Brevet FR2491771A1 — publié le 19820416

La présente invention concerne un procédé de séparation isotopique selon lequel on separe, de façon sélective et efficace, un composé isotopique donné d'uranium gazeux,d'un mélange de gaz, certains des corps constituant les composés gazeux du mélange étant formés à partir de l'isotope U 235 de l'uranium et de l'isotope U 238 de l'uranium. On sait que pour fabriquer des combustibles nucléaires dits "enrichis" il est nécessaire de séparer l'uranium 235, de l'uranium 238. Une voie prometteuse pour réaliser cette séparation est l'utilisation d'un faisceau laser de puissance émettant un faisceau de lumière monochromatique, la monochromaticité de la lumière émise permettant d'exciter préférentiellement une transition correspondant à un isotope de l'uranium sans exciter l'autre isotope. Cette excitation entrains, soit une dissociation du composé isotopique réagissant (préférentiellement le composé isotopique d'uranium 235), auquel cas le composé dissocié peut être séparé du mélange isotopique, par voie physique ou chimique, soit une activation du composé isotopique réagissant pour ltamener dans un état physicochimique différent de l'autre composé isotopique, état dans lequel il est susceptible de réagir avec un constituant du mélange.Dans ce dernier cas le constituant réagit avec un seul isotope et l'uranium 235 est eumi gasiné dans la combinaison chimique entre le composé isotopique réagissant et le constituant du mélange. Considérant l'ion uranyleplusieurs excitations sont possibles. En effet, cet ion présente un domaine d'absorption de la lumière IR et un domaine visible. La lumière IR est absorbée en excitant les vibrations et les rotations de la molécule et en 2+ particulier la vibration asymétrique de l'ion U02 , vibration qui présente un déplacement isotopique, à une fréquence voisine de 940 -1 ;; la lumière visible est absorbée par les transitions élec -1 troniques du mêmeion, situées entre 20000 et 30000 cm sur lesquelles un déplacement isotopique est également observable ne serait-ce que par ce qu'il se manifeste sur les transitions électro niques couplées aux transitions vibrationnelles, On peut donc obtenir une excitation sélective de ces molécules en utilisant - un laser à C02 dont les raies d'émission se trouvent dans la zone 2 900 - 1000cm 1 , c'est une source particulièrement intéressante car elle est très puissante et bon marché.Selon la nature de I'excie tation désirée on utilisera un laser pulsé de type TEA capable de délivrer plusieurs joules par impulsion, soit un laser continu de forte puissance (plusieurs KW) soit un laser continu ou pulsé de faible puissance, - un laser à colorant émettant dans le domaine 500 nm - 300 nm continu ou pulsé. Il peut également etre intéressant d'apporter l'énergie nécessaire à une excitation du composé isotopique par la combinaison d'un laser à C02 et d'une source UV. Dans ce cas la sélectivité ne proviendrait que du laser à CD2. Pour que l'interaction entre le faisceau laser et le composé d'uranium soit sélective, il est généralement préférable que les composés d'uranium soient à l'état gazeux car à l'état condensé la largeur des raies bien connues IR et visible des composés est supérieure au déplacement isotopique. Or pour que le rendement du procédé de séparation soit élevé, il faut que la pression de ces composés gazeux soit suffisante pour que les interactions entre un photon du faisceau laser et une molécule du composé d'uranium soient suffisamment probables. Pour obtenir une pression gazeuse suffisante il est nécessaire que les molécules du composé gazeux de l'uranium soient suffisamment volatiles ; les pressions utiles sont alors obtenues en portant le mélange isotopique gazeux à une température suffisante de 100 à quelques centaines de degrés. Mais il est également nécessaire que, à cette température, les composés d'uranium soient stables pour éviter toute décomposition. De plus il est favorable que les composés d'uranium ne présentent pas de spectre d'absorption autre que la bande à irradier, dans le domaine d'émission, soit du laser à C02 si on choisit cette source, soit dans le visible au voisinage des absorptions du composé d'uranium si on irradie avec un laser à colorant. En bref il convient que les composés d'uranium utilisés soient suffisamment volatils, stables aux températures utilisées et aient un spectre d'absorption isotopique sélectif aux longueurs d'ondes considérées. Le procédé de séparation isotopique selon l'invention utilise des composés uraniés répondant aux impératifs précédemment cités. Le procédé de séparation isotopique.d?uranium selon l'invention, consiste à envoyer dans un mélange gazeux contenant des composés d'uranium 235 et d'uranium 238 au moins un faisceau de lumière émis par un ou plusieurs laser(s) ; les composés d'uranie utilisés ont pour formule UD2 L2B où L est un ligand organique U02 L2 n et B une base organique de Lewis. U est de l'uranium en mélange isotopique d'uranium 235 et d'uranium 238. Les choix de L et de B sont dictés par un double impératif de volatilité et de stabilité ; L donne au composé d'uranium une volatilité acceptable conduisant, aux températures d'utilisation, à une pression suffisante et B une stabilité nécessaire pour que le corps ne soit pas décomposé à la température d'utilisation. On a intérêt à opérer avec une pression partielle du composé gazeux comprise entre t/10 Torr et 1 Torr. Des pressions plus faibles nuisent à l'efficacité de l'interaction avec le faisceau laser, mais des pressions plus fortes entrainent des réactions entre les composes isotopiques d'uranium par collision et relaxation qui diminuent la sélectivité.En effet, le composé d'uranium 235 qui est excité par le faisceau laser de façon sélective, a une tendance à réagir par collision, tendance augmentant avec la pression, avec le composé 238 pour transférer son énergie d'activation qui est alors perdue ; il est évidemment nuisible d'exciter des composés d'uranium 238, composés que l'on ne désire pas faire réagir, par exemple avec le corps réagissant du mélange gazeux. L'émission d'un laser à gaz carbonique s'effectue autour -I de 950 cm -1 mais peut varier en fonction de la composition isotow pique du gaz carbonique, de la pression etc... Dans ce domaine de longueur d'onde il est possible de trouver une raie du composé d'uranium, dont les constituants B et L ont été sélectionnés selon les critères de volatilité et de stabilité, en coincidence avec une raie d'émission du laser pour l'un des isotopes et pas pour l'autre : le déplacement isotopique sur la fréquence de vibration 2+ de UO22+ -1 asymétrique de U02 est de 0,8 cm -1 supérieur à la largeur de la raie laser ce qui rend possible la sélectivité. Dans le cas d'une irradiation par un laser à colorant on peut utiliser un laser à coumarine délivrant une puissance suffit sante dans le domaine d'absorption de l'Uranyle. Les composés U02 B2L gazeux présentent quatre maxima d'absorption autour des valeurs 435, 455, 465, 480 nm (ces valeurs diffèrent d'un composé à l'autre de quelques nm). Les déplacements isotopiques sur certaines composantes de ces bandes sont de Q, 014 nm. La sélectivité est obtenue en ajustant l'émission du laser sur la bande choisie. Selon un mode de réalisation de l'invention le mélange gazeux comprend de plus un composé gazeux réagissant avec les composés d'uranium isotopique (de préférence l'uranium 235) dissociés ou activés par l'action du faisceau laser sur le mélange gazeux. Ce composé gazeux réagissant avec les composés d'uranium est, par exemple soit un acide : chlorhydrique, bromhydrique, iodhydrique, soit un réducteur : oxyde de carbone, anhydride sulfureux. Selon le procédé de l'invention, le ligand L est par exemple, le trifluoro acétyl acétate de formule (CF3 CO CH CO OC2 H5) le 111 trifluoro 4 phényl butane 2-4 dione de formule (CF3 CO CH CO - C6 H5 , 111,555 hexafluoro pentane 2-4 dione de formule (CF3 CO CH CO - CF3), le 111, 22, 33 heptafluoro 77 diméthyl octane 4, 6 dione de formule (C F COACH COC (CH3) 3). On peut également utiliser les dicétones, les céto-esters, les thiodicétones et les thiocarbamates fluorées ou non. La base organique B est choisie parmi le groupe comprenant les cétones (CH3 CO CH3, CF3 CO CH3), les amides, par exemple la diéthyl formamide (C2 H5) NCOH et la diméthyl acétamide (CH3)2 N CDCH3, les urées par exemple la tétra méthylurée (CH3)4 N2CO, un oxyde de phosphine par exemple (C8 H17)3 PO, un oxyde d'arsine, par exemple (C6 H5)3 A O, la Pyridine (NC5 H5), les sulfoxydes par s exemple le dipropyl sulfoxyde (C H SO), le sulfolane C4 Hq S02, lihexaméthyl phosphoro triamide de formule O = P E(N (CH3)2)j3. Ce dernier corps est utilisé préférentiellement ; la stabilité du composé en température est d'autant plus grande que la base de Lewis est forte ; dans le cas où le composé B est la Pyridine, la stabilité du composé est correcte jusqu'à 200 à 2400C (cette stabilité dépend légèrement du corps L) ; si B est un sulfoxyde ou l'hexaméthyl phosphoro triamide, la stabilité est bonne jusqu'à 3000C et l'on peut obtenir des pressions de vapeur jusqu'à 10 Torrs pour le composé U02 (CF3 CO CH CO CF3)2 (hexaméthyl phosphoro triamide). Ce corps ne présente pas de bande d'absorption liée au au ligand L ou à la base B superposée à la bande de l'uranyle dans le domaine IR ni dans le domaine visible de l'uranyle et peut étre utilisé pour les deux types d'irradiation. Par contre les composés où L = C3 F7 CO CH CO C (CH3)3 peuvent etre utilisés en irradiation visible et non en IR. D'autres buts et avantages de l'invention apparaitront mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif ; sur la figure unique annexée on a représenté schématiquement un mode de réalisation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. EXEMPLE 1 L'appareil de mise en oeuvre est représenté sur la figure annexée. Le composé U02 (H F A)2 H M P A ou H F A est lthexafluoro acétyl acétone de formule CH3 CO CH COCF3 et H M P A, l'hexaméthyl phosphoro triamide de formule O = P E(N (CH3)2) ] 3 est placé dans un réservoir fermé 2 ; le composé est envoyé dans une cellule d'irradiation 6, à des fins de séparation isotopique par une vanne 4 limitant le débit. La cellule d'irradiation 6 est munie d'une entre 8 par laquelle le faisceau laser 1Q est introduit ; cette cellule 6 est constituée par un métal ou un corps réfractaire ne réagissant pas avec le composé gazeux d'uranium. Un dispositif de pompage 18 de type connu permet d'assurer la circulation du composé gazeux dans la cellule 6 ; un piège 16 recueille le composé solide produit par irradiation laser correspondant à un isotope. Llensemble est placé dans une enceinte thermostatée 14 à 2200C. Le laser 12 est soit un laser du type T E A (laser à excitation transverse) qui émet des impulsions de un Giga Watt, soit un laser continu d'une puissance de 3 KW, impulsions lumineuses qui sont focalisées dans la cellule au moyen d'une lentille 10 en germanium par exemple.En accordant la fréquence du laser sur la fréquence d'absorption dut235 UO dans le composé, égale à 947 cl 1, on décompose sélectivement 235 U02 (HFA) H M P A qui donne un composé solide brun non volatil tandis que 238 U02 (HFA)2 HMPA traverse la cellule sans être modifié ; ainsi on peut récupérer sous forme solide uranium 235 par exemple dans le filtre 16. La pression d'U02 dans la cellule d'irradiation 6 est de 5 Torrs, et la cellule est longue de 20 cm. EXEMPLE 2 Le meme composé U02 (HFA)2 H M P A est introduit dans la meme cellule d'irradiation 6 et on envoie simultanément de lthydro- gène ou tout autre gaz réducteur. On utilise alors dans la cellule un laser à gaz carbonique continu de puissance 40 W ; on sélectionne la fréquence d'émission du laser en coincidence avec la raie d'absorption du composé d'uranium 235. Ce composé est réduit par l'hydrogène et est éliminé de la phase gazeuse. EXEMPLE 3 Dans la meme cellule où la fenetre 8 est maintenant transparente à la lumière visible on introduit le composé (U02) T 3 F7 CO CH CO C (CH3)3 ] 2 H M P A à 1500. On irradie par un laser à coumarine d'énergie de 100 mJ sur des impulsions de 100 ns dont on règle la fréquence d'émission sur une transition du spectre visible de l'uranium 235 distincte de celle de l'uranium 238. La molécule ainsi irradiée subit une dégradation conduisant à un composé non volatil et ainsi éliminé de la phase gazeuse. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation isotopique d'uranium selon lequel on envoie dans un mélange isotopique gazeux contenant des composés d'uranium 235 et d'uranium 238 au moins un faisceau de lumière émis par un ou plusieurs lasers pour réaliser une excitation sélective, caractérisé en ce que les composés d'uranium du mélange gazeux ont pour formule UD B où L est un ligand organique et B une base org#anique de Lewis. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'excitation est obtenue en envoyant dans le mélange isotopique gazeux un faisceau de lumière émis par un laser C02. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'excitation est obtenue en envoyant dans le mélange isotopique gazeux un faisceau de lumière émis par un laser C02 et un faisceau de lumière ultra-violet. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'excitation est obtenue en envoyant dans le mélange isotopique un faisceau de lumière visible dont la longueur d'onde est comprise entre 300 et 500 nm. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le mélange gazeux comprend de plus un composé gazeux réagissant avec les composés d'uranium excités sélectivement par l'action d'un faisceau laser sur le mélange gazeux. 6. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le ligand L est choisi parmi le groupe comprenant : le 111 trifluorc butane 4 phénylS2,4 dione ; le 111555 hexafluoro pentane 2,4 dione ; le 111,22,33 heptafluoro 77 diméthyl octane 4,6 dione ; le trifluoro acétyl acétate, les dicétones, les cétoesthers, les thiodicétones, les thiocarbamates et les thiocarbamates fluorés. 7. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la base organique B est choisie parmi le groupe comprenant les cétones, les amines, les amides, les urées, la pyridine, les oxydes de phosphine, les oxydes d'arsine, les sulfoxydes, le sulfolane, l'hexaméthylphosphorotriamide. 8. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le composé gazeux réagissant avec les composés d'uranium dissociés ou activés est un acide choisi parmi le groupe comprenant les acides chlorhydrique, bromhydrique, iodhydrique ou un réducteur choisi parmi le groupe comprenant lthydrogène, oxyde de carbone et l'anhydride sulfureux.