Étude phénoménologique et modélisation d'un réacteur catalytique à membrane pour la valorisation d'eau tritiée

Abstract

Le tritium est un radioélément produit par fission ternaire ou activation neutronique au sein des réacteurs de fission et utilisé comme combustible dans les machines de fusion (comme, en autres, le JET en Angleterre ou le futur ITER à Cadarache). Des études sont actuellement en cours sur la gestion de cette ressource que ce soit en vue de son utilisation ou de son élimination d’effluents gazeux, liquides ou de déchets. Cette thèse se propose d’étudier la revalorisation du tritium en tant que combustible pour les machines de fusion par le biais d’un Réacteur Catalytique à Membrane (RCM). Celui-ci associe les phénomènes de conversion catalytique de l’eau tritiée, par échange isotopique avec le diprotium selon la réaction générique Q_2 O+H_2⇌H_2 O+Q_2 (Q=H,D ou T), et de perméation sélective, d’une membrane à base de palladium. Ce matériau présente une perméabilité exclusive aux isotopes de l’hydrogène H, D et T par formation respective d’hydrures, deutérures ou tritiures de palladium. Au sein du RCM, ces flux transmembranaires permettent, par retrait des produits de réactions, d’atteindre des taux de conversion plus élevés que dans un réacteur à lit fixe à parois imperméables (loi de Le Chatelier). Au CEA, un banc d’essais utilisant le deutérium comme simulant du tritium a été construit dans l’objectif d’étudier de manière séparée, à l’échelle du laboratoire, ces propriétés de conversion et de perméation ainsi que leur couplage. Grâce au développement d’une méthode permettant l’analyse simultanée des isotopologues de l’eau et du dihydrogène par spectrométrie de masse, il a été montré, d’une part, que le catalyseur à base de nickel utilisé présente une activité suffisante pour que l’état d’équilibre thermodynamique des réactions d’échange isotopique soit atteint très rapidement et d’autre part, que le flux de perméation des isotopologues du dihydrogène suit une loi de Richardson. Des analyses de sensibilités sur les paramètres opératoires montrent que les performances globales du RCM (i.e. facteur de dédeutération) croissent avec la température, la différence de pression transmembranaire, le débit de balayage et le temps de séjour dans le tube, mais passent par un maximum avec la variation de la teneur en vapeur d’eau lourde dans le gaz à traiter. Sur la base de ces observations, un modèle phénoménologique quantifiant les transferts de quantités de mouvement et de matière a été développé. Il rend compte du comportement global observé expérimentalement même si un effort reste à fournir sur la modélisation de la perméation des espèces hétéronucléaires. Grâce aux principes physiques sur lesquels il est basé et aux règles de similitudes existant entre les propriétés physico-chimiques des différents isotopologues (loi de Graham), ce modèle est aisément extrapolable au traitement d’espèces tritiées. ABSTRACT : Tritium is produced in light and heavy water reactor fuel by ternary fission or neutron activation. This by-product is used as fuel in fusion fuel reactors such as JET in Culham or ITER in Cadarache (France). The growing interest of this research area will make the tritium fluxes increase; it is then worth addressing the question of its future whether it will be used or flushed out from liquid and gaseous effluents or waste. This thesis studies the recovery of tritium as fuel for fusion machines by means of packed bed membrane reactor (PBMR). Such a reactor combines catalytic conversion of tritiated water thanks to isotope exchange with hydrogen according to the reversible reaction Q_2 O+H_2⇌H_2 O+Q_2 (Q=H,D or T) and selective permeation of Q2 through Pd-based membrane. In fact, palladium has the ability to bond with hydrogen isotopes, creating a selective permeation barrier. In the PBMR, thanks to the reaction products withdrawal, these permeation fluxes drive the heavy water conversion rate, to higher values than those reached in conventional fixed bed reactors (Le Chatelier’s law). In order to study PBMRs, the CEA has built a test bench, using deuterium instead of tritium, allowing the analysis of their conversion and separation performances at the laboratory scale. An in-house method has been developed to determine simultaneously hydrogen and water isotopologues content by mass spectrometer analysis. It was experimentally shown that the activity of Ni-based catalyst used in this study was sufficient to allow the isotope exchange reactions to reach their thermodynamic equilibrium in a very short time. In addition, hydrogen permeation flux was shown to follow a Richardson’s law. Sensitivity studies performed on the PBMR’s main operating parameters revealed that its global performance (i.e. dedeuteration factor) increases with the temperature, the transmembrane pressure difference, the sweep gas flow rate and the residence time in the catalyst particle bed but reaches a maximum with the variation of heavy water content in the feed stream. According to these observations, a phenomenological 2D model, describing momentum and mass transfers, was developed. Simulations results are in good agreement with the general behavior observed experimentally. Results show that modeling of the permeation of heteronuclear species should account for crossed-interactions of the hydrogen isotopologues on the mass transfer of one specie. Nevertheless, thanks to the modeling approach used and the similitude rules existing between isotopologues’ physical and chemical properties (Graham’s law), this model can be easily extrapolated to the processing of tritium containing mixture