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CEA-N-1291
Note CEA-N-1291
Sous-Commission des Masses Critiques
SURETE - CRITICITE RECOMMANDATIONS CONCERNANT LES STOCKAGES DE MATIERE FISSILE
par
Le Groupe de Travail n° 4 (GT/MC.4) de la Sous-Commission des Masses Critiques
- Juin 1970 -
CEA-N-1291 - SOUS-COMMISSION DES MASSES CRITIQUES -Groupe de Travail n° 4
SURETE-CRIT1CITE - RECOMMANDATIONS CONCERNANT LES STOCKAGES DE MATIERE FISSILE
Sommaire. - Le présent document, rédigé sous l'égirlp HP la Scus-Cemmissicr. des Masses Critiques, donne des conseils généraux pour la conception et l'utilisation des locaux réservés au stockage des matières fissiles. Quelques normes sont proposées et des exemples sont donnés concernant le stockage d'uranium enrichi et de plutonium sous des formes diverses : lingots métalliques - solutions - déchets solides - éléments combustibles.
1970 37 P.
Commissariat à l 'Energie Atomique - France
CEA-N-1291 - SOUS-COMMISSION DES MASSES CRITIQUES -Groupe de Travail n* 4
SAFETY, CRITICALITY. RECOMMENDATIONS CONCERNING THE STORAGE OF FISSILE MATERIALS
Summary. - This document, written by a working group of the Critical Mass Subcommittee, gives general statements relating to design and use of storages for fissile materials. Some standards are proposed and examples are given for storage of enriched uranium or plutonium in the form of ingots.. solutions, solid waste, or fuel elements.
1970 37 p.
Commissariat à l 'Energie Atomique - France
- Note CEA-N-1291 -
Sous-Commission des Masses Critiques
SURETE - CRITICITE
RECOMMANDATIONS CONCERNANT LES STOCKAGES DE MATIERES FISSILE
par
Le Groupe de Travail n° 4 (GT/MC.4) de la Sous-Commission des Masses Critiques
- 3 -
COMPOSITION DU GROUPE DE TRAVAIL N° 4
(GT/MC N° 4)
M. LECORCHE Pierre -K. BOILLOT Jacques M. BOUSQUET Jacques M. COMBETTES Christian M. FRUCHARD Yves M. GUERIN André M. LECLEHC Jean
DPSR/SEC DMCN/SCUTCI DPA/DEP DAM/SPR/B.III
DP/SCI DSPS DPSR/SEC
Animateur Membre
Le groupe de travail remercie Monsieur et Madame PUIT de DPSR/SEC m i ont participé à l'élaboration des normes.
- 5 -
SOMMAIRE
PREMIERE PARTIE - PRINCIPES GENERAUX
1 - DEFINITIONS
2 - REGLES ET RECOMMANDATIONS CONCERNANT LES STOCKAGES 2.1. - Local de stockage 2.2. - Dispositif de détection et d'alarme 2.3. - Opérations de stockage et de transfert 2.4. - Mesures à prendre dans les situations anormales
DEUXIEME PARTIE - NORMES DE STOCKAGE
1 - STOCKAGE EN CAGES CENTREES
2 - STOCKAGE EN CASIERS
3 - STOCKAGE EN TUBES
4 - STOCKAGE DES PUTS DE DECHETS SOLIDES PAUVRES
5 - STOCKAGE DES ELEMENTS COMBUSTIBLES
ANNEXES
- 7 -
SURETE - CRITICITE
RECOMMANDATIONS CONCERNANT LES STOCKAGES DE MATIERE FISSILL
INTRODUCTION
Le présent document a pour but de donner des indications en natière
de sUret,é-cr:iticité sur la conception et l'utilisation de stockages de matière
fissile (uranium enrichi et plutonium, mo'iérés ou non). Seuls sont concernés les
stockages situés dana des locaux réservés à cet usage, les stockages des solu
tions intégrés à des chaînes de fabrication n'étant pas traités ici.
La première partie intitulée "Principes généraux" indique les régies
et rscomraandatione concernant la conception des locaux de stockage ainsi que les
h/pcthtaes habituelles servant de base aux calculs de criticité.
La deuxième partie donne de& normeo de stockages sous forme de tableaux
et de courbes pour dt i'uraniufl enrichi et du plutonium, modérés ou non. Ces nor
mes pourront servie de poirt de depart pour les études de projet ; elles n" ecii
pas? exhaustives et lorsou'ylDes n? sor. J pas applicables, ded éludes particulières
devront ti-a fsiteo.
_ a .
PREMIERE PARTIE
PRINCIPES GENERAUX
i -- DEPIFTTIONS
L~s loo«ux de stockage peuvent être soit des magasins centraux où sont
stockées des quantxtes importantes de matière fissile sous les formes les. plus
diverses, soit des salles à proximité immédiate des ateliers de fabrication :
stockages d'entrée, stockages intermédiaires, stockages de sortie.
1s2 lice-ux de stockage peuvent être divisés soit en cellules (en géné
ral ieolées neutroniquement lea unes des autres), soit tn zones (exemple : parcs
de cagas centrées séparées par des allées).
Un stockage o\, formé d'unités de s-tookage disposées régulièrement :
ce-te disposition s'appelle ur ré&eau ; chaque unité de stockage étant située à
un noeud du roseau. Le pas d'un riseau est la distance entre deux axes d'unités
voisines ; il peut y avoir des pas différents suivent les directions considérées.
Lea .rit&e de st. ckage peuvent être des unités motiles (cages de trans
port..-) e .les peuvent être disposées en structures fixes (alvéoles dans du "béton,
bâcj métallique.. ).
Le volume attribué à une unité dans le réseau sera appelé alvéole à.-j
stockage.
2 - I:ECEES ET RECOMMANDATIONS CONCERNANT LES STOCKAGES
2.1. - Local de stockage
Il doit respecter le? règles suivantes :
- êtro réservé exolusivjment à oet usage,
- être placé sous la responsabilité d'un agent nommément désigné seul
habilité à diriger les mouvements de matière,
- il doit pouvoir être fermé à clef,
- être conçu de façon à exclure au maximum les risques d'incendie et
pour résister au feu(installâtion électrique, écrans neutroniques, structures
des alvéoles...). On ne devra pas y entreposer de matières inflammables non fis
siles,
- être situé loin de toute source potentielle d'incendie ou d'explosion,
- 10 -
- ne pas être accidentellement inondable (emplacement des tuyauteries,
évacuation d'eau à prévoir).
2.2» - Dispositifs de détection et d'alarme
L'opportunité d'équiper le local d'un réseau de détection de criticité
dépend de la sécurité intrinsèque présentée par le stockage et sera décidée par
la Sous-Commission des Masses Critiques.
Lorsqu'un local contient des produits fissiles pyrophoriques (métal ou
alliage divisé par exemple), il doit comporter un dispositif de détection incendie.
2.3, - Opérations de stockage et de transfert
- Les matières fissiles doivent être placées dans un récipient fermé, à
1* exception des solutions de plutonium en raison de 1% formation de gaz de radio-
lyse. Pour les solutions,la fuite du conteneur doit être prévue (collecteur ou
lèchefrite de géométrie convenable).
- On évitera de mélanger des unités de stockage de nature différente ;
au contraire les unités de stockage seront classées par catégories et groupées
dans une même zone ou une même portion de zone.
- Le pas d'un réseau est un paramètre de sécurité important : il ne doit
jamais être modifié.
- Dans un local de stockage on ne doit transférer qu'une seule unité de
stockage à la fois. S'il y a lieu de reconditionner la matière fissile, cette opé
ration devra se faire dans une pièce ou sur une aire balisée réservée à cet usage
et devra faire l'objet de consignes particulières.
2.4. - Mesures à prendre dans les situations anormales
L'eau étant l'agent extincteur le plus commode, son utilisation en cas
d'incendie, exclusivement sous forme de .jet diffusé, doit être admise aussi sou
vent que possible : c'est pourquoi les normes de stockage développées d'ans la
deuxième partie de ce document en tiennent compte. Les structures d'un stockage
doivent être conçues pour qu'un jet d'eau diffusé n'en modifie pas la géométrie.
Si, par suite d'un incendie par exemple, une évacuation des matières
fissiles est décidée, on évitera au cours du transfert de rapprocher plusieurs
unités de stockage et on les dispersera à raison d'une unité par mètre carré en
viron.
D'une façon générale toutes les mesures à prendre, en cas de situation
anormals, doivent faire l'objet de consignes écrites.
Comme le montrera la deuxième partie de ce document, les unités de stockage sont définies :
- 11
- soit par une limitation géométrique seule (ce qui impose un condi
tionnement donné),
- soit par une limite de masse associée à une forme géométrique (con
ditionnement imposé également),
- soit par une limite de masse seulement.
Dans tous les cas, les limitations tiennent compte de la nature physico
chimique de la matière fissile, laquelle doit être parfaitement identifiée.
Lorsque des limites de masse sont imposées, deB affiches rappelant ces
limites, et éventuellement les limites de géométrie associées, doivent être appo
sées à proximité des alvéoles de stockage ; les masses réellement présentes dans
chaque unité doivent être connues.
- 13 -
DEUXIEME PARTIE
NORMES DE STOCKAGE
Quelques types de stockage sont donnés dans ce qui suit, valables pour
de l'uranium-235 ou du plutonium-239. Ce sont des stockages réalisés en cages cen
trées (ou dans des structures équivalentes), en casiers et en tubes cylindriques
(convenant particulièrement aux solutions). Enfin en traite aussi des stockages
de déchets en fûts métalliques et des stockages d'éléments combustibles.
Par la suite, sauf remarques particulières, on entendra par unité de
stockage métallique, une unité constituée d'un seul lingot massif s£.ns concavité
ou encore une ou plusieurs pièces métalliques placées dans une boîte étanche à
l'intérieur de laquelle il n'y a pas de matériau modérateur. De même on entendra
par unité de nature quelconque une unité de plutonium ou d'uranium dans n'importe
quel état de division, de modération et de densité. Dans tous les cas, les normes
données tiennent compte de l'interposition, entre les unités d^ stockage, de ma
tériaux modérateurs.
1 - STOCKAGE EN CAGES CENTREES
Deux types de cages centrées sont en service dans les centres du CE.A. :
- cage PS.01 (anciennement U.Pu BF.12) pour le plutonium et l'uranium à
fort enrichissement ( > 10 % - cf. annexe I.1.),
- cages PS.04 et 05 (anciennement B6.3B et B8.1) pour l'uranium à faible
enrichissement (< 10 i») - cf- annexes 1.2. et 1.3«)« La cage PS.05 légèrement plus
haute que la précédente est renforcée afin de recevoir des charges plus importan
tes.
La masse de matière fissi1e admise dans la cage et sun conditionnement
(définition de l'unité de stockage) sont donnés dans le tableau ci-après. Le pas
du réseau est évidemment imposé par la structure métallique des cages ; celles-ci
peuvent être disposées en réseau plan infini sur une ou deux couches selon les
précisions fournies par la colonne "réseau" du tableau . Il peut être intéressant
quelquefois, d'appliquer les normes de transport pour stocker ces cages. Excepté
dans le cas des cages PS.04 contenant de l'uranium dont l'enrichissement est com
pris entre 5 et 10 #, le nombre admissible de cages par expédition est de 50.
Cela veut dire que dans les conditions les plus défavorables de modération et de
réflexion, un empilement cubique de 100 cages est encore sous-critique. Dans le
cas des cages PS.04 contenant de l'uranium dont l'enrichissement est compris en
tre 5 et 10 le nombre admissible par expédition est de 20 ; par conséquent on
pourrait concevoir un stockage en empilant 40 cages aans précautions particulières.
- 14 -
Type de
cage
Matière
fissile
Enrichis
sement
maximal
(uranium)
Unité de stockage
Réseau Observations Type de
cage
Matière
fissile
Enrichis
sement
maximal
(uranium) Nature
diamètre
maximal cm
masse maximale kgU-235 ou Pu-2 39
Réseau Observations
Cage PS. 01
type fort
enrichis
sement
(cf. annexe I.D
Pu
quelconque 11 3
Plan infini un niveau ou 100 cages gerbees
Cage PS. 01
type fort
enrichis
sement
(cf. annexe I.D
Pu métal
5 5 id 4 lingots de 1,25 kg ou 3 lingots de 1,5 kg au plus avec modérateur possible entre les lingots.
Cage PS. 01
type fort
enrichis
sement
(cf. annexe I.D
Pu métal
10 id
4 lingots de 2,5 kg superposés avev. une distance bord à bord minimale de 9 cm avec modérateur possible entre les lingots.
Cage PS. 01
type fort
enrichis
sement
(cf. annexe I.D
Pu
métal 3,6 id
Cage PS. 01
type fort
enrichis
sement
(cf. annexe I.D
U 100 i
quelconque 11 3,6 id
Cage PS. 01
type fort
enrichis
sement
(cf. annexe I.D
U 100 i
quelconque 12,5 i id
Cage PS. 01
type fort
enrichis
sement
(cf. annexe I.D
U 100 i
quelconque 7 16 id
Cage PS. 01
type fort
enrichis
sement
(cf. annexe I.D
U 100 i métal 11,5 16 id
4 lingots de 1kg ou 2 lingots de 2 kg par conteneur décrit dans l'annexe 1.4-sodérateur possible entre lingots - 4 conteneurs superposés par cage.
Cage PS. 01
type fort
enrichis
sement
(cf. annexe I.D
U 100 i
métal 11,5 20 id
1 lingot de 5 kg par conteneur décrit dans l'annexe 1.4-4 conteneurs superposée par cage.
Cages PS.04
et PS.05
type
faible
enrichisse
ment
(cf. annexes 1.2 et 1.3)
i
U
10 $ quelconque 30,3 0,9
Plan infini un niveau ou 40 cages gerbées
plan infini deux niveaux avec répartition des cages selon description de l'annexe 1.5 (stockage type magasin de CADARACHîJ.
Cages PS.04
et PS.05
type
faible
enrichisse
ment
(cf. annexes 1.2 et 1.3)
i
U 5 *
quelconque 30,3 1 Plan infini un niveau ou 100 cages gerbées
id
Cages PS.04
et PS.05
type
faible
enrichisse
ment
(cf. annexes 1.2 et 1.3)
i
U 5 *
métal 12,5 id id
Cages PS.04
et PS.05
type
faible
enrichisse
ment
(cf. annexes 1.2 et 1.3)
i
U
I1> quelconque 30,3 1,2
I
id 1 --id
Produit a faible densité
Diamètre du "cylindre enveloppe" de l a matière f i s s i l e .
- 15 -
2 - STOCKAGE EN CASIERS
Les dimensions minimales des casiers sont : largeur
profondeur
hauteur
Ils sont disposés selon six rangées planes (de 5 niveaux de casiers
superposés) séparées alternativement par des allées de 4C cm et 110 cm de large.
La disposition générale de ce stockage est précisée dans l'annexe II. Il est à
remarquer que la hauteur sous plafond du magasin doit être au moins de 2,25 m.
On peut poser dans chaque casier (en les centrant) les unités de stocka
ge définies ci-dessous :
Matière
fissile Nature
Dimensions
maximales
du
conteneur (cm)
Masse maximale
de 2 3 5 U ou 2 ^ p u
(kg)
Observations
Pu
métal 3
Pu
quelconque 0 = 11 H = 20
1
Pu quelconque 0,150
Pu
quelconque 0,250
condamner 1 casier sur 2
(disposition en quinconce)
Annexe II.2.
U
métal 4
2 lingots de 2 kg avec
modérateur possible entre
les lingots.
U
métal 5
U quelconque 0 = 12,5 H = 20
2 U
quelconque 0,250
U
quelconque 0,350
condamner 1 casier sur 2
(disposition en quinconce)
Annexe II.2.
35 cm
40 cm
35 cm
- 16 -
3 - STOCKAGE EN TUBES
Ce type de stockage est utilisé pour des solutions ou déchets modérés.
Sa rûreté est assurée soit par la géométrie soit par la géométrie et
la masse.
Les diamètres des tubes sont de :
- 12,5 cm pour l'uranium,
- 11 cm pour le plutonium
Deux types de stockage sont proposés suivant les schémas donnés en an
nexe III.
Les normes de stockage sont résumées dans le tableau ci-dessous :
Matières
fissiles
Dimensions
des tubes cm
pas
cm
I Sûreté Type de réseau
Pu
0 * 11 H = 110 30 géométrie "BAG" Annexe III.1.
Pu 0 = 11 H » 130 30
masse
(2 kg par tube) magasin - Annexe III.2. Pu
0 = 11
H = 110 30 géométrie "couloir" Annexe III.3.
U
0 = 12,5 H » 110 40 géométrie "BAG" Annexe III.1.
U 0 = 12,5 H » 130 30
masse
(2 kg par tube) magasin- Annexe III.2. U
0 * 12,5 H » 110 40 géométrie "couloir" Annexe III.3*
Remarque :
Le tube peut être constitué par la superposition de récipients élémentaires cylindriques, la somme de leurs hauteurs étant au plus égale à celles figurant dans le tableau.
- 17 -
4 - STOCKAGE DES FUTS DE DECHETS SOLIDES PAUVRES
Les normes suivantes doivent permettre de faciliter le stockage de dé
chets solides pauvres (sacs d'aspirette, cotons de nettoyage, chiffons...) que
l'on rencontre en grande quantité dans les installations. On met ces déchets dans
des fûts cylindriques (dont le rapport §^|^; e doit être inférieur à 3) à raison
de :
250 g ou 350 g de Plutonium-239 par fût
350 g ou 600 g d'uranium-235 par fût.
La nature même de ces déchets permet d'assurer que la matière fissile
sera répartie d'une façon relativement homogène dans chaq\ie fût.
Les courbes des annexes IV.1. et IV.2. donnent alors le nombre maximal
de fûts que l'on peut entasser dans un stockage, en fonction du volume du fût u-
tilisé et pour chacune des masses précédentes contenues.
Exemple : On peut stocker sans précaution particulière 70 fûts de 100 litres con
tenant chacun 250 grammes de plutonium.
Il peut être intéressant de prévoir dans chaque fût des limites de mas
ses inférieures aux valeurs précédentes et d'augmenter le nombre de fûts dans le
stockage. On peut alors utiliser les courbes données dans les annexes IV.1. et
IV.2. de la façon précisée dans l'exemple suivant :
Exemple : On cherche à stocker des fûts de 100 litres contenant chacun 100 grammes
de plutonium au plus ; 250 g de Pu sont répartis dans un volume de 250 litres, par
conséquent on pourra entasser 2,5x300 soit 750 fûts sans précaution particulière.
Ces normes peuvent également être utilisées pour des déchets riches
(par exemple bouteilles de solution placées dans les fûts). Dans ce cas la matiè
re fissile n'est plus répartie d'une façon relativement homogène dans tout le vo
lume du fût mais au contraire, y est bien localisée. Dès lors il faut imposer un
centrage de la matière fissile dans chaque fût.
On peut encore stocker les déchets solides pauvres en les répartiesant
sur une surface de référence - (qui peut être horizontale ou verticale) de façon
à avoir une masse par unité de surface inférieure à :
0,16 g/cm2 pour le 2 3 9Pu
0,29 g/cm2 pour l' 2 3 5U.
L'annexe IV.3. donne les masses admissibles par unité de surface pour
de l'uranium à divers enrichissements :
Exemple : 100 g de plutonium dans un fût de diamètre 40 cm représentent une masse
par unité de surface de : 0,079 g/cm2.
On peut donc concevoir un stockage plan infini de ces fûts gerbe» selon
^JwRSoit 2 niveaux.
- 18 -
5 - STOCKAGE DES ELEMENTS COMBUSTIBLES
5.1. - Eléments type MTR
L'élément Pégase 24 plaques (alliages U-Al à 26 # d'uranium - 590 g de 2 ^ U par élément) est certainement le plus réactif des éléments MTR actuels. On
pourra donc se référer aux conditions de stockage définies pour cet élément.
Les éléments Pégase sont stockés dans deux rangées parallèles de neuf
armoires séparées par une allée de 2,35 m de large. Chaque armoire comporte en
hauteur 4 étagères, chacune de ces dernières pouvaiit recevoir 4 éléments Pégase
juxtaposés. La disposition et les dimensions du stockage sont données en annexe
V.1., V.2. et V.3. Elles tiennent compte de la présence éventuelle d'eau.
Remarque : On aurait pu concevoir le stockage de ces éléments sur la base d'une
masse admissible de 0,29 g/cm de J U définie à propos des déchets solides pau
vres.
5.2. - Barreaux d'uranium à faible enrichissement
Les réseaux de courbes des annexes V.4. et V.5. pour les barreaux pleins
en métal ou en oxyde fritte (à divers enrichissements en 5U) donnent les masses
admissibles d'U par unité de surface en fonction du diamètre des barreaux.
Ces courbes permettent de concevoir le stockage sous-critique de bar -re&ux, même en présence d'eau.
Exemple : Oa veut stocks - *;-i piscine des barreaux d'uranium métallique ayant les caractéristique si suivar .v.s :
longueur : 50 cm diamètre : 1,5 cm
masse \ 1680 g d'uranium total à 1,6 # de 5U soit 27 g de 5U.
La masse admissible par unité de surface est de 54 g/cm2.
On pourra donc stocker 540 kg par m 2 soit 321 barreaux par m 2.
Remarque : L'unité de surface envisagée peut être considérée soit horizontale soit verticale.
Manuscrit reçu le 25 février 1970
0 utile -13.8 — I
sf-l serrures • RICOUARO
Chemise interne inox èpr. Q.2 Protection thermique épr. k Corps cylindrique adx. épr. 0,8
Cage tube 0 3,5/ai
60x60 Cotes en cm.
Annexe 1.1 Cage de transport F S 01
Cot*? ?n crn.
4w?«re /.£ Cage ê fût FS04
Couvercle adx. épr. 1,2 fixé par 4 vis H 20
Virole adx. épr 0,5
Cage tube 2,6/3,4
Goussets rerforts / / adx. épr. 03
Cotes en cm.
Annexe U Cage renforcée U 5% FS05
Cotes en cm
Annexe î.4-Conteneur pour lingots *U " A Conteneurs superposés par cage_
ZONE
STOCKAGE
1 8 in 1 500-
8 x 8 x 2 = 128 unités de st<xkQoe
- 2 4 0 -
Cotes en cm
AnmxeLS Stockage type'Magasin de Cadarache
' / • / • ' / / / / / / / / • ' / ' / / / A ' / / / / , ',/y/S////',-,-/. ,///'//. y y
30 -+-35 •r
H w///;/'y/A
35
35 •r 35
35 2 *
40 + 401404-—110
y y Cotes en cm.
Annexe H.î Stockage en casiers
Cotes en cm.
DÎ5P0SIT0N EN QUINCONCE condamner 1 casier sur 2
Annexe H.2 Stockage en casiers
_ _ . . F
11'j i i mu i MUM ni» i » • » ! y f f i r v y i L * *«
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^
2( X) X)
A /K /• M U * t
IfJ M U * t
\
! 00 1
\
ip \f/ v M U * t
\
! 00 1
\ Cotes en cm
4 / } / * * * E.1 Stockage en tubes type* Boîte a gants"
411 - ï ou1Z5 \
-30 «27,5-
Çl^ \Jj ' \ j / ~ " Vj / ~ ïr VÏ/ V l / * ~~\±/"" \ i / " " V K "Vir
275
—r 30
4- +- I
4 *
4 ^
4 ^
4 4 -^•^-^--^-^•^-•^••^-è---®--^-
J Cotes
Annexe E.2 Stockage en tubes type*Magasin"
y/^m^mmz/A
90
n
^m^mmm
25
30ou - 4 0 -
100-
A_._4-._^ 0 11 (Pu) ou 12.5 (U)
»oo
25 Q—-Q—-Q O—O- Cotes en cm.
4/wrew 2ZT.3 Stockage en tubes type*Couloir
Nombre admissible de fûts contenant 250 g de Pu^g _ 7_ 350g de Pu„ a 2-
. t . , j
3 4 5 6 78910* Volume dKfuts( t t rw)
Annexe WJ
Nombre admissible de tuts contenant 350g de 1)735-7-
Nombre admissible ÇOQg .de U i » - ^
Vbiume des fûts (ttres)
Anrxx*EL2
Enrichissement U5 V. r*1 1 1—r
Annexe ¥.3 Courbe de dilution Métal-Eau
Coles en cm
Annexe 7.1 Stockage d'éléments Pégese
Annexe Y.2
Annexe Y, 3
gem
g cm
Annexe F- 4 Masse admi*sbk de U total for trite de surface
gem
gem
Annexe Y-5 Masse admissible de Utotal par unité de surfax
l'.dUé pu le Sa vie,-: Central de Documentation du G.h.A,
Centr- d'Etudes Nucléaires de Surtax
Houe Postule «-1 'J
91 • GIF-sur-YVETTE (Franev)