Brevet FR2517218A1 — publié le 19830603

Procédé de dissolution de matières solides, notamment de combustibles solides de réacteur nucléaire, et appareil de dissolution destiné à la mise en oeuvre de ce procédé. La présente invention concerne un procédé de dissolution de matières solides, notamment de combustibles solides de réacteu: nucléaire, dans un solvant liquide se trouvant dans un appareil de dissolution; l'invention concerne également un appareil destine à la mise en oeuvre de ce procédé. Il est courant de dissoudre des combustibles de réacteur nucléaire comme du bioxyde d'Uranium U 02, du bioxyde de Plutonium Pu O 2, du bioxyde de Thorium Th O 2 et des oxydes mixtes comme par exemple (U/Pu)O 2, quisont relativement difficiles à dissoudre, dans l'acide nitrique se trouvant dans des appareils de dissolu- tion, consistant en des cuves plates dont la surface de base est relativement petite, étroite et allongée et dont les deux faces ont une surface particulièrement importante pour présenter ainsi un espace intérieur en forme de fente servant de vase à réaction. Cette géométrie confère à l'appareil de dissolution une sécurité contre les réactions en chaine. Ces cuves plates fonctionnent de façon discontinue, c'est-à-dire que la cuve est d'abord remplie d'acide nitrique et chauffée, et qu'elle reçoit ensuite le combustible nucléaire par charges L'acide nitrique et le combustible nucléaire peuvent êtr E mélangés au moyen d'un courant d'air qui circule dans la cuve plate. La charge et la vidange de ces cuves plates, ainsi que le chauffage et le refroidissement d'un mélange ou du produit qui s'y trouve entraînent des temps morts importants et par conséquent un débit relativement réduit de ces cuves. Four obtenir une stabilité mécanique suffisante, ces cuves plates ne peuvent être fabriquées qu'en acier Le contrôle visuel du déroulement des réactions dans ces cuves n'est donc pas possible, et un débordement de mousse du mélange en réaction dans les cuves plates ne peut être évité avec certitude que lorsqu 25172 18 la charge de combustible de réaction nucléaire à dissoudre est ajoutée par portions à l'acide nitrique dans la cuve Afin d'éviter avec certitude que la mousse du mélange de réaction ne déborde, la concentration de l'acide ou la température de réaction, ainsi que le niveau de remplissage des cuves sont souvent choisis au-dessous de ce qui peut être réellement toléré, ce qui réduit encore davantage le débit par ces cuves. L'invention a pour objet d'accroître le débit pendant la dissolution, notamment de matières solides relativement diffi- ciles à dissoudre, sans pour autant sacrifier la sécurité et de rendre ainsi plus économique les opérations de production dans lesquelles la dissolution de ces matières solides représente une phase de production. Ce problème est résolu grâce au procédé selon l'invention, déjà mentionné en préambule, par le fait que l'appareil de disso- lution consiste en un appareil de rectification avec une colonne à plateaux perforés et un fond de colonne disposé à l'extrémité inférieure de la colonne à plateaux: que les matières solides et le solvant liquidesont introduits dans la colonne à plateaux pour circuler en un flux continu dans la colonne jusqu'au fond de colonne tandis que du gaz circule depuis le fond de colonne par les plateaux perforés, à contre- courant des matières solides et du solvant liquide, et que le solvant liquide est prélevé au fond de colonne dans l'appareil de rectification avec les matières solides dissoutes. Dans un tel appareil de rectification, les matières solides peuvent être dissoutes dans le solvant pendant leur passage dans l'appareil, permettant aussi bien une introduction continue de matières solides a dissoudre et du solvant qu'un prélèvement de solvant avec les matières solides dissoutes. L'appareil de rectificationpeut aussi être très étroit et réalisé en verre, de sorte que sa sécurité contre les réactions en chaîne peut être obtenue sans autres dépenses et qu'en même temps, un contrôle visuel du déroulement des réactions dans l'appareil est possible. Un appareil comprenant une colonne à plateaux perforés et un fond de colonne est bien connu comme appareil de rectifi- cation pour la distillation fractionnée de mélanges de plusieurs constituants, comme par exemple du pétrole brut et appareil connu n'est cependant pas prévu pour des opérations de disso- lution chimique, comme la dissolution des combustibles de réac- teur nucléaire dans l'acide nitrique, mais il est destiné à des opérations de séparation purement physiques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, d'un exemple de réalisation et en se référant au dessin annexé sur lequel: la figure représente un appareil selon un mode de réali- sation de l'invention. La figure représente donc un appareil de rectification 2 pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, avec un tube de verre disposé verticalement, comportant une colonne à plateaux 3 A l'extrémité inférieure de la colonne à plateaux 3, le tube de verre comporte un fond de colonne 4,tandis qu'à son extrémité supérieure se trouve un condenseur qui consiste en un serpentin de refroidissement 5 Dans la colonne à plateaux 3 du tube de verre se trouve une série de plateaux 6, disposés les uns au-dessus des autres et prévus avec des trous, dont chacun comporte un déversoir 7 consistant en un tube qui traverse le plateau et qui aboutit au plateau 6 disposé au-dessous du plateau 6 considéré ou au fond de colonne 4. Au-dessus du plateau perforé 6 supérieur, un tube de charge 8 pour l'acide nitrique servant de solvant débouche dans la colonne à plateau 3 du tube de verre de l'appareil de rectifi- cation 2 Entre le plateau 6 supérieur et celui qui se trouve immédiatement au-dessous, une autre conduite de charge 9 pour le combustible en poudre de réacteur nucléaire dans la colonne à plateaux 3 de l'appareil de rectification 2. Dans le tube de verre de l'appareil de rectification 2, entre le plateau perforé 6 supérieur et le serpentin de refroi- dissement 5, se trouve un diaphragme 10 collecteur de condensat, comportant un orifice de passage central 11. A ce diaphragme collecteur 10 est relié un tube 12 de sortie de condensat qui, à son tour, est relié à un tube de dérivation 14 débouchant dans le fond de colonne 4 du tube 2 et comprenant une soupape d'arrêt 13, ainsi qu'à un tube de prélè- vement 16 comportant également une soupape d'arrêt 15. Entre le plateau perforé 6 inférieur de la colonne à plateaux 3 et le fond de colonne 4, une conduite d'arrivée de gaz 17 avec une soupape d'arrêt et une conduite d'arrivée 18 prévue avec des robinets d'arrêt, et destinée à des combustibles nucléaires solides débouchent dans le tube de verre de l'appareil de rectification 2 Ce tube de verre comporte en outre un dispo- sitif 19 de réglage de niveau de remplissage du fond de colonne 4, disposé entre le plateau perforé 6 inférieur et le fond de colonne 4. Le fond de colonne 4 de l'appareil de rectification 2 comporte en outre une branche en dérivation 20 dans laquelle est disposé un dispositif 21 de chauffage électrique De plus,dans le fond de colonne 4, entre les deux raccords 20 a et 20 b de la branche en dérivation 20, disposés verticalement l'un au-dessus de l'autre, se trouve, dans le tube de verre, un panier de dissolution 22 qui peut consister par exemple en un tamis Enfin, un tube de prélèvement 23 part du fond de colonne 4 au-dessous de deux raccords 20 a et 20 b de la branche en dérivation 20, et cetube est associé avec un filtre 24 disposé dans le tube de verre de l'appareil de rectification 2 Au-dessous du point départ du tube de prélèvement 23, aboutis- sent également dans le tube de verre de l'appareil de rectifi- cation 2, un tube 25 d'arrivée et un tube 26 de prélèvement de suspension Une conduite 27 d'évacuation de gaz est branchée au-dessous du serpentinde refroidissement 5 à l'extrémité supé- rieure du tube de verre de l'appareil de rectification. De l'acide nitrique liquiqde NQ 3 et du bioxyde d'uranium et de plutonium en poudre U 02 et P 102 sont introduits dans la colonne à plateaux 3 de l'appareil de rectification 2, respecti- vem ent par la conduite de charge 8 et par la conduite de charge 9 Le combustible nucléaire pulvérulent UO 2 et Pu Q 2 peut être entraîné pneumatiquement dans le tube de charge 9 et de préfé- rence, sa grosseur de grains est inférieure ou égale à 300 Pm. Le fond de colonne 4, y compris la branche en dérivation 20, est rempli d'acide nitrique HNQ 3 jusqu'au niveau du raccord supé- rieur 20 a de la branche en dérivation 20 Cet acide nitrique HNO 3 est chauffé électriquement par le dispositif de chau 9 fage 2 l 3 Cela permet non seulement de produire un courant de circulation de l'acide nitrique dans le fond de colonne 4, mais aussi d'obtenir la température de dissolution voulue, à savoir la température d'ebulliion de l'acide nitrique HNO 3 De plus, il se produit dans le fond de colonne 4 de la vapeur qui passe par les perforations du plateau 6 de la colonne 3 et de cette manière, un tourbillonnement est formé dans les suspensions qui setrouvent sur les différents plateaux, sans l'aide d'aucune pièce mécanique en mouvement. En fonctionnement permanent, l'acide nitrique amené par le tube de charge 8 et les bioxydes d'uranium et de plutonium en poudre provenant du tube de charge 9 sont conduits, sous l'effet de leur propre poids, vers le fond de colonne 4 en un courant uniforme en passant par les différents plateaux perforés 6 et Es déversoirs 7 qui les relient La vapeur produite dans le fond de colonne 4 par le dispositif de chauffage 21 circule à contre- courant à partir du bas de la colonne à plateaux 3 de l'appareil de rectification 2 vers la partie supérieure du tube de verre o se trouve le serpentin de refroidissement 5 Pendant l Elrtemps de séjour dans cette cascade de plateaux perforés, les bioxydes d'uranium et de plutonium pulvérulantes se dissolvent dans l'acide nitrique par formation de N Ox jusqu'à ce qu'enfin une suspension des parties résiduelles non dissoutes arrive dans le fond de colonne 4. A cet endroit, la partie résiduelle des poudres de bioxydes d'uranium et de plutonium introduites par le tube de charge 8 et qui n'ont pu être dissoutes malgré le lonÂ séjour dans l'appareil de rectification 2, se rassemblent dans une zone morte, directement au fond de l'appareil de recti aication 2, tandis que la solution d'acide nitrique claire et filtrée contenant le combustible nucléaire dissout peut être prélevée de façon continue par la conduite de prélèvement 23 L'enlèvemnent des résidus non dissouts dans l'acide nitrique, comme par exemple Th O 2 et Pu 02 fortement frittés peut se faire pendant des inter- ruptions des opérations de dissolution, après que les différents plateaux perforés 6 se sont vidés par leurs perforations et que le fond de colonne 4 se soit vidé lui aussi par le tube d'évacu- ation 23 Les constituants non dissouts crui se sont accumulés au fond du tube de verre de l'appareil de rectification 2 peuvent alors être soulevés en un tourbillon dans la solution résiduelle qui reste dansie fond de colonne 4, en insoufflant de l'air comprimé par le tube d'arrivée 25, et la suspension ainsi produite 1 O peut alors être aspirée par le tube 26 de prélèvement de suspension. La solubilité du bioxyde d'uranium et de plutonium en poudre dépend de leur traitement thermique préalable La production de mousse pendant la dissolution du bioxyde d'uranlum et de plutonium diffère donc elle aussi suivant le traitement thermique préalable de ce bioxyde Etant donné qu'en plus d'autres variables comme la concentration de l'acide nitrique, la tempé- rature,la concentration de la solution, la pression et autres valeurs de transport, la surface de contact de la poudre de bioxyde détermine directement sa vitesse de dissolution, le rendement de la production peut être avantageusement augmenté si, avant sa dissolution, le bioxyde d'uranium et de plutonium est broyé, lorsqu'il s'agit par exemple de particules granuleuses. Bien qu'une forte concentration de l'acide nitrique accélère la dissolution du bioxyde d'uranium et de plutonium, il faut parfois avoir recours à de l'acide nitrique dilué pour éviter une trop forte formation de mousse dans l'appareil de rectifica- tion 2 qui sert d'appareil de dissolution Etant donné que l'ap- pareil de rectification 2 est en verre, la formation de mousse peut facilement être contrôlée Visuellement. Lorsque de l'acide nitrique concentré est utilisé comme solvant dans l'appareil de rectification 2, l'eau résiduelle peut être condensée sous forme d'un condensat faiblement acide par le serpentin de refroidissement 5, et être évacuée du diaphragme 10 collecteur de condensat par le tube 12 de prélèvement de condensat. Lorsqu'il faut utiliser de l'acide nitrique dilué pour éviter la formation de mousse dans l'appareil de rectification 2, le condensat peut être ramené du tube de prélèvement 12 par le tube 14, au fond de colonne 4, et le profil de concentration de l'acide nitrique peut être établi dans la colonne à plateaux 3, de manière que le plus grand échange se fasse sur l'avant-dernier plateau supérieur 6, en raison de la plus forte proportion de bioxyde d'uranium et de plutonium solide, mais que la concen- tration de l'acide nitrique y soit la plus basse afin que l'opé- ration de dissolution soit freinée Sur les plateaux 6 suivants, la concentration de l'acide nitrique ainsi que celle du bioxyde d'uranium et de plutonium dans la solution augmente en raison de l'accroissement de l'échange. Les bioxydes d'uranium et de plutonium difficilement solubles nécessitent une plus longue durée de séjour dans l'appa- reil de rectification 2 Dans ce cas, le débit du liquide passant par la colonne à plateaux 3 peut être réglé au moyen du courant de condensat en retour passant par le tube 14 vers le fond de colonne 4, et cela par le fait que le tube 14 introduit par unité de temps dans le fond de colonne 4 autant de liquide qu'il s'en vaporise. Des plaquettes non broyées de bioxyde d'uranium ou de bioxyde de plutonium peuvent être introduites de façon semi- continue par la conduite de charge 18 sur le panier de disso- lution 24 dans le fond de colonne 4, tandis qu'une solution filtrée de bioxyde d'uranium ou de bioxyde de plutonium peut être prélevée de façon continue par la conduite de sortie 23. Dans ce cas également, il est avantageux d'introduire l'acide nitrique dans la colonne à plateaux 3 par le tube de charge 8, de sorte que la poudre de bioxyde d'uranium et de plutonium chargée dans la colonne à plateaux 3 par le tube de charge 9 peut être dissoute parallèlement avec les plaquettes de bioxyde d'uranium et de plutonium qui sont ajoutées par le tube de charge 18. Le procédé selon l'invention permet de charger dans l'appareil de rectification 2, neuf litres d'acide nitrique concentré et 2,34 kg d'un mélange de poudres U 02/Pu O 2, dont la grosseur des grains est inférieure à 300,1 pm Avec une vapori- sation de sept litres d'acide nitrique à l'heure dans le fond de colonne 4, un litre de distillat est prélevé à l'heure dans l'appareil de rectification 2 par le tube de prélèvement 16, et le reste de distillat, c'est-à-dire 6 litres, est ramené par la conduite 14 dans le fond de colonne 4 afin d'y augmenter la durée de séjour de la poudre de bioxyde d'uranium et de plutanium introduite par la conduite 9 et également pour retourner, si cela est nécessaire, dans la colonne à plateaux 3 Dans le but de favoriser le mélange qui se fait dans la colonne à plateaux 3 et l'oxydation de N Ox, un demi-mètre cube d'air à l'heure et éventuellement aussi un gaz réactif favorisant l'oxydation,peuvent être introduits par la conduite d'arrivée de gaz 17 dans l'appareil de rectification 2, entre la colonne à plateaux 3 et le fond de colonne 4 En réglant par le dispositif de réglage de niveau 19, on prélève par le tube de prélèvement 23 continuellement huit litres d'une solution de bioxyde d'uranium et de bioxyde de plutonium dans l'acide nitrique, avec une concentration de 52 grammes par litres Etant donné que le mélange de poudre de bioxyde d'uranium et de bioxyde de plutonium, chargé dans l'ap- pareil de rectification 2, contient environ 3 pour cent de composants insolubles, il se dépose dans la zone morte située directement au fond du tube de verre de l'appareil 2, environ g à l'heure de matièressolidesqui s'y accumulent et qui, lors d'une interruption de l'opération de dissolution, peuvent être évacuées sous forme d'une suspension par le tube de pré- lèvement de suspension. REVENDICATIONS 1 Procédé de dissolution de matières solides, notamment de combustibles solides pour réacteur nucléaire, dans un liquide aui se trouve dans un appareil de dissolution, procédé caractérisé en ce que l'appareil de dissolution consiste en un appareil de rectification ( 2) avec une colonne à plateaux perforés ( 3) et un fond de colonne ( 4) à l'extrémité inférieure de la colonne à plateaux ( 3), que les matières solides et le solvant liquide sont introduits dans la colonne à plateaux ( 3) pour circuler en un flux continu dans la colonne à plateaux ( 3) jusqu'au fond de colonne ( 4), tandis que du gaz circule depuis le fond de colonne ( 4) par les plateaux perforés ( 3), à contre- courant des matiè,res solides et du solvant liquide, et que le solvant liquide est prélevé, au fond de colonne ( 4) de l'appareil de rectification ( 2), avec les matières solides dissoutes. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le solvant liquide est vaporisé dans le fond de colonne ( 4). 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un courant de circulation est produit dans le solvant liquide, dans le fond de colonne ( 4). 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de circulation est produit par chauffage du solvant liquide. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que de la matière solide à dissoudre est introduite dans le solvant liquide dans le fond de colonne ( 4), et que le solvant liquide est prélevé avec la matière solide dissoute par l'inter- médiaire d'un filtre ( 24) dans le bas de colonne ( 4). 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz qui sort à l'extrémité supérieure de la colonne à plateaux ( 3) passe par un condenseur ( 5) et que le condensat est renvoyé. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce quc le condensat provenant du condenseur ( 5) est ramené dans la colonne à plateaux ( 3) de l'appareil de rectification ( 2). 8 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le condensat provenant du condenseur ( 5)est ramené dans le fond de colonne ( 4) de l'appareil de rectification ( 2). 9 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que du gaz réagissant est additionné au gaz qui circule à contre- courant dans la colonne à plateaux ( 3) de l'appareil de rectifi- cation ( 2). Appareil de dissolution, notamment pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte disposé à l'extrémité infé- rieure d'une colonne à plateaux ( 3), un fond de colonne ( 4), ce dernier comportant un dispositif de chauffage ( 21). 11 Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage ( 21) se trouve dans une branche en dérivation ( 20) du fond de colonne ( 4).