontamination nucléaire par laser pour le démantèlement
L'énergie nucléaire constitue une alternative importante aux combustibles fossiles comme le charbon, qui contribue fortement au réchauffement climatique. En Ontario, au Canada, où la production d'électricité par des centrales au charbon a été interdite ces dernières années, 59 % de l'électricité est produite par des centrales nucléaires, contre 23 % pour l'hydroélectricité, 11 % pour le gaz naturel et environ 5 % pour l'énergie propre (énergie solaire et éolienne). Les centrales nucléaires jouent donc un rôle important dans la production d'électricité. Cependant, leur durée de vie est limitée et doivent être démantelées après 30 à 40 ans d'exploitation. En effet, les pièces s'usent et il serait dangereux de continuer à exploiter l'installation. Une autre raison est le risque de fissures dans les parois.
Lors du démantèlement nucléaire, un réacteur est généralement démantelé entièrement et tous ses composants sont acheminés vers un site de stockage temporaire, qui sera ensuite transféré vers un site de stockage géologique permanent. Certains composants destinés au stockage définitif sont constitués de métaux et d'alliages précieux ; il serait donc judicieux de les décontaminer afin de les réutiliser plutôt que de finir comme déchet. De nombreux métaux précieux, comme l'acier inoxydable, sont présents dans la structure des centrales nucléaires et leur recyclage après démantèlement serait économique. Lors du processus de décontamination, des couches d'oxydes contaminent généralement les parois d'une centrale nucléaire et doivent être éliminées. La figure 1 illustre l'une de ces parois :
Figure 1 : La couche d'oxyde est visible sur la paroi intérieure de la centrale nucléaire. Cette image provient du site de l'Inspection fédérale de la sécurité nucléaire (IFSN).
Les couches d'oxyde s'accumulent généralement sur les parois en béton ou les tubes métalliques et doivent être éliminées avant le démantèlement. Les parois en béton seront éliminées comme déchets, mais devront d'abord être nettoyées des résidus radioactifs (écaillage du béton). Les tubes, en acier inoxydable, doivent être nettoyés des résidus d'oxyde, car le métal peut être réutilisé pour la prochaine génération de réacteurs nucléaires.
Il existe plusieurs méthodes de décontamination pour le décapage du béton et l'élimination des couches d'oxyde, telles que le décapage au jet d'eau et le décapage mécanique. Cependant, certaines de ces méthodes produisent beaucoup de déchets secondaires (décapage au jet d'eau) et nécessitent des systèmes de contrôle et de déploiement externes complexes. Il existe également d'autres techniques humides, telles que le nettoyage à la vapeur, le nettoyage chimique et le nettoyage abrasif humide. Toutes ces techniques produisent beaucoup de déchets secondaires. La figure 2 illustre le nettoyage au jet d'eau de surfaces oxydées.
Figure 2 : Nettoyage au jet d'eau. L'image est tirée d'une technologie intelligente de nettoyage au jet d'eau à ultra-haute pression.
Une autre méthode proposée, appelée décontamination laser, présente de nombreux avantages et quelques inconvénients. Elle utilise des lasers nanosecondes de haute puissance, d'une puissance de 10 à 100 kW, et envoie le faisceau laser à travers une fibre pour atteindre la surface oxydée à nettoyer. Le développement de lasers industriels robustes a rendu cela possible, et la flexibilité des fibres optiques de quelques mètres permettrait d'atteindre les surfaces à traiter. Un système de lentilles à l'extrémité du tube de distribution de la fibre optique permet de donner différentes formes au faisceau, comme cylindrique, sphérique, etc. Étant donné que le nettoyage laser peut nécessiter une faible densité de puissance et une taille de faisceau plus importante (par rapport à une application de découpe), cette méthode est mise en œuvre avec succès. Les avantages du système de nettoyage laser sont son faible impact environnemental, la réduction des déchets secondaires et l'automatisation. Cependant, il présente l'inconvénient de nécessiter une focalisation précise du faisceau laser sur la surface à traiter. La figure 3 ci-dessous illustre le système de nettoyage laser.
Figure 3 : Nettoyage par ablation laser
La livraison par fibre optique du faisceau laser haute puissance est illustrée dans la figure 4.
Figure 4 : Distribution du faisceau par fibre optique
La couche d’oxyde à la surface des métaux est principalement constituée de cobalt 60, dont la demi-vie est de sept ans.
Pour comprendre l'action du faisceau laser sur l'ablation d'une surface contaminée, on peut expliquer que si l'énergie de l'impulsion laser est suffisamment élevée, elle peut générer des ondes de choc à l'intérieur du matériau et provoquer l'évaporation de la couche d'oxyde. Ceci est dû aux instabilités mécaniques induites dans la structure de surface et entraîne l'élimination de la couche d'oxyde contaminante. Les paramètres importants pour le faisceau laser sont la longueur d'onde, la durée et l'énergie de l'impulsion. Les propriétés de la couche d'oxyde doivent également être prises en compte afin de choisir les paramètres laser appropriés pour une ablation efficace de la surface.
Pour l'ablation d'une surface radioactive contaminée, l'ablation laser est effectuée couche par couche et les matières éjectées sont captées par une pompe aspirante, de sorte qu'elles n'ont pas la possibilité de se redéposer sur la surface.
Allied Scientific Pro a lancé des appareils de nettoyage laser utilisables pour la décontamination nucléaire lors du démantèlement d'une centrale nucléaire. La fibre flexible de 5 mètres, équipée d'une tête de balayage, dirige le faisceau laser (longueur d'onde proche infrarouge, largeur d'impulsion de quelques dizaines de nanosecondes et fréquence de répétition variable en kHz) vers la surface. Des lentilles cylindriques dessinent une ligne de faisceau et la surface contaminée peut être éliminée efficacement par ablation laser. La figure 5 ci-dessous illustre le système de nettoyage laser d'Allied Scientific Pro.
Figure 5: Système de nettoyage LaserBlast-200 par Allied Scientific Pro
L'ablation laser est certainement la méthode préférée pour la décontamination nucléaire en raison de son efficacité et de son fonctionnement propre qui aiderait l'environnement et offrirait un fonctionnement plus sûr pour le personnel qui est exposé à moins de pollution secondaire.
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Références:
1- Décontamination et nettoyage laser des surfaces métalliques : modélisation et
études expérimentales, thèse de doctorat d'Anton Leontyev.
2- Le potentiel du laser haute puissance dans le démantèlement nucléaire, Paul Hilton
et Colin Walters, site Web de TWI.
3- Mise hors service des centrales nucléaires, Sécurité nucléaire fédérale suisse
Site Internet de l'Inspection ENSI.