Production de particules dans les chantiers de démantèlement
Confinement : Bien que les opérations de démantèlement soient encadrées par un contexte réglementaire qui est celui de la loi TSN du 13/06/2006 (loi relative à la transparence et à la sécurité en matière nucléaire) et de l’arrêté INB du 08/02/12, aucun texte à caractère normatif n’encadre la mise en œuvre du confinement des chantiers de déconstruction. Les différents exploitants s’appuient donc sur des guides de ventilation, telle que la norme ventilation nucléaire ISO 17873 mais qui a été écrite pour des installations neuves et n’est pas adaptée aux confinements de chantiers, les guides CETREVE, et leurs propres retours d’expérience. Avant tout début de chantier de déconstruction, l’exploitant fait une déclaration préalable auprès de l’ASN en déterminant le niveau de contamination attendu, en respectant la Limite Dérivée de Concentration dans l’Air (LDCA), concernant les particules de 1 et 5 µm et en considérant différents radionucléides. Il s’agit d’une démarche prédictive à la conception et qui doit être faite dans le cas d’un fonctionnement normal et d’un fonctionnement accidentel potentiel. Suivant le niveau de contamination, une classe spécifique de confinement doit-être appliquée.
Dispositifs utilisés pour la découpe des métaux
Les différents outils de découpe sont rangés en deux familles, les découpes thermiques et mécaniques. Une découpe est dite à chaud dès lors qu’il y a production de particules incandescentes.
La méthode thermique est caractérisée par un échauffement localisé du métal jusqu’à sa fusion, vaporisation ou sublimation, suivi par l’éjection du métal liquéfié à l’aide d’un jet de gaz. Il s’agit de la découpe par torche à plasma, par oxycoupage et par laser. La méthode mécanique est caractérisée par un enlèvement de copeaux par arrachement à l’aide d’un outil. Il s’agit essentiellement de la scie alternative et de la tronçonneuse à disque, appelée communément disqueuse. Pilot (1995) a mené pour l’IRSN une étude comparative des différents outils de découpe afin de déterminer l’outil le plus approprié à utiliser selon différents critères. Les différents outils sont automatisés et placés dans un sas avec une extraction placée en hauteur, perpendiculairement à la direction de la découpe. L’extraction est équipée d’un granulomètre Spectromètre Diffusionnel et Inertiel (SDI) pour mesurer la granulométrie des aérosols entraînés. Un bac de récupération des scories est prévu sous la plaque de découpe et des plaques d’aluminium sont disposées sur les parois et au sol afin de mesurer la fraction massique de particules déposée. Ces essais ont été réalisés sur des plaques d’acier inoxydable 304L et d’acier doux A42 de différentes épaisseurs (5, 10, 20, 30 et 50 mm).
Phénoménologie de la découpe de métal par une disqueuse
La disqueuse est un outil de découpe mécanique équipé d’un disque composé de matières abrasives mis en rotation rapide pour enlever de la matière à la pièce. Le disque est un outil à tranches multiples dont chaque grain est un outil élémentaire. L’agglomérant joue le rôle du porte outil. Pendant la découpe, les grains émoussés sont libérés et mettent à nu de nouveaux grains. Un disque est défini par son type de liant et ses caractéristiques en termes de taille et de dureté des grains. Il existe des disques de différentes compositions adaptés aux matériaux.
Dans la configuration de Pilot (1995), plus de 90 % de la masse soustraite de la pièce se retrouve dans les scories sédimentées alors que seulement 3 % de la masse est entraînée dans le circuit de ventilation. Les particules entraînées ont une distribution granulométrique bimodale (modes à 0,1 et 7 µm) tandis que la granulométrie des scories est comprise entre 20 µm et 10 mm. Pilot (1995) montre également que la concentration en aérosol diminue lorsque la vitesse de coupe augmente. Des découpes à l’aide d’une disqueuse manuelle réalisées par l’IRSN sur l’installation STARMANIA ont permis de mettre en évidence une perte de masse du même ordre de grandeur pour la pièce et l’outil. Les mesures réalisées à l’aide d’un impacteur d’Andersen lors des essais ont montré que la distribution granulométrique des particules était centrée autour de 10 µm, en accord avec les résultats de Pilot (1995). Ces résultats ne font cependant pas la distinction dans la composition des particules produites, issues de la pièce métallique et du disque. Malkin (1984) a visualisé des copeaux, émis lors d’une découpe avec une disqueuse à l’aide d’un Microscope Electronique à Balayage (MEB) .
Génération de particules incandescentes
L’étude bibliographique a montré que les caractéristiques des particules émises par une disqueuse étaient fortement dépendantes des conditions de coupe (la force d’appui, l’angle d’attaque, la vitesse de découpe, etc.). Dans le but de contrôler ces paramètres, la disqueuse choisie pour cette étude (modèle BOSCH GCO 2000 Pro) a été intégrée dans un dispositif mécanique automatisé (ce qui permet aussi d’assurer un pilotage à distance). Le bras de la disqueuse est relié à un vérin pneumatique, fixé à un châssis qui surplombe la disqueuse et travaille en extension. L’avance de la plaque, qui permet la réalisation de découpes successives, s’effectue à l’aide d’un vérin associé à une crémaillère dont les dents sont espacés de 2 cm. Un boîtier de commande est déporté hors du sas, il permet le démarrage et l’arrêt de la disqueuse ainsi que le réglage de la force d’appui selon trois forces prédéterminées similaires aux valeurs trouvées dans la bibliographie. La vitesse de descente et le capteur de fin de course peuvent être réglés manuellement au niveau de la disqueuse. Enfin, la disqueuse est placée sur un chariot élévateur pour avoir plus de liberté dans son positionnement.
La force du vérin et la vitesse de descente du disque, qui sont des paramètres couplés, ont été mesurés respectivement avec une balance et une caméra rapide. La force du vérin détermine la force d’appui du disque sur la pièce et la vitesse de descente permet de déterminer le temps de découpe d’une plaque. Pour plus de lisibilité, il a été attribué une force de réglage correspondant à un couplage des paramètres de force d’appui et de vitesse de descente du disque, que l’on peut ainsi assimiler à une configuration de découpe. Le réglage F1, correspond à la plus faible force et vitesse de descente. Cette configuration est représentative, par exemple, d’une découpe réalisée à bout de bras par un opérateur. Pour le réglage F3, la force et la vitesse de découpe sont maximales simulant une découpe pour laquelle l’opérateur peut s’appuyer plus facilement sur l’outil. Le réglage F2 est intermédiaire.
Mesure de vitesse des particules
Les particules générées lors de l’opération de découpe sont aspirées par le cône de captage et transportées dans le conduit de ventilation suivant leurs caractéristiques. Comme il a été montré précédemment , la population de particules est caractérisée par une distribution granulométrique polydispersée, ce qui engendre une dispersion importante de leurs vitesses dans la conduite de ventilation.
Des diagnostics optiques sont utilisés pour mesurer la vitesse des particules de manière non intrusive. Au point d’émission, l’aérosol est composé de particules métalliques incandescentes, qui émettent un rayonnement spontané continu dans le spectre visible, et de particules non incandescentes qui sont produites lors de l’usure de l’outil de découpe (cette hypothèse sera vérifiée par la suite). La propriété d’incandescence des particules est utilisée afin de mesurer leurs vitesses par la technique PTV (Particle Tracking Velocimetry). Cette technique est applicable compte tenu de la faible concentration particulaire. Pour les particules non incandescentes, il est nécessaire de les éclairer avec une source lumineuse. La densité particulaire étant trop faible pour utiliser la technique LDV (Laser Doppler Velocimetry), nous utilisons la technique PIV (Particle Image Velocimetry).
Le principe de mesure de ces deux techniques et leurs implantations dans notre configuration sont explicitées ci-après. Ces deux techniques non-intrusives nécessitent de pouvoir accéder à la visualisation des particules.
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 BIBLIOGRAPHIE
1.1. PRODUCTION DE PARTICULES DANS LES CHANTIERS DE DEMANTELEMENT
1.1.1. Confinement
1.1.2. Dispositifs utilisés pour la découpe des métaux
1.1.3. Phénoménologie de la découpe de métal par une disqueuse
1.2. EVOLUTION DES CARACTERISTIQUES DES PARTICULES PENDANT LEUR TRANSPORT
1.2.1. Transport
1.2.2. Transfert de chaleur
1.2.3. Impact pariétal des particules
1.3. FILTRATION DE PARTICULES SOLIDES
1.3.1. Etude du médium filtrant
1.3.2. Efficacité du médium filtrant
1.3.3. Perte de charge du médium
1.3.4. Risque lié à l’impact de particules portées à hautes températures
1.4. CONCLUSIONS
CHAPITRE 2 DISPOSITIF EXPERIMENTAL
2.1. CAPIMIF
2.1.1. Génération de particules incandescentes
2.1.2. SAS de confinement
2.1.3. Systèmes de ventilation de CAPIMIF
2.2. INSTRUMENTATION
2.2.1. Capteurs et acquisition
2.2.2. Mesure du coefficient d’épuration du filtre TEST
2.2.3. Mesure de vitesse des particules
2.2.4. Mesure de la granulométrie des particules
2.3. CONCLUSIONS
CHAPITRE 3 DEVELOPPEMENT ET QUALIFICATION DE LA MESURE EN VOL DE LA TEMPERATURE DE PARTICULES METALLIQUES
3.1. PRINCIPE DE LA MESURE DE LUMINANCE
3.2. REVUE DES MOYENS DE DIAGNOSTICS
3.2.1. Pyromètres
3.2.2. Caméras thermiques
3.2.3. Systèmes intégrés
3.3. SPECIFICATIONS REQUISES VIS-A-VIS DES CONDITIONS EXPERIMENTALES DE NOTRE ETUDE
3.4. ETUDE ET DEVELOPPEMENT DE LA TECHNIQUE PYROMETRIQUE POUR LA MESURE DE TEMPERATURE DE PARTICULES
3.4.1. Principe de fonctionnement du pyromètre
3.4.2. Validation des spécifications du pyromètre
3.4.3. Qualification du pyromètre pour la mesure de la température de particule en vol
3.4.4. Etude de l’émissivité
3.4.5. Nouvelle loi d’inversion
3.4.6. Qualification de la loi d’inversion
3.5. CONCLUSIONS
CHAPITRE 4 DEVENIR DES PARTICULES DE LA SOURCE AU DEPOT
4.1. SIMULATIONS NUMERIQUES PAR CFD DE L’EVOLUTION DES CARACTERISTIQUES DES PARTICULES DANS UN CONDUIT DE VENTILATION
4.1.1. Conditions initiales des simulations
4.1.2. Résultats et analyses des simulations
4.2. PROTOCOLE EXPERIMENTAL
4.2.1. Généralités
4.2.2. Grille d’essais
4.2.3. Reproductibilité
4.3. ANALYSE DE LA PRODUCTION DE PARTICULES EN LIEN AVEC LA PHENOMENOLOGIE DE LA DECOUPE
4.3.1. Caractéristique des particules près du point d’émission
4.3.2. Evolution temporelle des caractéristiques des particules au cours d’une découpe
4.4. ETUDE DE L’EVOLUTION DES CARACTERISTIQUES DES PARTICULES
4.4.1. Etude du transport des particules dans le conduit de ventilation
4.4.2. Energie cinétique des particules incandescentes
4.4.3. Energie thermique des particules
4.4.4. Conclusion
4.5. EFFET DE SENSIBILITE DES PARAMETRES INFLUENÇANT LA GENERATION DES PARTICULES
4.5.1. Métal et conditions de coupe
4.5.2. Effet de la vitesse débitante
4.6. CONCLUSIONS
CHAPITRE 5 EFFET DE L’IMPACT DES PARTICULES SUR UN MEDIUM FILTRANT
5.1. APPROCHE GLOBALE
5.2. APPROCHE LOCALE
5.2.1. Caractérisation du médium
5.2.2. Caractérisation de l’impact des particules sur le médium
5.2.3. Effet mécanique
5.2.4. Effet thermique
5.2.5. Couplage entre effets thermique et mécanique
5.3. CORRELATION PARTICULES/DEGRADATION
5.3.1. Corrélation adimensionnelle
5.3.2. Corrélation industrielle
5.4. BONNES PRATIQUES
5.5. CONCLUSIONS
CONCLUSIONS & PERSPECTIVES
RÉFÉRENCES
ANNEXES
ANNEXE 1 COMPOSITION DE L’OUTIL ET DES PIECES UTILISEES
ANNEXE 2 INCERTITUDE DE LA LOI D’INVERSION DU PYROMETRE
ANNEXE 3 ETUDE DE SENSIBILITE DES PARAMETRES POUR LA SIMULATION AVEC LE CODE ANSYS CFX
ANNEXE 4 SIMULATIONS DES DEPOTS DE PARTICULE EN GAINE AVEC LE LOGICIEL SYLVIA
ANNEXE 5 SIMULATIONS CFD DE L’INFLUENCE DE LA VITESSE INITIALE D’EMISSION ET DE LA VITESSE DEBITANTE SUR LES CARACTERISTIQUES
DES PARTICULES
ANNEXE 6 REPARTITION SPATIALE DES PARTICULES
ANNEXE 7 ANALYSE DES FILTRES UTILISES POUR LA DISTRIBUTION GRANULOMETRIQUE
ANNEXE 8 RESULTATS EXPERIMENTAUX CONCERNANT L’EVOLUTION DE LA VITESSE DES PARTICULES INCANDESCENTES EN FONCTION DU DEBIT D’EXTRACTION
ANNEXE 9 VISUALISATIONS AU MEB DE MEDIAS DEGRADES
ANNEXE 10 ETALONNAGE DU DISPOSITIF DE DEGRADATION A EFFETS MECANIQUE ET THERMIQUE
