Brevet FR2466270A1 — publié le 19810410

1. "Dispositif d'irradiation sélective de mélanges d'isotopes." La présente invention concerne un dispositif pour l'ir- radiation sélective et la détente adiabatique de mélanges gazeux d'isotopes1additionnés éventuellement aussi de gaz actifs ou neutres, à partir d'une source de rayonnement électromagnétique cohérente accordée sur une fréquence appro- priée, de préférence un laser, pour l'enrichissement du mé- lange d'isotopes en un isotope particulier. Un tel disposi- tif d'excitation spécifique d'un isotope permet l'applica- tion de différents procédés d'enrichissement connus en soi. Un intérêt particulier s'attache de-nos jours à l'ènrichis- sement en isotope U 235 jusqu'à une teneur d'environ 3 à 4 %, contre une teneur naturelle de 0,7 % seulement, pour obtenir le matériau de départ de la réalisation de combusti- bles pour centrales nucléaires. Beaucoup de ces procédés connus visent à amener par excitation laser à un état de plus haute excitation, c'est-àdire de plus forte énergie, un isotope d'uranium, ou son composé UF6. et de le rendre ainsi capable d'entrer de façon préférentielle en réaction chimique avec un partenaire approprié et à séparer du mélange gazeux d'origine, par exemple par des moyens chimiques, les produits résultant de cette réaction. Il s'est en même temps avéré particulièrement avantageux de refroidir très fortement, par exemple à 300-500K, le mélange isotopique gazeux par détente adiabatique, car on obtient de la sorte une nette séparation des spectres à la mesure du décalage latéral des bandes d'ab- sorption du mélange, cela particulièrement pour les branches desdites bandes d'absorption du composé UF6. D'o, à son tour, une action sélective possible sur un seul des composés isoto- piques à l'aide d'un rayon laser dont la fréquence est réglée en conséquence. Pour de plus amples détails sur un tel procédé de sépa- ration d'isotopes, ou d'enrichissement, on peut se reporter utilement à la demande de brevet allemand n0 P 24 47 772. Mais, à côté de ces réactions chimiques permises par l'excitation laser, on a également la possibilité de choisir les conditions de détente en sorte qu'il intervienne une con- densation dans le rayon gazeux et d'empêcher par excitation laser spécifique les molécules de U 235 F6 de se condenser de la sorte ou de se' fixer additivement sur les particules en train de secondenserlu déjà condensées. La grande dif- férence de masse qui en résulte entre les particules inchan- gées dans le rayon laser d'origine ou nouvelles engendrées peut ensuite être utilisée pour leur séparation par voie phy- sique comme il en est par exemple question dans les demandes de brevets allemands n s P 26 59 590 et P 28 49 162. Ces deux types de procédés requièrent un.refroidisse- ment adiabatique des produits de départ gazeux, c'est-à-dire, par exemple, du composé UF6. Les tuyères nécessaires à cet effet doivent exercer une très forte détente afin que l'ir- radiation du mélange isotopique pour son excitation spécifi- que puisse encore avoir lieu avant la condensation dudit UF6. On aboutit à ce résultat au moyen de tuyères supersoniques très étroites dans leur section la plus faible et s'élargis- sant ensuite fortement de façon à donner au rayon gazeux, autant que possible sans chocs, la forme souhaitée. Un in- convénient de cette disposition réside dans la formation d'une couche limite sur les parois des tuyèresl'élévation de température engendrée par le frottement et par l'afflux de chaleur à par-tir de la paroi ayant pour effet de réduire la sélectivité du processus recherché et d'agten outre défavo- rablement sur la récupération de la pression dans des dif- fuseurs établis en aval. Pour atténuer ces effets défavorables on a déjà envi- sagé d'aspirer la couche limite selon la demande de brevet allemand n0 P 28 10 444 ou bien d'isoler thermiquement-ou refroidir en plus la paroi de la tuyère comme proposé dans la demande de brevet allemand n' P 28 05 958. Le branchement en parallèle comme dans la demande de brevet allemand n0 P 29 23 811, de nombreuses tuyères à fentes courtes avec couches gazeuses neutres intercalées tand au même résultat. Toutes ces mesures créant une lourde-sujétion techni- que, l'invention a pour objet un dispositif de détente adiabatique et irradiation consécutive dont la structure mécanique soit relativement simple et qui ne présente qu'une faible part de couche limite dans le courant gazeux à irradier. On recherche en même temps un débit gazeux élevé évitant des couches de gaz immobiles. Ce dispositif est caractérisé par le fait qu'il se com- pose de nombreuses tuyères à fente dirigées radialement et disposées en parallélisme axial mutuel sur une surface cylin- drique fictive, qu'il est placé dans un carter, avec une ou- verture d'entrée de gaz centrale et au moins une ouverture de sortie de gaz, concentriquement à une zone d'irradiation issue d'une fenêtre appropriée en formant une enveloppe cylindri- que autour desdites tuyères à fente et étant entourée à son tour, concentriquement, d'un grand nombre de diffuseurs. Il s'agit donc d'un ensemble concentrique de tuyères et de diffu- 1j5 seurs dans la fente annulaire de séparation desquels a lieu l'irradiation du mélange gazeux traversant l'appareil. L'invention et ses diverses caractéristiques seront mieux comprises à l'aide de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés schématiquement par le dessin annexé, sur lequel - la figure -1 est une vue en coupe transversale d'un premier dispositif propre à la séparation d'isotopes à l'aide d'un processus chimique. - la figure 2 est une coupe longitudinale du même dispo- sitif; - la figure 3 est une coupe longitudinale d'un dispositif analogue avec orientation différente des diffuseurs; les figures 4 à 6 illustrent certains détails du dis- positif selon les figures 1 et 2; - les figures 7 et 8 sont des coupes respectivement transversale et longitudinale d'un dfispositif se prêtant à la séparation d'isotopes sur la base des différences de mas- se entre des particules condensées et des particules non con- densées; - les figures 9 et 10 représentent de la même façon un dispositif analogue à celui des figures 7 et 8 avec une orien- tation différente des diffuseurs. Les deux variantes principales ci-dessus sont identi- ques quant à l'établissement de leurs tuyères à fente. La première convient à l'exécution d'une séparation d'isotopes, par exemple UF6, selon le principe d'une réaction chimique sélective avec un des gaz additionnels amenés en même temps que le mélange isotopique. Le dispositif comporte, pour la détente adiabatique de ce mélange gazeux, un grand ncrte de longues tuyeres à fente 2 qui. selon les figures 1 et 2, sont disposées en forme-de cercle. Comme on le voit sur la figure 2, ces tuyères, vues en direction axiale, se com- posent de plusieurs longueurs individuelles 1 plus courtes qui sont assemblées et alignées mutuellement au moyen de bagues de centrage 25 et de goupilles ajustables 262 puis maintenues dans le carter 16 par le socle 18 et la joue de serrage 19. Cet assemblage rigide est assuré par un boulon central 12, et le mélange gazeux entre dans le volume in- térieur du bloc des tuyères par une tubulure également cen- trale 20. La figure 4 représente-en coupe transversale une tuyère-individuelle. Le mélange gazeux traverse radiale- ment les tuyères à fente 2 formées par les profilés de paroi 1 et se refroidit en -même temps de la façon souhai- tée. La forme des tuyères et le rayon délimitant leur pro- fil sont accordés mutuellement de façon à éviter dans une large mesure le choc de compression survenant normalement à la rencontre de jets de gaz voisins. C'est le cas dans des tuyères à jet parallèle raccourcies lorsque l'angle de sortie a du jet gazeux, par rapport à l'axe de la tuy'- re, est égal à la moitié de l'angle au centre P desdites tuyères. Les couches limites -très minces dans des tuyè-_ res étroites raccourcies, sont accélérées et refroidies après la sortie par le courant gazeux non perturbé. Il en résulte en outre une homogénéisation qui a des effets fa- vorables lors de l'excitation sélective par le rayon laser et de la récupération de pression consécutive. L'espace annulaire entourant cet ensemble cylindrique de tuyères constitue la chambre d'irradiation, le carter 16 étant mu- ni à cet effet d'une fenêtre d'entrée 13 pour le faisceau de section annulaire et, intérieurement, de miroirs 14 réfléchissant ce dernier. La face frontale du dispositif est fermée de façon étanche aux gaz par cette fenêtre 13 et par une monture annulaire 17 correspondante. Le faisceau 15, émanant d'une source, par exemple d'un laser, non représenté, q5 traverse ladite chambre d'irradiation, à l'extrémité de laquelle elle est réfléchie par le miroir 14 inséré à cet emplacement. Ce miroir 14 peut aussi être composé de plusieurs éléments de miroir ou présenter des facettes en sorte que l'on obtienne un va-et-vient de réflexion du faisceau laser d'entrée et, par là, une meilleure utilisation de celui-ci pour l'excitation. La chambre d'irradiation est entourée à son tour d'un grand nombre de diffuseurs à fente 5 qui, selon la figure 5, sont composés d'éléments annulaires 3 empilés et sont réglables ou ajustables dans leurs positions respectives voulues par des pièces d'écartement élastiques telles que les lames-res- sorts 4 et par des corps intermédiaires rigides 31, Les an- neaux 3 forment deux à deux des canaux diffuseurs qui, à par- tir de leur entrée, vont en se rétrécissant, avec accroisse- ment de la pression. Au point le plus étroit, la vitesse s'a- baisse à la valeur du son ou au-dessous, puis le canal s'évase à nouveau. Les arêtes d-'entrée des anneaux sont établies à angle vif. Un diffuseur rigide n'étant, on le sait, pas di- mensionnable pour une récupération maximale de pression par suite de son comportement d'amorçage défavorable, la distance entre les anneaux est réglable, comme on l'a dit, dans certai- nes limites, cela au moyen de la plaque de compression 8 reliée par des tirants 7 à la plaque inférieure de traction 9, laquel- le est déplaçable à son tour par l'écrou 6 par rapport au car- ter. Ce déplacement est limité par les corps intermédiaires rigides 31 protégeant en même temps aussi d'une grande déforma- tion les lames-ressorts 4 qui maintiennent tout d'abord rela- tivement un grand écartement des anneaux 3. A l'amorçage du diffuseur, c'est-à-dire au début du processus d'enrichissement, les anneaux individuels 3 sont réglés par les lames-ressorts 4 à une distance mutuelle plus grande. Le rapport entre la surfa- ce F2 de l'étranglement du canal et la section d'entrée F1 est alors assez grand pour que le diffuseur démarreo ce qui cor- respond à une valeur d'environ 0,7 dudit rapport F2/F1. Quand le diffuseur est en marche,-on diminue, par serrage de l'écrou 6, l'écartement des anneaux 3 approximativement à la valeur correspondant à la récupération maximale de pression, ce qui implique un rapport F2/F1 d'environ 0X5. Les rapports F2/FI les mieux appropriés se déterminent de préférence expérimentalement pour chaque dispositif dif- fuseur. Les tirants 7 ne servent pas seulement au réglage de la distance entre les anneaux diffuseurs 3: ils forment aus- siavec les bagues d'extrémité 8 et 9 déjà mentionnées une cage pour le guidage latéral des éléments diffuseurs. Des soufflets 10 permettent d'éviter des joints glissants entre les parties 18 et 7 mobiles l'une par rapport à l'autre. Le mélange isotopique sortant, partiellement transfor- mé, des diffuseurs 5 se rassemble dans l'espace annulaire extérieur qui les entoure dans le boitier 16 et s'écoule par la tubulure 11. Il parvient de là à un dispositif connu non représenté dans lequel on procède à la séparation de-ses di- vers composants chimiques, tels que UF 6 UF5 ou un gaz ad- ditionnel consistant par exemple en hydrogène ou en argon. Ces processus ressortent entre autre clairement de l'exposé ci-dessus de l'état de la technique, si bien qu'il est inu- tile de revenir sur leur déroulement connu. On peut bien entendu changer aussi le mode de construc- tion représenté sur la figure 2. C'est par exemple le cas sur la figure 3, selon laquelle les fentes de diffuseur sont parallèles, et non plus perpendiculaires, à l'axe de symé- trie. Les éléments diffuseurs 32 présentent à peu près la même section que les éléments 3-de la figure 5. Ils sont engagés dans des rainures sur les surfaces coniques 82 et 83 de la plaque de compression 81 et du socle 18, le long des génératrices desdites surfaces, et, par le déplacement de l'écrou 6, sont réglables en distance azimutale mutuelle, ce qui, comme on l'a mentionné, est important pour l'amor- çage du diffuseur. Des lames-ressorts 84 ou d'autres élé- ments agissant de même assurent le maintien en prise per- manente des éléments 32 avec les rainures des surfaces 82 et 83. D'autres organes assurent un déplacement exactement parallèle des éléments diffuseurs 322 mais, pour plus de clarté,on s'est abstenu de les représenter car ils sont étrangers au principe même de la présente invention. Lavariante du dispositif représentée en coupes trans- versale et longitudinale sur les figures 7 et 8 permet une séparation d'isotopes, ou un enrichissement, par condensation sélective et séparation, sur la base des différences de masse, des parts enrichies et des parts appauvries du mé- lange gazeux sortant de la zone d'irradiation. Il ne s'y produit donc pas de transformation chimique des substances traitées. Le principe de ce procédé de-séparation est éga- lement rappelé, à propos de la demande de brevet allemand N' P 28 49 162 dans l'exposé précité de l'état de la tech- nique. Le dispositif diffuseur de déviation du courant ga- zeux décrit dans ladite demande de brevet est appliqué lui aussi dans la présente variante. Il entoure en disposition circulaire les tuyères de détente 2 et la chambre d'irra- diation. Ce dispositif diffuseur circulaire se compose d'é- léments 52 alignée les uns à côté des autres avec interval- les latéraux, maintenus assemblés par des colliers de ser- rage 55 et insérés en position centrée dans le carter 19. Les éléments d'écartement peuvent former des pièces détachées ou être intégrés dans les corps 52. Ils sont calculés en sorte que le courant gazeux renfermant les particules les plus lourdes puisse déboucher sans obstacle des intervalles 54 sé- parant les divers éléments 52, dans la chambre collectrice entourée par le carter 19. Ce carter présente une tubulure 23 par laquelle ces particules du mélange gazeux, qui sont appauvries en l'isotope excité, peuvent être évacuées. Chaque élément diffuseur 52 se compose de deux parois re- liées entre elles sur leur côté extérieur radial, ouvertes en face des tuyères à fente 2 et dérivant les courants ga- zeux qui sortent desdites tuyères; l'espace délimité par ces parois communique par des ouvertures 24 du carter 19 avec des ouvertures de sortie 21 et 22, auxquelles sont reliés, de façon non représentée, des vases collecteurs pour le mélange gazeux enrichi. Etant donné que l'effet physique de séparation des parts légères et lourdes du courant gazeux sortant de la chambre d'irradiation que l'on peut attendre de ce disposi- tif dépend essentiellement de la direction de déviation imposée par les éléments 52, il faut déterminer de façon ex- périmentale sur des modèles individuels l'angle d'incidence desdits éléments 52 par rapport à des courants radiaux pro- venant du centre de l'ensemble des tuyères. Il en va de même pour le tracé des arêtes vives 56 qui font face aux tuyères de sortie 2. On peut aussi-transformer, selon les figures 9 et 10l ce dispositif en sorte que les arêtes de déviation 56 du diffuseur soient perpendiculaires, et non plus parallèles, à l'axe. Un tel diffuseur est alors formé d'une pile de disques 57 et 59 annulaires et sensiblement coniques qui sont maintenus à distance par des pièces intermédiaires 60 et 61. La part enrichie en l'isotope voulu par suite des rapports de masse différents du mélange gazeux afflue aux canaux collecteurs verticaux 58 reliés à l'empilage des diffuseurs et, de là, à la tubulure d'évacuation 22 du car- ter annulaire 19. Comme on le voit sur la partie de gauche de la figure 10, laquelle est une coupe suivant la ligne X-X de la figure 9, les volumes 62 compris entre les disques 59 et 57 sont fermés-par des pièces intermédiaires 60 dans la région des canaux collecteurs 58. Le mélange appauvri qui s'assemble dans ces volumes s'écoule, par les secteurs 63 compris entre les canaux 58, vers la chambre collectrice annulaire 64 et, de là, vers la tubulure de sortie 23. A cet-effet, les volumes intermédiaires fermés dans la zone des canaux 58 sont là ouverts, tandis que les volumes intermé- diaires,65 voisins sont fermés par des pièces intermédiaires 61, comme.on le voit sur la partie de droite de la figure 10. Les pièces intermédiaires 60 et 61 peuvent être façon- nées-sur les disques 57 ou 59 ou également constituer des pièces séparées insérées seulement lors du montage du dispositif. Il est à remarquer de façon générale que la disposition concentrique des tuyères et des diffuseurs dans les deux variantes du dispositif facilite leur centrage ainsi que leur corrélation et crée de tous côtés des conditions d'é- coulement uniformes. Mais il serait naturellement possible aussi de choisir d'autres formes de section, par exemple li- mitées à des segments. Ces dernières sont notamment utili- sables pour des essais de dimensionnement visant à déter- miner les conditions, ou rapports, les plus favorables pour chaque procédé d'enrichissement envisagé. -2466270 R E V E N D T C A T I 0 N S 1.- Dispositif pour l'irradiation sélective et la détente adiabatique de mélanges isotopiques gazeux, addi- tionnés éventuellement aussi de gaz actifs ou neutres, à partir d'une source de rayonnement électromagnétique cohé- rente, de préférence un laser, accordée sur une fréquence appropriée, en vue d'enrichir le mélange en un des isotopes, dispositif caractérisé par le fait qu'il se compose de nom- breuses tuyères à fente (2) dirigées radialement et dispo- sées en parallélisme axial mutuel sur une surface cylindri- que fictive, qu'il est placé dans un carter(16, 19) muni d'une ouverture d'entrée de gaz centrale (20) et d'au moins une ouverture de sortie (11, 21, 22, 23), concentriquement à une zone d'irradiation issue d'unefenêtre appropriée (13) en formant une enveloppe cylindrique autour desdites tuyères à fente et étant entourée, à son tour, concentriquement, d'un grand nombre de diffuseurs (5). 2.- Dispositif selon la-revendication 1 caractérisé par le fait que, vues en direction axiale, les tuyères à fente (2) se composent de plusieurs longueurs élémentaires --- qui sont maintenues et alignées les unes par rapport aux autres par des bagues de centrage (25) et des goupilles ajustables (26). 3.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que les diffuseurs (5) se composent d'un grand nombre d'éléments annulaires empilés- et sont réglables ou ajustables dans leurs positions mutuel- les par des pièces élastiques d'écartement (4) ainsi que des éléments de serrage (8, 7X- 9, 6). 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions.1 ou 2 caractérisé par le fait que les diffuseurs (32) ont leurs ouvertures disposées en parallélisme axial mutuel par rapport aux tuyères à fente (2). 5.- Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que les diffuseurs (52) consistent en des élé- ments individuels alignés avec.intervalles 54) les uns à côté des autres, maintenus assemblés par des colliers de Il serrage (55) et insérés en position centrée dans le carter (19). 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les éléments diffuseurs individuels (52) sont composés de deux parois reliées entre elles sur leur côté extérieur radial, ouvertes en face des tuyères à fen- te (2) et dérivant les courants gazeux sortant desdites tuyères et que l'espace délimité par ces parois est relié par des ouvertures (24) du carter (19) aux ouvertures de 1.0 sortie (21 et 22). 7.- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le carter (16, 19) est muni d'une fenêtre (13) pour l'entrée du faisceau (15) de section annulaire et, intérieurement, de miroirs (14) réfléchissant ce dernier.