Brevet FR2065652A1 — publié le 19710806

La présente invention concerne la préparation du nitrate uraneux par réduction électrolytique du nitrate d'uranyle. Le nitrate uraneux est utilisé en particulier comme agent réducteur du plutonium dans la séparation du plutonium et de l'uranium récupérés des combustibles nucléaires irradiés par extraction liquideliquide. Il est obtenu par réduction à partir du nitrate d'uranyle. La réduction du nitrate d'uranyle s'effectue courammant par voie électrolytique. Des difficultés apparaissent alors quand la réduction électrolytique est appliquée à une production continue de nitrate uraneux à l'échelle industrielle. Dans un procédé classique, permettant une production continue, l'électrolyse est effectuée dans une cellule, où l'on assure une recirculation permanente de la solution en cours de réduction, en compensant un prélèvement continu de solution réduite par un apport continu de solution fraîche de nitrate d'uranyle. Dans un tel procédé il n'est pas possible d'obtenir, en continu, une réduction complète de l'uranium, c'est-à-dire que dans la solution produite, la proportion d'uranium tétravalent par rapport au total de l'uranium présent reste nettement inférieure à 1. Cet inconvénient peut s'expliquer par les irrégularités dans le temps de séjour des molécules de nitrate d'uranyle dans l'électrolyseur. En effet, les temps de séjour des différents ions d'uranium de la solution d'alimentation se répartissent suivant une loi gaussienne. Or si le temps de séjour d'un cation déterminé d'uranium hexavalent est inférieur au temps optimal, il n'a pas le temps d'être réduit en uranium tétravalent et si par contre, le temps de séjour est supérieur à cette valeur optimale, l'uranium tétravalent formé risque d'être réoxydé en uranium hexavalent par des ions nitreux produits par électrolyse de l'acide nitrique. D'après les probabilités de temps de séjour d'un cation d'uranium hexavalent quelconque dans l'électrolyseur classique, il en résulte que pour l'ensemble de la solution, le rendement de réduction ne peut guère dépasser un rendement limite de l'ordre de 50 %, même en admettant que le temps de séjour moyen soit optimal. La présente invention vise essentiellement à s1 affranchir des inconvénients des techniques antérieures, notamment en permettant la réduction du nitrate d'uranyle en nitrate uraneux avec un rendement voisin de 1 tout en autorisant une exploitation en continu du procédé et tout en conservant les électrodes classiques, à savoir : anode en platine et cathode en mercure, dont les avantages électrochimiques (surtensions convenables pour l'oxygène et l'hydrogène, corrosion négligeable) sont connus. Elle vise également à permettre de supprimer les membranes semi-perméables, d'améliorer le rendement électrique et par là même, à diminuer les investissements nécessaires à la mise en oeuvre du procédé, à rendre la technologie moins compliquée, et à faciliter pour l'exploitant l'entretien de l'appareillage utilisé. La présente invention propose un procédé de préparation de nitrate uraneux par réduction électrolytique du nitrate d'uranyle, qui se caractérise en ce qulil consiste à introduire en continu une solution de nitrate d'uranyle à une extrémité d'un électrolyseur de forme allongée, à faire circuler ladite solution en un seul passage dans l'électrolyseur entre deux électrodes sensiblement parallèles comprenant une anode de platine et une cathode de mercure, à imposer au mercure constituant la cathode une circulation continue longitudinale dans l'électrolyseur, de préférence à co-courant de la solution de nitrate, et à prélever à l'autre extrémité de l'électrolyseur le nitrate uraneux obtenu, le temps de séjour de la-solution entre les-électrodes correspondant sensiblement au temps nécessaire pour assurer une réduction complète des ions d'uranium hexavalent en uranium tétravalent. La solution de nitrate d'uranyle est de' préférence additionnée d'une faible proportion d'hydrazyne, comprise entre 20 et 30 g/l. L'hydrazine joue alors le rôle d'un agent anti-oxydant, évitant la réoxydation -de l'uranium tétravalent par des ions nitreux provenant de l'électrolyse de l'acide nitrique, Selon des caractéristiques secondaires de l'invention - le temps de séjour de la solution entre les électrodes est comprise entre 0,5 h et 25 h, selon le compromis désiré entre le rendement chimique et le débit de nitrate uraneux, - la densité de courant cathodique est comprise entre 90 et 2 200 m Mcm2 - la vitesse de circulation du mercure est comprise entre 5 et 20 cm/s, - le rapport de la vitesse de circulation du mercure à celle de la solution de nitrate est très grande et de préférence de l'ordre de 300, - la caicentrati la solution de nitrate d'uranyle traitée est inférieure à 300g/l- et de préférence de l'ordre de 200 g/l, - le mercure est présent dans l'électrolyseur sous forme d'une couche d'épaisseur comprise entre 3 et 6 mm et de préférence de l'ordre de 4 mm, - il est assuré une circulation continue du mercure entre l'électrolyseur et un échangeur de refroidissement extérieur. L'invention a également pour objet un dispositif d'électrolyse, utilisable notamment pour la mise en oeuvre de la réduction électrolytique du nitrate d'uranyle selon le procédé précédent, qui se caractérise essentiellement en ce qu'il comporte un électrolyseur de forme allongée, de préférence parallélépipédique, deux électrodes disposées longitudinalement dans l'électrolyseur et constituées, l'anode par du platine, de préférence sous forme de fils horizontaux, et la cathode par une couche de mercure dans le fond de l'électrolyseur, des moyens pour introduire une solution à réduire, notamment de nitrate d'uranyle, à une première extrémité de l'électrolyseur et pour prélever la solution réduite, notamment de nitrate uraneux, obtenue à l'autre extrémité après circulation entre les électrodes et des moyens pour provoquer une circulation continue du mercure d'une extrémité à lsautre de l'électrolyseur, de préférence à co-courant de la solution traitée. Dans la mise en oeuvre de l'invention, il ngest pas indispensable de prévoir une membrane semi-perméable entre les électrodes, ce qui, par rapport aux techniques antérieures, permet une économie importante sur les investissements et le coft d'exploitation0 On assure des temps de séjour sensiblement identiques pour les différents ions de la solution d0alimentation, de sorte que l'on obtient aisément un rendement chimique très proche de l'unité. Les caractéristiques de l'invention sont illustrées ci-après par la description d'un mode de mise en oeuvre particulier schématisé par la figure unique jointe. Cette figure montre un dispositif selon l'invention, essentiellement constitué par un électrolyseur 1 dans lequel on assure une circulation continue d'une solution à traiter au moyen dgun ensemble 2 Cette solution est constituée de nitrate d'uranyle en provenance d'un bac de stockage 3. Le nitrate uraneux obtenu après réduction électrolytique est reçu dans un bac 4. La solution d'alimentation constituée de nitrate d0uranyle est additionnée d'un agent anti-oxydant destiné à éviter la réoxydation des ions uraneux par l'acide nitreux produit par l'électrolyse de lçaczde nitrique, Cet agent est ici de l'hydrazine ajoutée dans la solution de nitrate d'uranyle en proportion de l'ordre de 20 à 30 g/l, L'électrolyseur est constitué par une cuve parallèlépipédique de grande longueur par rapport à la largeur, et dans cette cuve, la solution à traiter est introduite à une extrémité et recueillie après réduction à l'autre extrémité. Dans l'électrolyseur, elle circule ainsi en une seule passe le long des électrodes. Les deux électrodes sont respectivement constituées par une anode de platine et une cathode de mercure Elles couvrent sensiblement toute la longueur de l'électrolyseur. L'anode est formée par des fils de platine horizontaux, tous reliés au pôle positif d'une source de tension. Le mercure constituant la cathode, relié au pôle négatif, occupe le fond de 1 'électrolyseur. Une circulation continue du mercure est assurée par une pompe immergée 6, extérieure à l'électrolyseur. Le mercure circule en circuit fermé entre le fond de l'électrolyseur et un échangeur 8 où il est refroidi. Dans l'électrolyseur il circule d'une extrémité à l'autre de la cuve, à cocourant de la solution traitée. La longueur de l'électrolyseur est choisie en fonction des autres caractéristiques géométriques et du débit de solution traitée de ma nière à assurer pour celle-ci un temps de séjour moyen dans l'électrolyseur correspondant au temps de séjour optimal pour obtenir la réduction des ions d'uranium hexavalent en uranium tétravalent. La distance entre les électrodes est faible ; elle est ici entre comprise/3 et 6 mm. Le morcellement de l'anode permet de prévoir un réglage individuel de la distance de chaque élément à la cathode pour assurer ainsi une densité de courant homogene à la surface du mercure. La vitesse de circulation du mercure est avantageusement comprise entre 5 et 20 cm/s de manière à assurer au voisinage de la cathode un brassage permettant une diffusion rapide de l'uranium réduit dans la solution. Pour assurer une vitesse superficielle suffisante, on a intérèt à adopter une épaisseur relativement aible pour la couche de mercure constituant la cathode. Cette épaisseur est par exemple de l'ordre de 4 mm. Les frottements à l'interface entre le mercure ct la solution traitée sont alors suffisants pour assurer une bonne diffusion alpes ions uraneux, ce que continu ment les valeurs de rencer ent obtenues. Dans l'électrolyseur, le mercure entre par une chambre à chicanes destinée à briser le jet pour obtenir d'emblée un écoulement exempt de turbulence. A la sortie l'électrolyseur comporte un déversoir de hauteur suffisante pour assurer une rupture brutale du plan d'écoulement, par exemple par une chute de 40 mm. L'arête du déversoir est arrondie pour éviter un soulèvement de la couche de mercure qui provoquerait en surface des perturbations hydrauliques. En prévoyant une légère pente pour le fond de l'électrolyseur exempt d'aspérité, on assure un plan de circulation du mercure doux et régulier. Dans l'exemple décrit, une pente de 0,1 % évite néanmoins de créer un gradient d'épaisseur de cathode qui serait néfaste à un écoulement uniforme du mercure. La circulation à co-courant de la solution à traiter et du mercure permet d'éviter les perturbations que pourrait créer un contre- courant et qui se traduirait par des fluctuations dans le débit de soutirage du nitrate uraneux et, surtout, par des courants de convection provoquant la stagnation de l'uranium tétravalent au voisinage des parois latérales de l'électrolyseur, avec les risques que cette stagnation comporte : un temps de séjour trop long pour une partie de la solution, entraînant pour une fraction de la solution, la réoxydation partielle en uranium hexavalent et l'apparition de-produit d'électrolyse de l'hydrazine formant des mousses difficiles à évacuer. Les meilleurs rendements de réduction ont été obtenus pour un rapport de 300 entre la vitesse de circulation du mercure et celle du nitrate d'uranyle. On a adopté en particulier les vitesses suivantes - pour le mercure : 20 cm/s, - pour la solution de nitrate d'uranyle : 0,7 mm/s La vitesse d'écoulement du mercure est alors suffisamment rapide pour éviter la surtension et la polarisation de la cathode tandis que le niveau de mercure présente une surface plane sans turbulence permettant d'obtenir un f7ux d'électrons homogène malgré la proximité de l'anode. A titre d'exemple, un électrolyseur conforme à la description précédente, a été réalisé avec les caractéristiques suivantes Dimensions de la cuve de l'électrolyseur: Longueur utile 3,60 m Largeur utile 0,10 m Volume de solution 10 1 Anode : Platine, fils de 10 cm de longueur et 1 mm de diamètre Cathode :Mercure Epaisseur de la couche de mercure 4 mm Débit 250 l/h Vitesse dans 1'électrolyseur 17 cm/s Température à l'entrée 30 0C Température à la sortie 45 C Distance anode - cathode 3 à 6 mm 2 Surface de la cathode 3700 cm 2 Surface de lanode 300 cm Différence de potentiel entre les électrodes 4 à 7 volts Intensité de courant 400 A à 700 A Cet électrolyseur a été utilisé pour assurer en continu la production de nitrate uraneux à partir dgune solution de nitrate d'uranyle présentant les caractéristiques suivantes Concentration 100 à 300 g/l Acidité - N03H 1 à 2 N Teneur en N2H4 20 à 30 g/l Température ambiante Hauteur de la solution de nitrate 25 à 30 mm On obtient d'excellents rendements pour la réduction de U VI en U IV. Les meilleurs résultats sont consignés dans le tableau suivant Débit d'alimentation l/h 7 12,5 Concentration nitrate d'uranyle g/l 200 à 220 Teneur en hydrazine g/l 20 à 30 Acidité NO3H N 1,5 à 2 Intensité de courant A 330 700 Densité de courant cathodique mA/cm2 90 190 ( Temps de séjour dans l'électrolyseur h 1,4 0,8 ) ( Durée de l'essai en continu h 500 100 ) ( Débit de nitrate uraneux produit ggh 1300 2600 ) Rendement de réduction (U IV/U VI) 0,94 0,85 Rendement Faraday 0,9 0,@@ Température C 45 45 Consommation d'hydrazine 6 à 7 du débit de nitrate uraneux Pollution mercure dans nitrate uraneux REVENDICATIONS 10/ Procédé de préparation de nitrate u@aneux pa réduction électrolytique du nitrate uranyle, caractérisé en ce qu il consiste a introduire en continu une solution de nitrate uranyle â une extrémité d'un électrolyseur de forme allongée, a faire circuler ladite solution en un seul passage dans l'électrolyseur enrre deux électrodes sensiblement parallèles comprenant une anode de platine et une cathode de mercure a imposer au mercure constituant la cathode une circulation continue longitudinale dans l'électrolyseur, et à prélever a 19autre extrémité de l'électrolyseur le ni trate uraneux obtenu, le temps de séjour de la solution entre les électrodes correspondant sensiblement au temps nécessaire pour assurer une réduction complète des ions d'uranium hexavalent en uranium tétravalent 20/ Procédé selon la revendicaticn 9 caractérisé en ce ue le mercure circule à concourant de la solution de nitrate 3 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la solution de ritrate uranyle est additionnée d9une faible proportion d'hydrazine, comprise entre 20 et 30 g/l 40/ Procédé selon la revendication 1 ou ?9 caractérisé en ce que le temps de séjour de la solution entre @es électrodes est compris entre 0,5 h et 2,5 h. 5 / Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la densité de courant cathodique est comprise entre 90 et 200 mA/cm2. 60/ Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vitesse de circulation du mercure est comprise entre 5 et 20- cm/s 7 / Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport de la vit@sse ce circulation du m@rcure à celle de la solution de nitrate est très grande, et de préférence de l'ordre de 300. 80/ Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la concentration de la solution de nitra @ d'uranyle traitée est inférieure a 300 g/l et de préférer ce de leor-are de 200 g/l= 90/ Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mercure est présent dans l'électrolyseur sous forme d'une couche d'épaisseur comprise entre 3 et @ mm et de préférence de l'ordre de 4mm. 10 / Procédé selon l'une quelconque des revendications précé dentes, caractérisé en ce qu'il est assuré une circulation continue du mercure entre l'électrolyseur et un échangeur de refroidissement extérieur. 770/ Dispositif d'électrolyse, utilisable notamment pour la mise en oeuvre de la réduction électrolytique du nitrate d'uranyle selon l'une quelconque des revendications précédentes1 caractérisé en ce qu'il comporte un électrolyseur de forme allongée, de préférence parallélépipédique, deux électrodes disposées longitudinalement dans l'électrolyseur et constituées, l'anode par da platine, de préférence sous forme de fils horizontaux, et la cathode par une couche de mercure dans le fond de l'électrolyseur, des moyens pour introduire une solution à réduire, notamment de nitrate d'uranyle, à une première extrémité de l'électrolyseur et pour prélever la solution réduite, notamment de nitrate uraneux, obtenue à l'autre extrémité après circulation entre les électrodes et des moyens pour provoquer une circulation continue du mercure d'une extrémité à l'autre de l'électrolyseur.