Brevet FR2253548A1 — publié le 19750704

La présente invention concerne unprocédé de séparation isotopique s'appliquant à des gaz eu à des mélanges gazeux ionisés. Il est connu d'effectuer la séparation isotopique d'un élément à ltaide dun champ magnétique on par diffusion gazeuse mais ces méthodes consomment beaucoup d'énergie. D'autre part l'ionisation d'un gaz s'effectue généralement par décharge électrique ou chauffage (ionisation thermique) méthodes qui ne permettent que des densités ioniques assez faibles. Il est également connu d'effectuer des réactions de séparation isotopique par électrolyse et notamment par électrolyse à contre courant; cette dernière méthode a notamment été appliquée à des sels fondus ou dissous dans des liquides mais elle réclame beaucoup de temps et son intérêt reste limité par suite de la faible valeur de la mobilité des ions dans les liquides, AU contraire, dans le procédé de séparation isotopique objet de la présente inventian les ions se déplacent dans un gaz, leur mobilité est donc bien plus grande et an peut séparer beaucoup plus efficacement les ions légers des ions lourds en utilisant la différence des vitesses qu'ils prennent lorsqu'on les soumet à un champ électrique. L'élément dont an veut séparer les isotopes suivant le procédé objet de la présente invention est donc utilisé à l'état de sel lonisable, ce sel étant dissous dans un gaz convenable par exemple la sapeur d'eau. n est en effet curieux de constater que les gaz polaires, comme la vapeur d1 eau, dissolvent et ionisent facilement de nombreux sels sous réserve que ces gaz soient employés sous une température et une pression élevées, supérieures à leurs valeurs critiques.Ainsi une solution aqueuse à 25 centigrades renfermant 12 moles de bromure de lithium BrLi par litre donne à 500C une vapeur ou le bromure de lithium reste intégralement dissous formant une solution gaseuse homogène dont la conductivité électrique atteint 170 mho par mètre sous une pression de 1.000 kg/cm. la conductivité est assurée par les ions Li+ et Rr dont la dissociation est presque compîèteo La mobilité de l'ion Li+ dans une telle solution gaseuse est plus de 20 fois supérieure à sa valeur habituelle dans lteau liquide et atteint 1,2.10-6 (mètre)/volt.seconde.En appliquant un champ électrique entre une anode et une cathode an attire les ions Li@ et Li ' vers la cathode, l' isotope léger se déplaçant plus vite que l'isotope lo Maintenant si la solution gaseuse circule dans le sens cathode vers anode à une vitesse égale à la vitesse moyenne des deux isotopes à séparer, seul l'isotope léger parviendra à la cathodetandis que l'isotope lourd sera entraîné l'anode. On réalise ainsi en phase gaseuse une séparation rapide des iso- topes du lithium caractérisée par un facteur d'enrichissement élevé. v va maintenant donner à titre purement illustratif et non limitatif des exemples de mise en oeuvre du procédé de séparation isotopique objet de l'invention. On considérera essentiellement le cas de sels dissous dans la vapeur d'eau mais l'invention s'applique tout aussi bien au cas de sels dissous dans tous gaz polaires, et notamment dans ltanhydride sulfureux S02. EXEMPLE I Cet exemple concerne la séparation des isotopes de l'uranium de masse 235 et 238. Â cet effet an utilise 150 kr d'une solution centimolaire (0,01 =) de sulfate uraneur u(so4)2, 4H2# qui est contenue dans une chaudière de 250 litres portée à 4000C sous la pression de 560 kg/cm. Le sel uraneux se dissout ainsi complètement dans la vapeur et la chaudière alimente, par l'inter- médiaire itune soupape 5 et d'une vanne T, la cellule d'électrolysep propres ment dite.Cette cellule est un cylindre en ferro-nickel recouvert d'alumine non poreuse. la section interne de la cellule d'électrolyse est égale à 100 cm, les électrodes sont formées par deux grilles en nickel recouvertes par une couche de platine et distantes de 20 cm, la cathode étant située du cté de la cellule alimenté par la chaudière. Le volume de vapeur chargée d'uranium soumis à électrolyse est donc égal à 2 litres, la pression de la vapeur dans la cellule d'électrolyse est égale à 300 kg/cm2, la température est égale à 400 C et la conductivité de la vapeur atteint 0,5 mho/m. Entre anode et la cathode on établit une différence de potentiel de 2.000 volts qui entretient un courant de 50 ampères.La sortie de la cellule est reliée à un condenseur par l'intermédiaire d'une soupape S' et d'une vanne V'; la température du condenseur est maintenue à 275 C et la pression y est égale à 60 kg/cm. En ajustant l'ouverture des soupapes S et S' en sorte que la vitesse de la vapeur chargée d'uranium à l'intérieur de la cellule soit de 1 cm/sO an a constaté qu'au bout de 30 minutes de fonctionnement la teneur relative moyenne en U235 dans l'espace compris entre l'anode et la cathode qui était initialement égale à 0,71 % s'est élevée à 7 %.Quant à l'ura nium appauvri il est recueilli dans le condenseur. Eh fermant les vannes V et V@ on isole la cellule d'électrolyse ce qui permet de recueillir facilement ;L'uranium enrichi. la dépense d'énergie électrique est de l'ordre de 35 kilowatts-heure par gramme d'uranium enrichi par un facteur 10. EXEMPLE II Cet exemple ne diffère du premier qu'en ce que la conductivité de la solution gazeuse a été accrue par adjonction d'acide sulfurique présent à la concentration de 0,01 mole par litre dans la solution initiale. EXEMPLE III On se propose ici de séparer les isotopes de masse 6 et 7 du lithium; On utilise encore une cellule d'électrolyse reliés à une chaudière et à un conden- seur de façon à assurer un contre courant dans le sens cathode vers anode, On utilise une solution renfermant à la température ambiants (25 C) C 868 de bromure de lithium psr litre.Ce liquide fournit une solution gazeuse homogène qui alimente la cellule d'électrolyse sous une pression de 410 kg/cm et à la température de 4000C si bien que la conductivité de ladite solution gazeuse atteint 150 mho/m. IL cellule a une section de 10 cm, les électrodes sont. distantes de 50 cm et soumises à une différence de potentiel cons tu égale à 1.000 volts, consommant ainsi un courant de 300 ampères. tu bout 6 dtune heure de fonctionnement on a constate que la teneur on Li dans in espace cathode-anode était multiplié par un facteur 5 tandis que le Li s'accumule dans le condenseur. le procédé de séparation isotopique objet de la présente invention a des applications industrielles interessantes car l'uranium enrichi est un combustible employés dans les réacteurs nucléaires qui sont de plus en plus utilisés dans les centrales électriques. ES plus de son intérêt dans les industries nucléaires la séparation des isotopes comporte également de nombreuses ut sations dans l'industrie pharmaceutique et les laboratoires d'analyse. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation isotopique caractérisé par le fait que l'élément dont on veut séparer les isotopes est utilise à l'état de sel ionisé, ce sel étant dans une vapeur ou un gaz dont la pression et la température sont supérieures aux valeurs critiques, et la séparation isotopique s'effectuant grâce à la différence des mobilités des ions au sein du mélange gazeux homogène résultant. 2. Procédé de séparation isotopique suivant la revendication 1 caractérise par le fait que la phase gazeuse qui dissout le sel renferme an moins un gaz à molécules polaires comme par exemple la vapeur d'eau ou l'anhydride sulfureux. 3. Procédé de séparation isotopique suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le mélange gazeux homogène est soumis à électrolyse entre une cathode et une anode, ce mélange gazeux homogène étant d'autre part entraîné de façon à créer un courant oriente de la cathode vers l'anode en sorte que seul l'isotope léger arrive à remonter le courant, 40 Procédé de séparation isotopique suivant les revendications 1 et 2 caracté- risé par le fait que l'élément dont on veut se-parer-les isotopes est utilisé à l'état de sel ionisé mélangé à d'autres électrolytes.