Brevet FR2306005A1 — publié le 19761029

La présente invention se rapporte à un procédé pour séparer des mélanges de substances, en particulier des mélanges d'isotopes, de préférence gazeux, au moyen de rayons lasers, pour permettre une réaction chimique d'un constituant du mélange avec un réactif. Il est connu que des molécules composées d'au moins deux éléments différents absorbent un rayonnement électromagnétique situé dans le domaine infrarouge. Les spectres d'absorption d'infrarouge reproduisent la finesse dans la structure des molécules et sont dûs aux transitions d'énergie des états de rotation-vibration. Etant donné que l'énergie de vibration d'une molécule dépend dans une large mesure de la masse des atomes participants, les molécules qui contiennent une sorte d'éléments avec des isotopes différents présentent également des raies d'absorption d'infrarouge différentes.Cette structure fine des spectres de rotation-vibration peut être utilisée pour la séparation isotopique ou d'une manière générale en vue de la séparation de substances lorsque la bande d'émission d'un laser est amenée en résonance avec la bande de rotation-vibration de la molécule en question de la sorte d'atomes à séparer et se trouve excitée. La molécule ainsi excitée peut être amenée alors de son niveau d'énergie plus élevé en réaction chimique avec des réactifs appropriés. En d'autres termes, l'absorption d'un quantum de lumière par une telle molécule représente un apport d'énergie qui, en ce qui concerne le déclenchement de réactions chimiques déterminées, possède un effet semblable par exemple à celui d'une augmentation de température. Suivant ce principe, on a par exemple déjà séparé un mélange de méthanol et de méthanol deutéré par bromuration du méthanol normal (voir "Appliec Physics Letters", volume 17, n0 12, pages 516 à 519). Suivant le même principe, il a en outre été proposé de séparer des isotopes d'uranium dans la demande de brevet R.F.A. n0 1 959 767 publiée le 3 Juin 1971.La mise en oeuvre de ce procédé connu en vue de la séparation d'isotopes est cependant liée à trois conditions qui sont : premièrement, il faut disposer de dispositifs lasers susceptibles d'être accordés sur les fréquences de vibration désirées des molécules deuxièmement, l'énergie de ce rayonnement doit être suffisamment élevée afin que la réaction chimique puisse être déclenchée et, troisièmement, le réactif doit être choisi de manière qu'une séparation du nouveau mélange de substances ainsi créé soit possible dans les dispositifs de réaction. Etant donné cependant que l'apport d'énergie susceptible d'être réalisé dans le domaine infrarouge, par exemple à l'aide de lasers, est relativement faible, les possibilités de mise en oeuvre du procédé connu sont très limitées.C'est la raison pour laquelle il se pose le problème de perfectionner ce procédé connu de manière à réduire de telles limitations énergétiques. Ce problème est résolu, selon l'invention, par le fait qu'on excite les molécules de la substance à extraire du mélange, de façon connue en soi par des sources lumineuses à bande étroite et qu'on apporte au réactif l'énergie résiduelle nécessaire pour permettre la réaction chimique. Contrairement au procédé décrit jusqu'à présent, on apporte donc également de l'énergie, de diverses manières, au réactif nécessaire en vue de la réaction chimique, et ce n'est que par ce moyen qu'il est possible de déclencher la réaction chimique désirée. Cet apport d'énergie est choisi de manière que seules les molécules excitées de l'un des isotopes ou de l'une des substances réagissent avec ce réactif, mais non pas les molécules non excitées des autres isotopes ou des autres substances.En vue d'obtenir un rendement de séparation aussi élevé que possible, le réactif doit être présent en excès afin que les chocs moléculaires nécessaires en vue de la réaction chimique aient lieu de façon préférentielle entre le réactif et les-molécules de l'isotope ou de la substance devant réagir avec ledit réactif et moins entre les molécules du mélange initial d'isotopes ou des substances. Dans ce dernier cas, l'énergie apportée serait en majeure partie perdue pour l'effet de séparation et ce dernier se trouverait ainsi altéré. L'apport de l'énergie résiduelle pour le réactif peut avoir lieu de diverses manières, par exemple par chauffage de ce réactif avant qu'il soit introduit dans la chambre de séparation ou par apport d'énergie sous forme d'un rayonnement électromagnétique à l'intérieur du dispositif de séparation, à l'aide de lasers, de sources de lumière infrarouge, de sources de lumière ultraviolette, etc. Il est avantageux de régler la fréquence du rayonnement électromagnétique sur la fréquence de vibration propre du réactif ou de l'extraire à l'aide de filtres d'un mélange de fréquences. Lême si la possibilité de mise en oeuvre de ce procédé de séparation n'est pas limites' à des mélanges particuliers d'isotopes ou de substances, ce procédé acquiert une importance particulière dans le domaine de la technique nucléaire. Une application particulière de ce domaine cnnsiste dans la séparation des isotopes d'uranium U 238 et U 235, telle qu'elle est nécessaire en vue de l'enrichissement à différents degrés des cosbus- tibles nucléaires en uranium fissile 235 pour les différents types de réacteurs. Les procédés de diffusion gazeuse et drultra centrifugation utilisés jusqu'à présent exigent la mise en oeuvre de moyens techniques considérables et impliquent en outre une très forte consomiation d'énergie.Le procédé conforme à l'invention remédie à ces inconvénients. Coite déjà mentionné, la mise en oeuvre de ce procédé exige également un réactif approprié. En vue de la séparation des isotopes d'uranium, on peut, par exemple, mettre en oeuvre les réactions suivantes faisant intervenir les produits de départ, les réactifs chimiques et les produits de réaction sui vanta A titre d'exemple supplémentaire de la technique nucléaire, on peut citer la séparation d'isotopes de bore, suivant la réaction chimique ci-après Toutes ces réactions ne se déroulent normalement qu'à température élevée. Par l'excitation spécifique d'isotopes déterminés d'uranium ou de bore, la réaction chimique n'a lieu qu'entre ces isotopes, tandis que les autres composés d'isotopes ne sont pas touchés. Les dispositifs nécessaires pour la mise eabeuvre de ces réactions chimiques seront décrits ci-après à titre d'exemples en référence aux figures 1 à 3. Auparavant, il convient cependant encore d'insister sur quelques données du procédé. Pour la réaction citée à titre d'exemple UF6 + 2 HCl > UF4 + 2 HF + C12, on peut, par exemple, utiliser pour exciter UF6 un laser du type Raman-Spin-Flip (laser RSF) susceptible d'être accordé et pompé à l'aide d'un laser au CO. Le laser RSF est accordé sur l'une des bandes d'absorption de UF6 situées entre 5,2 et 6,4 #. L'énergie résiduelle nécessaire pour le réactif HC1 est apportée par excitation de cette molécule à 3,47 p à l'aide, par exemple, d'un laser couleur susceptible d'être accordé. De manière semblable, on effectue l'excitation pour la mise en oeuvre des réactions citées du bore. Pour l'excitation du diborane, on utilise de nouveau un laser RSF et on le règle sur la bande d'absorption du diborane à 5,4 ou 6 p. La bande d'absorption de l'ammoniac est située à 3 #, l'énergie résiduelle est apportée par excitation à l'aide d'une fréquence appropriée, par un laser couleur susceptible d'être accordé. Pour la séparation des isotopes d'uranium suivant la réaction UF6 + SF4 --P UF4 + SF6, on peut par exemple opérer l'excitation de la molécule 235 UF6 à l'aide d'un laser de puissance susceptible d'être accordé, par exemple un laser au CO, sur l'une des bandes de rotation-vibration situées entre 5 et 6 p. L'apport de l'énergie résiduelle pour le réactif SF4 est réalisé par chauffage de ce réactif, avant son introduction dans la chambre de séparation, à environ 300 C. La pression totale du réactif doit être située dans la chambre de séparation entre 10-2 et 760 nHg, de préférence entre 1 et 100 mmHg. La température de la chambre de séparation peut être comprise entre -50 et +2000 C, mais correspond de préférence à peu près à la température ambiante. Etant donné que pour pouvoir apprécier en particulier la rentabilité d'un tel procédé de séparation, la connaissance de la consommation d'énergie n'est pas sans importance, il convient de noter que, pertes incluses, l'énergie électrique nécessaire à la séparation de Ikg de U 235 s'élève à environ 300 kWh. Sur les figures 1, 2, 3a et 3b, on a représenté schématiquement trois exemples de réalisation différents de dis posiG1#s de séparation fonctionnant suivant le procédé décrit. Les éléments ayant la même fonction portent les mêmes références sur les différentes figures. La fig. 1 représente un dispositif dans lequel 1 'éner- gie résiduelle nécessaire est apportée au réactif sous la forme de chaleur. Ce dispositif se compose d'une chambre de réaction 1 tubulaire pourvue d'un côté de collecteurs 14 et 15 déplaçables en translation pour les substances séparées. L'étanchéité est assurée de façon connue en soi par une rondelle de polytétrafluoréthylène 16. A son autre extrémité, la chambre de réaction 1 est fermée par un disque 17 perméable au rayonnement formant fenêtre, par exemple en BaF2. A l'extérieur de cette fenêtre se trouve, en direction axiale, un laser haute puissance 4 dont le rayonnement pénètre dans la chambre de réaction 1 à travers la fenêtre 17.Le mélange de substances ou d'isotopes à séparer se trouve dans un réservoir 2 maintenu à température constante par un thermostat 22 et est envoyé par une valve ainsi que par une canalisation appropriée dans la chambre de réaction 1. Un manomètre sert au contrôle de pression en amont de la valve. Le mélange de substances sert dans la chambre de réaction par une tuyère 21, par exemple allongée, en forme de fente, et est ainsi traversé par un rayon laser 5. En face de la tuyère de sortie 21 est disposée une tuyère de sortie 31 de même type par laquelle arrive un réactif provenant d'un réservoir 3. Avant son entrée dans la tuyère 31, ce réactif passe dans une valve ainsi que par un dispositif de chauffage 32 en forme de four tubulaire, équipé d'un régulateur de température 35 et d'un appareil de mesure de température 33. En vue du contrôle de la pression, il est prévu un manomètre 34.Lors de la rencontre des substances gazeuses dans la chambre de réaction 1 se déroule la réaction déjà décrite, la substance à séparer ou l'isotope à séparer réagit chimiquement avec le réactif et forme avec ce dernier un nouveau composé qui se dépose de préférence sous forme solide dans le collecteur 14 ou 15. Les gaz d'échappement constitués par les composants du mélange n'ayant pas réagi, par l'excès du réactif et par des produits de réaction ne contenant pas d'uranium parviennent par une canalisation 12 dans un piège refroidi 19. Une pompe à vide est également reliée à cette canalisation. Le piège refroidi 19 sert à précipiter les gaz d'échappement et est entouré d'un vase Dewar 61. En vue du contrôle de la pression dans la chambre de réaction 1, il est prévu un manomètre 11 et un dispositif régulateur non représenté assurant que la pression désirée est maintenue constante. Le dispositif selon la fig. 2 correspond sensiblement à celui de la fig. 1, à cette différence près que l'apport de l'énergie résiduelle au réactif 3 s'effectue par le rayon 6 d'un laser supplémentaire ou par une autre source lumineuse, à travers la fenêtre 17. Les collecteurs 14 et 15 sont disposés ici, non pas de façon déplaçable latéralement en translation en vue du remplacement, mais mobiles en rotation autour d'un axe 13. Les éléments non représentés correspondent à ceux de la fig. 1. La longueur des tuyères 21, 31 en forme de fente s'élève à plusieurs mètres, ce qui fait qu'une quantité aussi importante que possible du mélange 2 et du réactif 3 est traversée par les rayonnements 5 et 6. En raison du dépôt des produits de réaction de préférence sous forme solide, les dispositifs suivant les fig. 1 et 2 sont du type vertical. Le dispositif suivant les fig. 3a et 3b est par contre horizontal. Les rayonnements 5 et 6 pénètrent sur le côté gauche par la fenêtre 17 sont réfléchis par un miroir 18 situé à l'autre extrémité de la chambre de réaction 1 et traversent donc au moins deux fois le mélange 2 et le réactif 3 arrivant par les tuyères 21 et 31 en forme de fente. Si l'on prévoit une réflexion multiple des rayonnements 5 et 6 à l'aide de miroirs 18, le rendement peut être considérablement amélioré. Par ailleurs, un tel agencement permet de réduire sensiblement la longueur du dispositif dans son ensemble. Les collecteurs 14 et 15 pour les produits de réaction se trouvent en dessous des tuyères 21 et 31 en forme de fente, disposées horizontalement, dont la disposition réciproque est visible par exemple sur la fig. 3b. Il va de soi que de nombreuses autres variantes de construction de tels dispositifs sont concevables. De même, des combinaisons en ce qui concerne l'apport de l'énergie résiduelle pour le réactif peuvent être avantageuses. Finalement, il faut noter encore une fois que ce procédé de séparation convient également au traitement de mélanges de substances normales, donc non seulement de mélanges d'isotopes, et est applicable de préférence dans les cas où la séparation à l'aide de moyens purement chimiques ou physiques se heurte à des difficultés considérables. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour séparer des mélanges de substances, en particulier des mélanges d'isotopes, de préférence gazeux, au moyen de rayons lasers, en vue de permettre une réaction chimique d'un constituant du mélange avec un réactif, caractérisé par par le fait qu'on excite les molécules de la substancelextraire du mélange de façon connue en soi par des sources lumineuses à bande étroite et qu'on apporte au réactif l'énergie résiduelle nécessaire en vue de permettre la réaction chimique. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on apporte l'énergie résiduelle au réactif par un rayonnement électromagnétique et/ou par chauffage. 3 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on règle la fréquence du rayonnement électromagnétique sur une fréquence de vibration propre du réactif ou qu'on l'extrait par des filtres d'un mélange de fréquences. 4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'en vue de la séparation d'un mélange naturel d'isotopes de 235ut et 238UF #, on utilise 6 6 > SF4, SiC14, HC1 ou S02 comme réactif et on apporte l'énergie résiduelle par un rayonnement électromagnétique et/ou par chauffage. 5 - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé par le fait qu'on utilise SF4 comme réactif, on excite l'une des bandes de rotation-vibration de la molécule 235UF6, situées entre 5 et 6 , par un laser de puissance susceptible d'être accordée, par exemple un laser du type RSF pompé à l'aide d'un laser au CO, dans une chambre de mélange, et on chauffe le réactif à environ 3000C avant son entrée dans la chambre de séparation. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'en vue de la séparation des isotopes 103 et B, on utilise le composé de bore (bu3) on l'excite à l'aide d'un laser du type RSF pompé à l'aide dun laser au 0, sur la bande de vibration de 5,4 ou 6,2 #, on utilise de l'ammoniac comme réactif, et on excite cet ammoniac sur sa bande d'absorption de 3 p par un laser couleur susceptible d'être accordé.