Brevet FR2547211A1 — publié le 19841214

La présente invention concerne un procédé de fractionnement de molécules et d'isotopes ainsi que des dispositifs permettant la mise en oeuvre de ce procédé. On connais déjà plusieurs procédés de séparation de mélanges de molécules et d'isotopes et en particulier, dans le cas des isotopes et notamment de ceux de l'uranium, ces mélanges sont transportés en phase gazeuse dans des dispositifs convenables, assurant une diffusion, une centrifugation ou une autre opération, par l'intermédiaire de tuyaux. Le procédé de diffusion gazeuse repose sur la différence de vitesses de passage d'un gaz à travers une paroi poreuse. Ce procédé présente l'inconvénient de nécessiter des installations de grande taille et une consommation importante d'énergie. Dans le procédé de centrifugation en phase gazeuse, le fractionnement est assuré par le champ centrifuge qui enrichit le système en l ment le plus lourd, dans la zone qui se trouve radialement la plus à l'extérieur. Dans ce cas, cependant, en plus de la consommation importante d'énergie, les appareillages nécessaires sont coûteux et complexes et le rotor de la machine centrifuge doit toujours être suspendu dans un champ magnétique. Cette machine centrifuge comporte un rotor cylindrique à paroi mince tournant dans une enveloppe à une vitesse proche de 400 m/s. La charge gazeuse est injectée dans le rotor près du centre et le produit et le résidu sont évacués de fanon continue par les parties supérieure et inférieure respectivement. La réalisation, l'équilibrage et l'entretien convenables du rotor dans ce type de dispositif posent des problèmes délicats et de résolution difficile. Le procédé de fractionnement mis en oeuvre à l'aide de tuyaux (tuyères) repose sur la déviation d'un courant gazeux qui s'écoule le long d'ue paroi courbe. Le champ centrifuge ainsi créé provoque un fractionnement. Ce procédé dépend en pratique du grand nombre de tuyaux micrométriques et très précis nécessaires dans une instal lation donnée, posant des problèmes de complication et de coût élevé. En outre, une installation de ce type nécessite la disponibilité d'une quantité importante d'énergie pour la recompression du gaz qui se détend dans chaque étape de séparation et pour la compensation des pertes dues au frottement visqueux. On sait que la mise au point de ce procédé a permis de réduire les coûts d'origine mais qu'il ne peut pas être utilisé à granche échelle. Le brevet français n0 75.32 643 décrit un dispositif qui se caractérise par la disposition, à la face latérale d'un récipient cylindrique, d'orifices d'injection reliant l'intérieur du récipient à une source d'un mélange gazeux comprimé, et un boîtier destiné à recevoir une première fraction du mélange gazeux s'échappant par un orifice d'extraction au moins. Le procédé d'entraînement des gaz faisant l'objet de la présente invention repose sur le traitement du mélange gazeux à fractionner dans des dispositifs dynamiques de séparation de fluide n'ayant pas de parties mobiles, le procédé comprenant l'introduction du mélange gazeux à grande vitesse ou à des vitesses différentes, de préférence sonique ou proche au moins de la vitesse du son, par une ou plusieurs tuyères non radiales, dans une chambre de section variable ou non, à développement axial de préférence circulaire ou cylindroconique, de préférence cylindrique, le fluide présent à l'intérieur de la chambre suivant un trajet hélicoidal. Dans ce procédé1 les masses, forces et champs créés dans le fluide lorsqu'il se déplace sont utilisés de manière qu'ils provoquent des phénomènes de séparation, d'après des trajectoires continues ou continues par segment, s'enroulant sur elles-mêmes et/ou hélicoldales et/ou circulaires, et/ou sous forme de courbes combinées. L'invention concerne aussi divers dispositifs destinés à la mise en oeuvre de ce procédé. Le procédé selon l'invention se caractérise par des opérations (a) d'injection du mélange gazeux par une ou plusieurs tuyères dans des directions qui, avec le rayon de la chambre, forment un angle compris entre 60 et 1200 et plus précisément d'environ 90 , à une vitesse élevée, de préférence sonique, ou à des vitesses différentes, dans une chambre à peu près cylindrique, (b) de déplacement du mélange gazeux suivant un trajet hélicoïdal avec une accélération vers la zone centrale alors que la partie marginale externe se déplace autour de l'axe de la chambre le long de la paroi cylindrique de celle ci, la partie externe étant enrichieen éléments relativement lourds par les forces centrifuges ainsi créées alors que la partie marginale interne du courant gazeux qui circule est enrichie en éléments rela- tivement légers du mélange, (c) de traitement de la partie marginale interne du courant qui circule près de l'axe de la chambre par une accélération supplémentaire due à l'action combinée d'éléments aérodynamiques, avec entraînement' par des trous placés aux faces internes adjacentes desdits 6 ments, le courant circulant près de l'axe, déjà enrichi en l'élément le plus léger du mélange étant accélère par les éléments aérodynamiques, le champ de forces centtrifuges étant ainsi augmenté et le courant étant encore plus enrichi, dans ses parties de plus petit rayon, en l'élément le plus léger, cette partie centrale de circulation pénétrant dans la zone placée entre lesdits éléments et étant isolée par la différence de pressions de part et d'autre des trous, et (d) d'extraction, par une seconde sortie de la chambre placée dans sa partie périphérique opposée, de la partie marginale externe du courant gazeux qui s'est enrichie en l'élément relativement lourd. Plus précisément, le procédé selon l'invention se caractérise par le fractionnement de molécules ou d'isotopes d'un mélange gazeux dans une chambre de fractionnement, ce procédé comprend (i) l'introduction du mélange gazeux à une ou plusieurs vitesses différentes dans une chambre, par une ou plusieurs tuyères ayant des directions non radiales (ii) le déplacement du mélange gazeux dans la chambre suivant un trajet hélicoidal, et (iii) l'interruption de la circulation libre du mélange à l'aide d'éléments aérody namiques afin (a) qu'ils provoquent des pulsations avec des pressions et vitesses non fixes et variables de façon continue, (b) qu'ils guident la partie la plus pécore du mélange gazeux, (c) qu'ils isolent la partie la plus légère par une différence de pressions, et (d) qu'ils règlent la couche marginale interne de ladite partie et évitent ainsi les turbulences, et (iv)~l'extraction séparée des fractions de la chambre. Le procédé précité peut être mis en oeuvre dans plusieurs types de dispositifs convenables, D'autres caractéristiques et avantages e l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente un dispositif dans lequel l'élément le plus léger du mélange à séparer est absorbé par deux profilés aérodynamiques ayant des trous correspondants placés dans la partie centrale interne des profilés respectifs la figure 2 représente un dispositif analogue à celui de la figure 1 dans lequel l'absorption est réalisée par l'intermédiaire d'un tube central ayant des trous, ce tube étant intercalé entre les deux profilés la figure 3 est une coupe schématique représentant le déplacement du fluide dans le dispositif de la figure 1 ; la figure 4 représente le déplacement du fluide dans un dispositif tel que représenté sur la figure 2 ; la figure 5 est une coupe représentant le dé la cement du fluide dans un dispositif ayant quatre profilés ; et la figure 6 est une coupe d'un dispositif ayant plusieurs tuyères et un revêtement éventuel. La figure i représente un dispositif qui est formé essentiellement d'un tube 1 sensiblement cylindrique contenant deux profilés aérodynamiques 3 placés axialement, le tube ayant une tuyère 2 d'injection de gaz et un canal 5 de sortie par lequel la fraction la plus lourde est évacuée. Des canezlisations internes 6 destinées à ltex- traction du fluide enrichi en l'élément le plus léger du mélange partent des couvercles supérieur et/ou inférieur du tube. Dans leur partie interne, les profilés 3 ont des trous 4 destinés à permettre l'introduction d'un gaz relativement léger dans les profilés. La figure 2 représente un dispositif dans lequel un tube intermédiaire 8 est placé entre les deux profilés, ce tube 8 ayant des trous 9 destinés à la sortie du gaz relativement léger. Le fluide est injecté, dans le mode de réalisation des figures 1 et 2 dans une direction non radiale, par exemple tangentielle, par rapport au cylindre, par une tuyère 2 afin que, dans le col de celle-ct, le gaz ait une vitesse élevée et parcourt ensuite une trajectoire courbe de même signe sur toute sa longueur. Cette injection, de même que la sortie finale par le canal de sortie, assure la prise d'une forme hélico#- dale par le courant de fluide, coaxialement à l'axe du cylindre. La force centrifuge créée a tendance à concentrer l'élément le plus léger du mélange gazeux près de l'axe et l'élément le plus lourd près de la paroi. Etant donné le principe de la conservation du moment angulaire, dans le courant hélicoïdal formé, l'augmentation de la vitesse tangentielle correspond à une diminution du rayon, donnant un gradient radial d'intensité tangentielle et le gradient correspondant d'intensité radiale provoquant l'aspiration du fluide vers le centre du cylindre. Dans les dispositifs considérés, le fluide qui présente un mouvement hélicoïdal stratifié est soumis dans la partie centrale de la chambre à une accélération supplémentaire du fait de la présence des profilés 3 et de l'aspiration transmise par les trous de la zone intermédiaire, entre les profilés.Le fluide provenant de la partie centrale est écarté par effet Coanda le long du profilé alors que le gradient de pression induit par l'aspiration réduit favorablement les phénomènes corres pondants de la couche marginale. Dans ces conditions, la partie la plus légère est retirée par les trous 4 (dans le dispositif de la#figure 1) et les trous 9 (dans le dispositif de la figure 2). La fraction la plus lourde suit sa trajectoire hélicoïdale et, lorsqu'elle rencontre successivement les profilés, le fractionnement précité se répète. Le tube central de la figure 2 a une sortie 10 de partie légère. Sur la figure 5, les quatre profilés portent les références 11 à 14 et le fluide est injecté dans la chambre 16 par la tuyère d'injection et est retiré par les trous 24. Evidemment, cette figure représente un mode de réalisation ayant plus de deux profilés, mais trois profilés peuvent aussi être utilisés. La figure 6 représente un dispositif qui comporte plusieurs tuyères a et un revêtement éventuel c. Le revête- ment est simplement destiné à adapter les pressions d'entrée au niveau des tuyères respectives. On considère maintenant une expérience mise en oeuvre avec un tube ayant un noyau formé de profilés aérodynamiques tels que représentés sur la figure 2. Un mélange d'hydrogène et de méthane passe dans le dispositif et les gaz sont analysés aux deux sorties avec un chromatographe en phase gazeuse 11Varian"'1080.. La variation de surfaces des pics correspondant à l'hydrogène et au méthane est considérée comme indice de la variation de la composition. Le résultat est indiqué dans la suite du présent mémoire, R étant la relation et les indices i et e indiquant les sorties interne et externe respectivement (on prévoit un enrichissement à la sortie externe de l'élément du poids moléculaire le plus élevé). (Pression d'injection de 2,5 et 2 bars respectivement). EXPERIENCE 1 Ri = 4,7 R e 3,9 différence = 22 % EXPERIENCE 2 Ri = 4,6 R e = 4,1 différence = 12 % Il faut noter que, dans les dispositifs représente tés sur les figures 1 et 2, les canalisations 6 et 10 ne sont aucunement primordiales puisqu'elles peuvent être éliminées, un orifice formé sur la face correspondante ou la base du cylindre 2 pouvant être utilisé à la place, en col-n- cidence avec les profilés 3 ou le tube 8. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent entre décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de fractionnement de molécules et d'isotopes d'un mélange gazeux dans une chambre de fractionnement, caractérisé en ce qu'il comprend (i) l'introduction du mélange gazeux par une ou plusieurs tuyères (2) dans des directions non radiales dans une chambre (1), à une ou plusieurs vitesses, (ii) le déplacement du mélange gazeux suivant un trajet hélicoidal dans la chambre, et (iii) l'interruption de la circulation libre du mélange à 11 aide d'éléments aérodynair#- ques (3) tels (a) qu'ils provoquent des pulsations avec des pressions et vitesses non fixes et variables de façon continue, (b) qu'ils guident la fraction la plus légère du mélange gazeux, (c) qu'ils isolent la fraction la plus légère et (d) qu'ils réduisent la couche marginale interne de la fraction afin que les turbulence soient évitées, et (iv) l'extraction séparée des fractions de la chambre (1). 2. Dispositif de fractionnement de molécules et d'isotopes de mélange gazeux, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de fractionnement (1) ayant une ou plusieurs tuyères (2) d'introduction du mélange gazeux, un dispositif destiné à donner au mélange gazeux un trajet hélicoïdal à l'aide d'éléments aérodynamiques (3) destinés à provoquer des pulsations et à guider la fraction la plus légère du mélange gazeux, tout en isolant cette fraction et en réduisant la couche marginale interne, et un dispositif (5, 10) d'extraction séparée des fractions de la chambre. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une tuyère (2) destinée à l'introduction du mélange gazeux. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux tuyères (2) d'introduction du mélange gazeux. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les éléments aérodynamiques (3) sont des profilés creux ayant des orifices d'extraction de la fraction la plus légère du mélange gazeux. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendica tions 2, 3 et 5, caractérisé en ce que les éléments aérodynamiques (3) sont des profilés en nombre supérieur à 2. 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les éléments aérodynamiques (3) sont formés par au moins deux profilés, et un tube central a des orifices et est disposé entre les profilés.