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CA 02884228 2015-03-05
WO 2014/037461
PCT/EP2013/068400
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DISPOSITIF DE PRELEVEMENT PASSIF DE TRITIUM
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne l'étude et le suivi des radionucléides dans
l'environnement, et notamment les dispositifs de piégeage et de mesure d'une
quantité de tritium contenu dans l'air.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Le tritium est l'isotope radioactif de l'hydrogène comprenant trois nucléons
(un proton et deux neutrons). Il est représenté par le symbole chimique T, et
se
présente dans l'environnement sous trois formes chimiques :
- l'eau tritiée, HTO, forme la plus abondante,
- le tritium gazeux, HT,
- le tritium organique, noté OBT, pouvant apparaître suite à des échanges
environnementaux ou des réactions métaboliques d'êtres vivants.
La quantité de tritium dans l'environnement ayant augmenté avec le
développement de l'utilisation de l'énergie nucléaire, il existe un besoin
croissant
d'analyser sa concentration et son comportement, notamment dans l'atmosphère.
On connaît déjà des dispositifs de piégeage de tritium contenu dans l'air. On
connait notamment des dispositifs, appelés barboteurs dont un exemple 10 est
illustré schématiquement en figure 1, comprenant des pots remplis d'eau 11
dans
lesquels on injecte un flux d'air F à très bas débit ¨ de l'ordre de 30 litres
par heure
en moyenne ¨ sur une période longue de plusieurs jours. Le tritium contenu
dans
l'air est piégé par échange dans l'eau contenue dans les différents pots 11.
Elle est
ensuite analysée pour obtenir une indication de l'activité moyenne du tritium
dans
l'air au cours de la période de prélèvement.
Ce dispositif présente néanmoins des inconvénients. Tout d'abord, il s'agit
d'un dispositif actif , c'est-à-dire qui nécessite un apport d'énergie
permanent, ce
qui représente une contrainte matérielle. Ce dispositif est également coûteux
et
nécessite des interventions de maintenance.
En outre, la quantité de tritium contenue dans la vapeur d'eau initialement
présente dans l'air est grandement diluée puisqu'elle est mélangée au volume
d'eau
contenu dans les pots, cette dilution limitant la sensibilité de la mesure.
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Un autre type de dispositif de piégeage de tritium a été développé, illustré
schématiquement en figure 2, consistant à condenser la vapeur d'eau contenue
dans l'air, pour récupérer le tritium présent dans l'air sous forme d'eau
tritiée. Ce
dispositif 20 est un système ouvert comprenant une canalisation 21 baignant
dans
l'air ambiant représenté sous forme de flux d'air F, dans laquelle circule un
gaz g
liquéfié à une température négative, et sur laquelle se condense la vapeur
d'eau
présente dans l'air en contact avec la canalisation. Le dispositif comprend en
outre
une ventilation 22 pour assurer le renouvellement de l'air ambiant à proximité
de la
canalisation. On peut récupérer, à la fin du prélèvement, l'eau condensée Ec
pour
analyser la quantité de tritium qu'elle contient.
Ce type de dispositif permet de réaliser des prélèvements d'air sur des
périodes plus courtes (moins d'une heure), et donc ne permet pas d'obtenir une
valeur moyennée de la quantité de tritium présent dans l'air sur des périodes
de
l'ordre de la semaine ou plus.
Ce dispositif présente les inconvénients d'être un système actif, coûteux à
utiliser et difficile à mettre en place.
On connaît encore, en référence à la figure 3, un autre dispositif de
prélèvement de tritium. Ce dispositif est passif, c'est-à-dire qu'il ne
requiert aucune
source d'énergie. Il comporte un réservoir 31 à l'intérieur duquel est placé
un
cylindre de matériau adsorbant 32, adapté pour prélever du tritium contenu
dans
l'air par adsorption.
Cependant, ce dispositif ne présente pas la même efficacité de prélèvement
du tritium tout au long de la durée du prélèvement. En effet, le matériau
adsorbant
parvient rapidement, après une période de trois à quatre jours, à un état de
saturation dans les couches superficielles du matériau absorbant, en contact
avec
l'environnement. Ceci empêche d'exploiter les résultats pour en déduire une
activité
moyenne de tritium dans l'environnement pendant une période de prélèvement
dépassant la durée-seuil de saturation, typiquement 15 jours.
Il existe donc un besoin pour un dispositif de prélèvement de tritium
permettant un échantillonnage du tritium représentatif de sa concentration
atmosphérique dans l'environnement surveillé, pendant une période de
prélèvement
pouvant varier de 1 à 20 jours minimum, et permettant également de récupérer
suffisamment d'eau tritiée à l'issue du prélèvement pour une analyse
radiologique
par scintillation.
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PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention a pour but de pallier au moins un des inconvénients cités ci-
avant.
Un but de l'invention est ainsi de proposer un dispositif passif de
prélèvement de tritium dans un environnement gazeux, permettant d'obtenir une
valeur de l'activité moyenne du tritium tout au long du prélèvement.
Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de prélèvement de
tritium
économique, facile et rapide à déployer dans un environnement.
A cet égard, l'invention propose un dispositif de prélèvement de tritium
présent dans un environnement gazeux, comprenant :
- un réservoir en communication de fluide avec l'environnement gazeux, et
- une quantité de matériau adsorbant, disposée à l'intérieur dudit
réservoir,
adaptée pour adsorber le tritium contenu dans l'environnement gazeux,
le dispositif comprenant au moins une ouverture de communication de fluide
entre le
réservoir et l'environnement gazeux,
le dispositif étant caractérisé en ce que:
- la géométrie de l'ouverture de communication de fluide est adaptée, en
fonction de la durée du prélèvement, pour que la quantité de matériau
adsorbant ne soit pas saturée à l'issue du prélèvement, et,
- le matériau adsorbant est conformé de manière à présenter une surface
d'échange de révolution avec l'environnement gazeux.
Avantageusement, mais facultativement, le dispositif de prélèvement de
tritium selon l'invention peut en outre comprendre au moins l'une des
caractéristiques suivantes :
- la surface de l'ouverture ou la surface cumulée des ouvertures de
communication de fluide est inférieure à 400 mm2 pour un prélèvement de
10 jours, et à 200 mm2 pour un prélèvement de 20 jours.
- la ou les ouvertures de communication sont ménagées dans un couvercle ou
une membrane rapportée sur ledit réservoir.
- la membrane est une membrane hydrophile.
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- Le dispositif comprend un couvercle circulaire rapporté sur le réservoir,
les
ouvertures de communication de fluide étant circulaires et disposées selon
une disposition choisie parmi le groupe suivant :
o ouvertures disposées aux sommets d'un polygone régulier centré sur
le centre du couvercle,
o ouvertures disposées aux sommets d'un polygone régulier centré sur
le centre du couvercle, et une ouverture au centre du couvercle,
o ouvertures disposées aux sommets d'un polygone régulier centré sur
le centre du couvercle, et au milieu des côtés du polygone,
o ouvertures disposées aux sommets d'un polygone régulier centré sur
le centre du couvercle, au milieu des côtés du polygone, et au centre
du couvercle,
o ouvertures disposées aux sommets d'un polygone régulier centré sur
le centre du couvercle, et sur au moins une diagonale du polygone
de sorte que les ouvertures de ladite diagonale soient régulièrement
réparties,
o ouvertures disposées aux sommets d'un polygone régulier centré sur
le centre du couvercle, au milieu des côtés du polygone, et sur au
moins une diagonale du polygone de sorte que les ouvertures de
ladite diagonale soient régulièrement réparties,
o ouvertures disposées aux sommets d'un polygone régulier centré sur
le centre du couvercle, au milieu des côtés du polygone, au centre du
couvercle, et sur au moins une diagonale du polygone de sorte que
les ouvertures de ladite diagonale soient régulièrement réparties,
o ouvertures disposées en spirale,
o ouvertures aléatoirement réparties sur le couvercle.
- le réservoir comprend des parois latérales symétriques autour d'un axe du
réservoir, et la surface d'échange du matériau adsorbant est de révolution
autour dudit axe.
- la surface d'échange du matériau adsorbant est cylindrique, tronconique ou
conique.
- Le dispositif comprend en outre une paroi perméable disposée à
l'intérieur
du réservoir, le matériau adsorbant étant disposé entre les parois latérales
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du réservoir et la paroi perméable de sorte que ladite paroi perméable définit
la surface d'échange entre le matériau adsorbant et l'environnement gazeux.
- la paroi perméable est une grille.
- le matériau absorbant est choisi parmi le groupe suivant : gel de silice,
tamis
5 moléculaire, zéolithe, charbon actif.
L'invention propose également un procédé de prélèvement de tritium dans un
environnement gazeux, comprenant les étapes consistant à :
- déterminer une durée de prélèvement souhaitée,
lo - sélectionner une géométrie d'ouvertures de communication d'un
dispositif de
prélèvement selon l'une des revendications précédentes en fonction de la
durée de prélèvement souhaitée, et disposer le dispositif dans
l'environnement gazeux, et
- maintenir le dispositif dans l'environnement gazeux pendant toute la
durée
du prélèvement.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention
apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, au regard
des
figures annexées, données à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquelles
:
- la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un dispositif de
piégeage de tritium de l'art antérieur appelé barboteur,
- la figure 2, déjà décrite, représente schématiquement un dispositif de
piégeage de tritium de l'art antérieur par condensation.
- La figure 3, déjà décrite, représente schématiquement un dispositif de
prélèvement passif de tritium de l'art antérieur.
- Les figures 4a, 4b et 4c, représentent des vues en coupe transversale de
trois modes de réalisation d'un dispositif de prélèvement de tritium selon
l'invention.
- Les figures 5a à 5e représentent plusieurs modes de réalisation de
couvercles d'un dispositif de prélèvement selon l'invention.
- La figure 6 représente la masse d'eau adsorbée par un dispositif selon
l'invention pendant la durée du prélèvement.
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- Les figures 7a et 7b représentent respectivement la disposition et les
résultats obtenus pour un mode de réalisation particulier du dispositif de
prélèvement.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION
On a représenté en figures 4a et 4b des modes de réalisation d'un dispositif
100 de prélèvement passif de tritium dans un environnement gazeux E.
Un tel dispositif comprend un réservoir 110, en communication de fluide avec
l'environnement E, de sorte qu'une fois le dispositif placé dans
l'environnement E,
une partie E' de celui-ci se trouve à l'intérieur du réservoir.
Dans le réservoir 110 est placé une quantité de matériau adsorbant 120. Le
matériau adsorbant comprend de préférence du de la zéolithe (tamis
moléculaire)
en billes, mais alternativement peut comprendre du gel de siliceou du charbon
actif.
Ce matériau, quand il est en contact avec l'environnement gazeux E' à
l'intérieur du dispositif 100, permet d'adsorber le tritium contenu dans celui-
ci.
Le dispositif 100 comprend très avantageusement une membrane ou un
couvercle 130 rapporté sur le réservoir 110, dans lequel sont ménagées une ou
plusieurs ouvertures de communication 131, permettant la communication de
fluide
entre l'environnement E et le réservoir 110.
Cette communication de fluide peut également être réalisée par l'utilisation
d'une membrane poreuse (non représentée) placée sur le réservoir, permettant
des
échanges gazeux entre le réservoir et l'environnement E.
La Demanderesse a constaté, de façon surprenante, qu'un phénomène de
saturation du matériau adsorbant pendant le prélèvement peut être évité en
adaptant la géométrie de la ou des ouvertures de communication 131, à la fois
en
surface totale cumulée, en en position ou disposition des ouvertures.
En effet, plus la surface d'échange avec l'atmosphère est importante, et plus
le taux de piégeage est élevé pour une masse de media de piégeage donnée.
Ainsi, pour une durée de prélèvement d'environ 10 jours, la surface totale de
l'ouverture de communication 131 entre le dispositif et l'environnement est de
préférence inférieure à 600 mm2, et très avantageusement inférieure à 200 mm2,
pour pouvoir assurer un prélèvement linéaire sur toute sa durée.
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En référence à la figure 5, on a représenté des modes de réalisation préférés
de dispositions d'une pluralité d'ouvertures de communication 131 sur un
couvercle
130 rapporté sur le réservoir 110.
Le couvercle 130 est de préférence circulaire, et le réservoir 110 présente
avantageusement des parois latérales 111 symétriques autour d'un axe X-X du
réservoir, le couvercle étant centré sur ledit axe. Le réservoir 110 peut être
un solide
de révolution autour dudit axe.
En cas d'une unique ouverture de communication 131 sur le couvercle 130,
cette ouverture est de préférence circulaire est centrée sur l'axe X-X, comme
représenté en figure 5a.
Si plusieurs ouvertures de communication 131 sont prévues, les ouvertures
sont avantageusement circulaires et positionnées au sommet d'un polygone
régulier
centré sur l'axe X-X, comme le pentagone représenté en figure 5b.
Une ouverture supplémentaire peut également se trouver au centre du
couvercle 130 comme en figure Sc.
Des ouvertures supplémentaires peuvent également être situées aux milieux
d'un ou plusieurs côtés du polygone. En figure 5d, le polygone est un carré,
dont
tous les côtés présentent une ouverture en leur milieu.
Des ouvertures supplémentaires peuvent également être prévues sur un ou
plusieurs diagonales du polygone de sorte que les ouvertures de ladite
diagonale
soient régulièrement réparties, comme c'est le cas en figure 5e.
Les ouvertures peuvent également être réparties de manière aléatoire ou en
spirale sur le couvercle.
Avantageusement, toutes les ouvertures agencées dans un couvercle 130
sont circulaires et de même diamètre. Le nombre des ouvertures et leur
diamètre
sont adaptés pour obtenir une surface cumulée inférieure à 400 mm2, par
exemple,
dans le cas d'un prélèvement d'une durée comprise entre 2 de 10 jours.
Dans le cas d'un prélèvement de 20 jours, la surface cumulée des
ouvertures est avantageusement inférieure à 200 mm2, de préférence inférieure
à
190 mm2.
Dans le cas où le dispositif de prélèvement doit être utilisé pour une durée
plus courte, par exemple inférieure à 2 jours, la surface cumulée des
ouvertures
pourra être supérieure à 400 mm2, avantageusement supérieure à 1000 mm2.
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En outre, et de retour aux figures 4a et 4b, la Demanderesse a également
constaté, de manière surprenante, que le fait que le matériau adsorbant soit
conformé dans le réservoir de manière à présenter une surface d'échange de
révolution avec l'environnement gazeux E' présent dans le réservoir, contribue
à
éviter un état de saturation de l'adsorbant.
De préférence, le matériau présente une surface d'échange de révolution
autour de l'axe X-X du réservoir, cette surface d'échange pouvant être
cylindrique,
comme en figure 4a, ou conique, comme en figure 4b. La surface d'échange peut
également présenter une forme de tronçon de cône, comme en figure 4c.
Pour obtenir le maintien en forme du matériau adsorbant, on utilise de
préférence une paroi perméable 140, plaquée contre le matériau adsorbant de
sorte
que celui-ci se trouve maintenu entre les parois du réservoir et la paroi. La
forme de
la surface d'échange du matériau adsorbant avec l'environnement E' est ainsi
définie par la paroi perméable 140.
Dans le cas où le matériau adsorbant choisi est granulaire, comme par
exemple le tamis moléculaire en billes, la paroi 140 est avantageusement une
grille
dont la taille caractéristique des trous est inférieure à la taille
caractéristique des
grains du matériau adsorbant.
La géométrie en tronçon de cône conforme à la figure 4c est préférée car
elle permet d'assurer la linéarité du prélèvement, y compris dans des
conditions
d'humidité importante, jusqu'à 90%.
A titre d'exemple, l'expérience a été menée avec la géométrie en tronc de
cône de la figure 7a, dans laquelle le diamètre de la section de cône à la
base est
de 4 cm, à son extrémité supérieure, au niveau de l'ouverture 131, est de 7.5
cm, et
la hauteur du cône est de 10 cm.
Il a été mesuré, en référence à la figure 7b, que le prélèvement est linéaire
sur une durée de 20 jours, que ce soit pour un matériau adsorbant de type gel
de
silice (D-1) ou de type tamis moléculaire (D-2).
Les deux dispositifs présentent respectivement un taux de prélèvement de
2.0 0.1 g H20.jour-1 et de 0.3 0.1 g H20.jour-1. Ceci permet également
d'assurer
un prélèvement suffisant d'eau tritiée y compris pour une durée courte, par
exemple
de 24h, notamment en cas de crise.
Selon un mode de réalisation préféré du dispositif de prélèvement de tritium,
on utilise du matériau adsorbant de type tamis moléculaire (par exemple
zéolithe)
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disposé selon une géométrie tronconique comme celle de la figure 4c. La
surface
cumulée des ouvertures 131 du couvercle est égale à 250 mm2.
Les résultats obtenus grâce à ce mode de réalisation sont illustrés en figure
6. On constate qu'ils permettent d'obtenir des mesures linéaires pendant une
période de prélèvement de 20 jours (la linéarité étant déduite de la masse du
matériau adsorbant tout au long du prélèvement), à une température de 22 C et
avec un taux d'humidité relative de 50% ;
Pour réaliser le prélèvement, on détermine tout d'abord une durée de
prélèvement souhaitée, par exemple, 2, 10 ou 15 jours. Pour cette durée de
prélèvement, on sélectionne la géométrie des ouvertures de communication 131
(en
disposition et en surface cumulée) comme indiqué ci-avant, et on choisit une
forme
pour le matériau adsorbant (cône, tronçon de cône ou cylindre).
Puis, on place le dispositif dans l'environnement pour toute la durée du
prélèvement. A l'issue du prélèvement, le matériau adsorbant n'est pas parvenu
à
saturation, mais a au contraire adsorbé de façon linéaire le tritium présent
dans
l'environnement. On peut donc déduire de la quantité totale de tritium
adsorbée
pendant le prélèvement une quantité moyenne de tritium présent dans
l'environnement au cours de ce prélèvement.
