Brevet FR2038345A1 — publié le 19710108

La présente invention concerne la production de particules sphériques par des procédés de gélification, dont deux sont connus, par exemple le procédé "sol-gel" et le procédé de "précipitation à l'état de gel". 5 Dans le procédé "sol-gel", un sol contenant des ions mé talliques (comme décrit dans le brevet français n° 1 530 747) ou des ions non métalliques (par exemple contenant du silicium), et une quantité d'ions opposés inférieure à la quantité stoechio-métrique et éventuellement des additifs qui peuvent comprendre 10 le carbone ou des composés carbonés pour subir une réaction chimique ultérieure (par exemple pour former des carbures) ou pour introduire une porosité, est injecté sous forme de sphères dans un liquide de gélification. Le liquide de gélification peut être un acide, une base, ou un liquide organique déshydratant, selon 15 les besoins. Le procédé de "précipitation à l'état de gel" utilise une solution d'un sel métallique, ou d'un sol métallique, ou d'un composé qui n'est pas un métal (par exemple le silicate de sodium), et éventuellement d'autres composés ou éléments (par 20 exemple le carbone) avec un composé carboné (appelé "agent de modification" dans le brevet français n° 1 519 066 et dans le brevet français n° 1 578 319, qui est connu pour avoir la propriété de transformer le liquide mélangé en un gel de configuration stable (par exemple des sphères), lorsqu'il est injecté dans une 25 base ou acide liquide de grande force, selon les besoins. La présente invention a pour objet un appareil de production de particules sphériques par un procédé de gélification, comme défini plus haut. Selon la présente invention, un appareil de production 30 de particules sphériques comporte une colonne, un dispositif formant des gouttes près de l'extrémité supérieure de la colonne, un dispositif pour introduire un mélange dans ledit dispositif de formation de gouttes, un dispositif pour admettre un liquide de gélification dans la colonne, un canal pour le passage 35 des sphères à partir du fond de la colonne, une conduite pour 70 12771 2 2038345 contourner le canal, et un dispositif répartissant le débit du liquide de gélification entre, le canal et la canalisation, de manière à régler le débit des sphères à partir de la colonne. Une colonne identique est très avantageusement utilisée 5 pour laver les sphères après leur formation, mais il est bien entendu que cette colonne de lavage ne comporte pas de dispositif de formation de gouttes et le liquide contenu dans cette colonne n'est pas un liquide de gélification. Le dispositif de formation.de gouttes comporte très commo-10 dément un collecteur alimenté en mélange et auquel sont reliés plusieurs ajutages dirigés vers le bas, de dimension convenant pour la grosseur des gouttes que l'on désire former. La présente invention sera décrite ci-après en se référant, en particulier,à la formation de sphères de bioxyde d'uranium 15 à partir d'une charge de fluorure d'uranyle contenant un dérivé d'amidon soluble dans l'eau. Ce mélange 'particulier, ainsi que de nombreux autres mélanges , est visco-élastique et non-newtonien, ce qui signifie qu'il présente des caractéristiques très défavorables pour alimenter le dispositif de formation de gouttes, 20 comme décrit ci-dessus. Par conséquent, le dispositif de formation de gouttes coopère avantageusement.avec un réchauffeur qui chauffe le mélange à une température de' 65°C environ et détruit ainsi ses caractéristiques non-newtoniennes et réduit ses propriétés visco-élastiques. En conséquence, un simple chauffage 25 du sol favorise considérablement la formation des gouttes. Dans la forme de réalisation préférée, le liquide de gélification est l'ammoniaque et on sait qu'elle est susceptible de dégager des vapeurs d'ammoniac à sa surface libre. Ces vapeurs peuvent réagir avec les gouttes de sol, au fur et à mesure qu'elles 30 sont formées , ce qui donne des résultats assez défavorables. Pour empêcher une telle réaction, les aiguilles sont entourées d'une chambre de soufflage d'air ou d'un gaz inerte,présentant des orifices dirigés vers les orifices des ajutages, de manière que les gouttes , au fur et à mesure de leur formation, soient 35 formées dans un rideau de gaz. A titre de variante , on peut recouvrir la surface supérieure du liquide de gélification d'un liquide organique non miscible à ce dernier, mais qui présente 70 12771 2038345 une tension interfaciale telle que les gouttes de sol tombent librement à travers lui. Un tel liquide organique est le décane mélangé avec une certaine .proportion de décanol. Pour enlever les sphères de la colonne, elles peuvent 5 s'écouler le long du canal dans des conditions réglées et passer ensuite dans une pompe d'éjection qui utilise un liquide de refoulement pour les transférer au stade suivant du procédé. On se rend compte que ces sphères sont relativement molles ou caoutchouteuses et qu'elles peuvent être facilement endommagées ; 10 en outre, elles ont tendance à coller aux surfaces et on a trouvé qu'un liquide de refoulement agit très efficacement. Après la gélification et le lavage, les sphères doivent être séchées, et à cet effet , le Demandeur utilise une étuve rotative qui comporte une enveloppe généralement cylindrique 15 pouvant tourner autour de son axe et qui est munie de plusieurs tiges axiales fixées, par des plaques ou chicanes, près de la surface interne du cylindre. Ces tiges et ces chicanes garantissent sensiblement un écoulement en bloc à travers 1'étuve ainsi qu'un mélange convenable. Afin de régler la capacité de 1'étuve 20 et par conséquent la durée de séjour, 1'étuve est inclinée et son extrémité inférieure 'de sortie est munie d'un déversoir ou d'une chicane qui détermine le débit des sphères séchées. Cette étuve peut fonctionner à une température de sortie comprise entre 100° et 150°C, si seul un séchage est nécessaire, ou bien 25 elle peut fonctionner à une température de sortie de l'ordre de 450°C , si une réaction partielle est indispensable. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé, et donnant à titre explicatif, mais nullement 30 limitatif, une forme de réalisation de l'invention. Sur ces dessins : La figure 1 est un schéma de fonctionnement d'une installation ; la figure 2 représente certaines parties du schéma de 35 fonctionnement; la figure 3 représente une partie de la figure 2, plus en détail ; et la figure 4 représente une partie de la figure 1 plus en 70 12771 4 2038345 détail. En se référant maintenant aux dessins, l'appareil comporte un récipient 1 pour effectuer le mélange , ce récipient étant muni d'un dispositif d'agitation 2 et étant relié par une conduite 5 3 à un dispositif 4 de formation de gouttelettes. Ce dispositif comporte un collecteur 5 auquel sont reliées plusieurs aiguilles hypodermiques 6, le dispositif 4 étant alimenté par l'intermédiaire d'une enveloppe chauffée 7. Le dispositif de formation de gouttes est représenté plus 10 en détail sur la figure 4 , sur laquelle le collecteur 5 est constitué par un élément 5a en forme d'entonnoir fermé par une plaque 5b fixée par des vis. 5ç-. Quatre ajutages 6a sont vissés dans la plaque 5b (deux seulement étant représentés sur la figure)»chaque ajutage portant sept aiguilles hypodermiques 6, et 15 une enveloppe 5d entoure les ajutages -6a et est fixée par des vis sans tête (non représentées). L'enveloppe forme ainsi une chambre de soufflage autour des aiguilles. Des conduites d'admission 5e fixées à l'enveloppe 5d sont destinées à être reliées à une source d'air comprimé,de façon qu'en fonctionnement, un ri-20 deau d'air se forme autour des ajutages et empêche les vapeurs d'ammoniac. se dégageant dans la colonne d'atteindre les gouttes de sol, à mesure qu'elles sont formées aux extrémités des aiguilles 6. Le dispositif 4 de formation de gouttes est disposé au-25 dessus d'une colonne 8 qui est alimentée par sa partie inférieure en ammoniaque,depuis un réservoir 9 par une conduite 10, l'ammoniaque étant évacuée par une conduite 11 de la partie supérieure de la colonne 8 et étant remise en circulation dans le réservoir 9. Au-dessous de la colonne 8 se trouve un éjecteur 12 qui est 30 alimenté par une conduite 13,depuis le réservoir 9,et qui soulève les sphères de la colonne 8 le long d'une conduite 14 vers un transporteur ajouré 15. Les sphères tombant sur ce transporteur 15 sont acheminées vers le sommet d'une seconde colonne 16, tandis que l'ammoniaque 35 se détachant des sphères est recueillie dans un plateau 17 et est ramenée par une conduite 18 dans le réservoir 9« La colonne 16 est essentiellement analogue à la colonne 8 et sera décrite 70 12771 5 2038345 en détail, en se référant à la figure 2. Cependant, en principe, la colonne 16 coopère avec un réservoir d'eau froide 19 qui distribue de l'eau froide dans la partie'supérieure de la colonne 16 et avec un réservoir d'eau chaude 20 qui distribue 5 de l'eau chaude dans la partie inférieure de la colonne 16. les sphères quittant la colonne 16 sont acheminées par un électeur 21 vers un transporteur 22, qui est identique au transporteur 15. Les sphères tombant de l'extrémité du transporteur 22 10 . passent dans une trémie 23 , et de là dans l'entrée d'une étuve rotative 24. Comme on le voit, cette étuve rotative est inclinée suivant un angle par rapport à l'horizontale et il est avantageusement prévu des dispositifs (non représentés) pour régler l'angle d'inclinaison. A 1'intérieur de 1'étuve,se trouvent 15 plusieurs tiges longitudinales 25 (commodément au nombre de trois), qui sont proches de la surface interne de 1'étuve ou la touchent et qui sont maintenues en place par plusieurs plaques ou chicanes 26 de forme annulaire. Cette disposition garantit le secouage des sphères descendant le long.de 1'étuve et assure un écoulement 20 sensiblement en bloc. Vers l'extrémité inférieure de 1'étuve, se trouve un déversoir annulaire ou chicane d'extrémité 27 qui détermine la durée de séjour des sphères dans 1'étuve. Les sphères passant pardessus le déversoir 27tombent dans une trémie collectrice 28 d'où. 25 elles sont évacuées en passant par un distributeur 29. L'étuve est chauffée par l'air chaud qui est admis dans.la trémie collectrice 28,en passant par une conduite 30 et un réchauffeur 31. En se référant maintenant à la figure 2, qui représente la colonne 16 plus en détail, on voit qu'elle a une forme géné-30 ralement cylindrique dJune hauteur de 1,2 mètre environ et d'un diamètre interne de 3,8 cm. En principe, cette colonne est constituée par deux colonnes qui sont superposées pour plus de simplicité. La partie supérieure de la colonne est utilisée pour un lavage à l'eau froide, l'eau froide provenant -du 35 réservoir 19, tandis que la partie inférieure est utilisée pour un lavage à l'eau chaude qui provient du réservoir 20. L'eau froide provenant du réservoir 19 passe par une pompe 32 dans 70 12771 6 2038345 un dispositif indicateur de débit 33, et de là par une conduite 34 sensiblement au milieu de la colonne 16. l'eau froide monte le long de la colonne à un débit d'environ 600 ml par minute et est évacuée de la partie supérieure de la colonne par une conduite 5 35 qui la ramène dans le réservoir d'eau froide. Les conditions régnant dans la colonne sont telles qu'il reste un espace libre d'une hauteur d'environ 15 cm au-dessous du point de branchement de la conduite 35 jusqu'au niveau supérieur des sphères contenues dans la colonne, de sorte que la chute des sphères tom-10 bant du transporteur 15 est ralentie par. ces 15 cm d'eau avant que les sphères viennent reposer sur la partie supérieure du lit de sphères contenu dans la colonne. Il est prévu une conduite 36 d'alimentation en eau froide, et un régulateur de débit 37 admet une quantité déterminée 15 d'eau froide dans le réservoir 19 d'ans une conduite 38, une conduite de déversement 39 versant une quantité équivalente d'eau froide à l'égout. La partie inférieure de la colonne 16 comporte un canal 40 pour l'évacuation des sphères , ce canal étant constitué par une 20 conduite qui est très approximativement axiale, par rapport à la colonne 16. Près de la base de la colonne 16 se trouve une conduite 41 pour admettrè l'eau chaude,et le canal 40 ainsi que la conduite 41 sont reliés par un distributeur doseur , représenté schématiquement en 42, ce distributeur étant alimenté 25 en eau chaude par une conduite 43. On voit que pour un débit constant de l'eau chaude dans la conduite 43, le réglage du distributeur 42 détermine la quantité de cette eau chaude passant respectivement dans le canal 40 et dans la conduite 41. Les sphères n'ont sensiblement pas tendance à sortir par la conduite 30 41, mais elles pourraient passer librement le long du canal 40 s'il n'y avait pas de courant d'admission d'eau. Le distributeur 43 est réglé, avantageusement, de manière automatique, de façon que les sphères sortent par le canal 40 au même débit qu'elles sont admises par le transporteur 15. 35 Le réservoir 20 est muni d'un réchauffeur 44 et une pompe 45 fait passer l'eau chaude du réservoir 20 à travers un dispositif régulateur de débit 46 dans la conduite 43, le débit étant 70 12771 7 2038345 réglé à 600 ml par minute, l'eau chaude est évacuée de la colonne 16 par une conduite 47 et un dispositif régulateur de débit 48, et est ramenée dans le réservoir 20. le 'dispositif 48 est également réglé à un débit de 600 ml par minute et en pratique 5 il ne se produit sensiblement pas de mélange entre l'eau chaude et l'eau froide admises dans la colonne 16. Un-autre régulateur de débit 49 relié à la conduite 36 détermine la quantité d'eau froide admise dans le réservoir 20 par une conduite 50, l'eau en excès se déversant par une conduite 51". 10 les sphères descendant le long du canal 40 sont acheminées vers une pompe d'éjection 21, qui est représentée plus en détail sur la figure 3, cette pompe étant alimentée en eau chaude du réservoir 20 par une pompe 52 et une conduite 53, et refoulant les sphères le long d'une conduite 54 vers le second transporteur 15 22.-Ce transporteur 22 présente au-dessous de lui un plateau d'égouttement 55, et une conduite 56 recueille l'eau chaude tombant des sphères et la ramène dans le réservoir 20. En se référant maintenant- à la figure 3, on voit que l'é-jecteur comporte un corps générale ment.elliptique 57 qui comporte 20 une entrée inclinée reliée au canal 40. la disposition est telle qu'il ne se produit sensiblement pas d'écoulement de liquide dans le canal 40 , au-delà du point de distribution du distributeur 42, et par conséquent les sphères tombent librement dans le corps 57. la conduite 53 présente un ajutage 58 à son extrémité infé-25 rieure , cet ajutage étant dirigé vers une entrée évasée 59 reliée à la conduite 54. les sphères contenues dans le corps 57 sont entraînées par le courant de liquide entrant dans l'entrée 59 et montent le long de la conduite 54. On se rend compte que les dispositifs destinés à régler 30 l'évacuation des sphères et les agencements de refoulement au moyen d'un liquide, décrits en se référant aux figures 2 et 3, sont utilisés à la base de la colonne 8,mais que dans ce cas, le liquide de refoulement est de l'ammoniaque à la place de l'eau chaude. 35 En utilisant l'appareil décrit ci-dessus, pour produire des sphères de bioxyde d'uranium, le Demandeur utilise comme mélange une solution aqueuse de fluorure d'uranyle comprenant 70 12771 8 2038345 625 g de fluorure d'uranyle par litre et 94 g par litre d'un dérivé d'amidon soluble dans l'eau et 100 g par litre d'éthylène-glycol. la colonne 8 est construite de façon que les sphères restent pendant environ 30 minutes dans cette colonne et,pen-5 dant cette durée,elles sont soumises à un courant ascendant d'hydroxyde d'ammonium à raison de 600 ml par minute, ce qui correspond approximativement aux trois-quarts de la vitesse nécessaire pour obtenir une- fluidisation. En conséquence, les sphères sont supportées en"grande partie par le courant* ascendant d'ammo-10 niaque, de façon que la masse des sphères contenues dans la colonne ne subisse pas de déformation et n'adhère pas . Sensiblement, les mêmes conditions s'appliquent à la colonne 16. A la place de la colonne 16, on peut utiliser un transporteur jy o.uré^ou plusieurs transporteurs avec des pulvérisations 15 pou^Qbtenir le lavage nécessaire. Pour traiter un combustible nucléaire, lorsque les conditions de criticité tendent à être prédominantes, il peut être préférable, d'utiliser un transporteur pour des opérations à grande échelle au lieu de plusieurs colonnes, étant donné qu'il est plus facile de construire un 20 transporteur à des dimensions présentant toujours une grande sécurité, l'utilisation d'une seule colonne de grand diamètre pour obtenir de plus grands débits n'est naturellement pas avantageuse avec une matière fissile très enrichie. 70 12771 9 2038345 REVEHDICATIOMS 1. Appareil de production de particules sphériques, caractérisé en ce qu'il comporte une colonne, un dispositif de formation de gouttes près de- l'extrémité supérieure de la colonne, un 5 dispositif pour admettre un mélange dans ce dispositif de formation de gouttes, un dispositif pour admettre un liquide de gélification dans la colonne, un canal pour le passage des sphères d'un endroit situé près de la hase de la colonne, une conduite contournant le canal et un dispositif dosant le" liquide de géli- 10 fication entre le canal et la conduite pour régler ainsi le débit des sphères sortant de la colonne. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de formation de gouttes est entouré par une chambre de soufflage qui forme un rideau de gaz autour du dispo- 15 sitif de formation de gouttes. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en cè que le débit des sphères est soulevé par un liquide de refoulement d'une pompe d'éjection pour passer dans la partie supérieure d'une colonne de lavage , le liquide de gélification servant de 20 liquide de refoulement.