L'élimination des particules de composés d'uranium, comme le nitrate d'uranyle (UO2(NO3)2·6H2O) et le dioxyde d'uranium (UO2), présentes sur les surfaces de l'industrie nucléaire est primordiale. Les contenants métalliques des complexes de cellules chaudes et l'instrumentation de production de combustible nucléaire doivent être débarrassés de ces particules (référence 1). Des applications potentielles existent dans les réacteurs modulaires à lit de boulets (PBMR) utilisés en Afrique du Sud. Le nitrate d'uranyle est la matière première de base pour la production de combustible PBMR et le dioxyde d'uranium est la matière fissile des noyaux des éléments combustibles (référence 1). La figure 1 montre les boulets utilisés dans les PBMR.
Figure 1 : Galets utilisés dans le PBMR (Référence 2)
Bien que le financement de la technologie PBMR ait été réduit en Afrique du Sud (référence 2), la question du nettoyage des cartouches métalliques de particules d’uranium demeure un problème courant pour tous les types de réacteurs nucléaires.
Les composés d'uranium libres sont beaucoup plus faciles à éliminer que la contamination qui a pénétré les couches d'oxyde des surfaces métalliques d'un réacteur nucléaire. Cependant, cette contamination est dangereuse, car elle peut être inhalée par une personne et être transportée par les chaussures ou les vêtements hors des zones réglementées. Une fois dans l'organisme, ces particules présentent un risque d'irradiation et sont considérées comme toxiques.
Il existe de nombreuses méthodes pour nettoyer ces particules libres, comme le nettoyage chimique ou le nettoyage au jet d'eau. Cependant, l'ajout de produits chimiques ou d'eau implique le traitement des déchets secondaires générés. Ces déchets secondaires sont radioactifs et doivent être éliminés de manière appropriée. Cela augmente le coût de ces méthodes de nettoyage, et une élimination inappropriée de ces déchets secondaires peut entraîner des risques pour la santé ou contaminer les réserves d'eau.
Une autre méthode consiste à nettoyer la surface au laser, où un laser pulsé élimine les particules. Ce procédé à sec élimine toute contamination sans utiliser de produit secondaire (eau ou produits chimiques). Les particules sont éliminées grâce à un système d'extraction équipé d'un filtre sec jetable, comme un filtre HEPA (référence 1).
Concernant le choix du laser, l'élimination des couches superficielles et le nettoyage au laser à sec (DLC) sont plus efficaces à des longueurs d'onde plus courtes, comme dans le visible, ce qui peut réduire les dommages au substrat. Cependant, le choix du laser est dicté par l'efficacité globale du nettoyage de grandes surfaces, ce qui impose l'utilisation d'un laser Nd:YAG Q-switched à la longueur d'onde fondamentale de 1064 nm ou d'un laser à fibre pulsé de qualité industrielle.
Dans une étude (référence 1), des cristaux de nitrate d'uranyle ou des grains de dioxyde d'uranium ont été broyés à l'aide d'un pilon et d'un mortier, puis étalés sur des surfaces en acier inoxydable de 30 mm². Un laser YAG à commutation Q, fonctionnant à une longueur d'onde fondamentale de 1064 nm, avec une énergie de 0,8 J par impulsion, une fréquence de répétition de 10 Hz et une largeur d'impulsion de 7 à 10 ns, a été utilisé pour éliminer les particules de composé d'uranium de la surface. La densité énergétique du laser était généralement de 0,5 J/cm², comparable à celle produite par un laser à fibre pulsé (1,5 mJ par impulsion, spot de 60 µm de diamètre à 1030 nm, densité énergétique = 0,75 Joules/cm²). La figure 2 illustre l'élimination de la rouille d'un tuyau métallique par ce laser à fibre pulsé de 100 watts. La tête laser est maintenue en position focale par un robot dans toutes les orientations.
Figure 2 : Élimination de la rouille par un laser à fibre proche infrarouge de 100 watts contrôlé par robot sur un tuyau métallique
Pour qu'une surface soit considérée comme propre (zone blanche), les activités α et β doivent être prises en compte. En général, l'activité α est plus importante que l'activité β et sa limite d'activité maximale est inférieure, car elle présente un risque interne plus grave. La dose de sécurité pour les particules a est inférieure à 0,04 Bq/cm², tandis que celle pour les particules b est dix fois supérieure et inférieure à 0,4 Bq/cm². Plusieurs essais ont été effectués sur des échantillons d'acier inoxydable recouverts de poudre de nitrate d'uranyle ou de dioxyde d'uranium. Dans une série de tests, un ventilateur a été utilisé comme premier passage pour le nettoyage, suivi de plusieurs passages laser, puis d'un frottis avec du papier frottis et finalement d'un lavage à l'eau. La figure 3 montre le test effectué sur le nettoyage au dioxyde d'uranium avec une fluence laser de 0,36 J/cm².
Figure 3 : Nettoyage au laser du dioxyde d'uranium à l'aide d'un ventilateur (premier passage), d'un laser (deuxième, troisième et quatrième passages), d'un balayage avec du papier frottis (cinquième passage) et d'un lavage à l'eau (sixième passage) en utilisant une fluence de 0,36 J/cm2.
Le résultat de la figure 3 montre une faible baisse d'activité lors du premier passage du ventilateur, mais 85 % des particules ont été éliminées après les passages laser. Le nettoyage au papier frottis et le lavage à l'eau (5e et 6e passages) ont montré une légère baisse d'activité.
La figure 4 illustre le même essai de nettoyage des particules de nitrate d'uranyle avec la même fluence laser de 0,36 J/cm². Les couches de nitrate d'uranyle sont semi-transparentes au rayonnement laser à 1064 nm et peuvent donc être éliminées à l'interface couche-substrat par spallation (référence 3). Le résultat montre une faible élimination avec le ventilateur seul, mais une baisse d'activité de 98 % après trois passages laser.
Figure 4 : Élimination du nitrate d'uranyle à l'aide d'un laser de fluence 0,36 J/cm2.
Le premier passage concernait seulement le ventilateur. Les trois passages suivants ont utilisé un nettoyage au laser. Pour un système de décontamination nucléaire, il est important de démontrer qu'un pourcentage important de la radioactivité éliminée peut être piégé avant d'être redéposé à la surface. Il doit également être recueilli sous une forme appropriée à son élimination. Pour la recherche référencée dans cet article, le TC-99m, qui possède les mêmes propriétés d'adhésion que les composés d'uranium mais est moins radioactif, a été utilisé pour des raisons de sécurité. En ce qui concerne les propriétés d'adhésion, les forces de paroi de Vander jouent un rôle important et empêchent l'élimination des particules de plus de 100 mm à l'aide d'un système d'extraction simple. Le nettoyage au laser est avantageux car il élimine les couches superficielles ainsi que les particules submicroniques.
Allied Scientific Pro offre des systèmes de nettoyage laser à fibre de 100, 200 et 500 watts. Le lien suivant contient plus d'informations sur ces systèmes.
https://www.asensetekca. com/ shop /category/lasers-laser-cleaning-system-63
Références :
1- Élimination par laser de la contamination par des composés d'uranium libres des surfaces métalliques, D.E.Roberts, et.al, applied surface science, 253, (2007)
2- Le réacteur nucléaire à lit de boulets est retiré, Linda Nording, Nature 463, 2010.
3- Méthodologie de réduction du volume des déchets métalliques radioactifs, T.V.Do et. al, conférence WM2019, Phoenix, Arizona.