Brevet FR2562314A1 — publié le 19851004

Procédé pour récupérer le plutonium contenu dans des déchets solides La présente invention a pour objet un procédé pour récupérer le plutonium contenu dans des déchets solides tels que des déchets de procédé, des déchets technologiques et des déchets de laboratoires. On sait que l'un des problèmes rencontrés fréquemment dans les installations nucléaires est de récupérer le plutonium et/ou le neptunium présents dans des déchets solides provenant, soit de la fabrication des éléments combustibles nucléaires, soit du traite- ment des combustibles nucléaires irradiés. Ces déchets peuvent être constitués par des cendres provenant de l'incinération à 800-900 C de déchets combustibles for- tement contaminés en plutonium, ce qui conduit à l'ob- tention de cendres calcinées dans lesquelles le pluto- nium se trouvesousformed'oxyde oud'autrescomposés réfractires, donc sousuneformedffcileàrécupérerensolutio Onobtient également des déchets solides contenant du plutonium sous la for- me d'oxyde lors du dégainage des éléments combustibles nucléaires irradiés car une quantité non négligeable d'oxyde de plutonium reste fixée sur les tronçons des gaines de combustible. Enfin, certains déchets de labo- ratoires, notamment des déchets à base de matières plastiques peuvent également être contaminés par de l'oxyde de plutonium qu'il est difficile de récupérer par dissolution. Jusqu'à présent la méthode la plus utilisée pour dissoudre l'oxyde de plutonium contenu dans des déchets tels que les cendres d'incinération de déchets combustibles, était basée sur l'effet catalytique des ions fluorure qui permet de dissoudre le plutonium en solution nitrofluorhydrique. En effet, dans ces dé- chets, l'impureté principale la plus gênante est la si- lice qu'il convient d'éliminer dès le début du traite- 2S62314 ment. Dans ce but, on traite les cendres à froid pen- dant 24 h dans de l'acide fluorhydrique 1ON pour solu- biliser au maximum la silice, puis on attaque le résidu par un mélange d'acide nitrique 6M et d'acide fluorhy- drique 2N, à l 'ébullition, pour chasser les dernières traces de silice sous forme de SiF6H2 qui distille, et on solubilise enfinlefluorure de plutonium par un mélange d'acide nitrique 4M et de nitrate d'aluminium 1M à l'ébullition. Ainsi, cette méthode nécessite l'emploi de réactifs très corrosifs et elle conduit à la production d'effluents fortement fluorés dont le traitement pose des problèmes. On a également envisagé de récupérer le plu- tonium contenu dans les déchets par aluminothermie, c'est-à-dire en réduisant l'oxyde de plutonium par l'aluminium, ce qui conduit à un alliage PuAl qui peut être dissous ensuite en milieu HNO03-HF. Cependant, cet- te méthode ne donne pas de bons résultats car le taux de récupération du plutonium ou de l'uranium contenu dans les cendres ne dépasse par 50%. On peut aussi ré- cupérer le plutonium par fusion alcaline dans un bain de Na202 et de NaOH. Après fusion, la masse vitreuse contenant le plutonium est immergée dans l'eau que l'on acidifie avec un excès d'acide nitrique pour récupérer le plutonium dans la solution. Cependant, la solution obtenue n'est pas stable et au bout d'un certain temps, un précipité blanc floconneux de SiO2 se forme dans la solution et entraîne partiellement le plutonium. On peut encore envisager de convertir l'oxyde de plutonium contenu dans les cendres en hexafluorure de plutonium, par réaction avec du fluor gazeux, mais dans ce cas, étant donné la grande réactivité des cen- dres, celles-ci ont tendance à se prendre en masse et on ne peut obtenir un taux de récupération satisfaisant du plutonium. Ainsi, aucun des procédés connus actuelle- ment ne permet de récupérer le plutonium des déchets dans des conditions satisfaisantes. La présente invention a précisément pour objet un procédé de récupération du plutonium contenu dans des déchets solides, qui permet d'obtenir des taux de récupération supérieurs à 95%, sans nécessiter l'utilisation de solutions fortement corrosives. Le procédé, selon l'invention, de récupéra- tion du plutonium contenu dans des déchets solides con- siste à mettre en contact les déchets solides avec une solution aqueuse d'acide nitrique ayant une concentra- tion en acide nitrique de 2 à 8 mol.1-1 et contenant un composé de Ag2+ soluble dans la solution, pendant une 2+ durée suffisante pour oxyder au moyen des ions Ag le plutonium présent dans les déchets. En effet, les ions Ag2+ sont des agents oxy- dants qui sont capables d'oxyder de nombreux éléments et de les faire passer en solution. Dans le cas du plutonium sous la forme d'oxyde, l'oxydation par Ag2+ correspond aux schémas réactionnels suivants: Ag2+ + PuO2(s) ->PuO + Ag+ (1) Ag 2+ + PuO+ -> Pu02+ + Ag+ (2) Les réactions (1) et (2) ont une cinétique très élevée, ce qui conduit à une dissolution pratique- ment instantanée du plutonium. Généralement, on réalise cette mise en con- tact sous agitation pour favoriser les contacts entre les ions Ag2+ et le plutonium présent dans les déchets. Selon un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on réalise cette mise en con- tact dans une cellule d'électrolyse comportant une ano- de et une cathode, on soumet la solution à une agita- tion et on applique entre l'anode et la cathode une différence de potentiel suffisante pour régénérer con- tinuellement les ions Ag2 qui ont été utilisés pour oxyder les éléments oxydables présents dans les dé- chets. Ainsi, on régénère en continu, par électroly- 2+ se, les ions Ag2+ consommés pour oxyder le plutonium et d'autres éléments oxydables, selon le schéma réaction- nel suivant: 2Ag + 2e -->2Ag2+ (3) Cette réaction (3) de régénération des ions Ag2 a lieu sur l'anode de la cellule et pour obtenir une vitesse maximale de dissolution du plutonium, on facilite celle-ci en soumettant la solution à une agi- tation afin de limiter la couche de diffusion au niveau de l'anode et d'augmenter les contacts des ions Ag+ avec l'anode. Le procédé de l'invention se révèle très avantageux par rapport aux procédés de l'art antérieur. En effet, il permet de s'affranchir totalement de la présence d'ions fluorure, de travailler uniquement en milieu nitrique et à la température ambiante, ce qui autorise l'emploi d'appareillages en acier inoxydable. Par ailleurs, il permet d'obtenir la dissolution du plutonium avec un rendement élevé, de l'ordre de 98 + 2%, en utilisant des durées de traitement relati- vement faibles, de l'ordre de 1 à 6 h. Lorsque les déchets solides à traiter con- tiennent des chlorures, on soumet tout d'abord les dé- chets solides à un traitement d'élimination de ces chlorures, avant de les mettre en contact avec la solu- tion aqueuse d'acide nitrique. En effet, il est important dans le procédé de l'invention de ne pas avoir d'ions chlorure en solution car ceux-ci entraîneraient la précipitation des ions Ag+ et réduiraient d'autant la concentration en argent de la solution et la vitesse de dissolution du pluto- nium. Avantageusement, l'élimination des chlorures est effectuée par lavage à l'eau des déchets solides, ce qui permet d'éliminer 90% des chlorures sans perte notable en plutonium (environ 0,02%). Généralement, on réalise trois lavages à l'eau des déchets en utilisant une proportion d'environ 25 ml d'eau par gramme de dé- chets. Pour la mise en oeuvre du procédé de l'inven- tion, la concentration en acide nitrique de la solution aqueuse est de préférence de 4 à 6 mol. 1- car la solu- bilité de l'argent (II) augmente avec la concentration en acide nitrique. Généralement le compose d'argent (II) est de l'oxyde d'argent AgO. On opère, de préférence, à une température de à 40 C afin d'obtenir une vitesse de dissolution satisfaisante tout en conservant une stabilité suffi- sante des ions Ag2+ vis-à-vis de la réaction parasite d'oxydation de l'eau par les ions Ag2+ dont la vitesse augmente avec la température. En ce qui concerne la concentration en ar- gent, on peut utiliser des concentrations qui varient dans une large gamme; cette concentration est choisie notamment en fonction de la vitesse de dissolution que l'on veut atteindre, car cette dernière augmente avec la teneur en argent de la solution aqueuse. Généralement, on utilise des concentrations en argent allant de 10 2 à 101 mol.1- 1. Par ailleurs, pour favoriser la régénération des ions Ag2+ en solu- tion, on utilise de préférence une anode de surface relativement importante par rapport au volume de solu- tion à traiter. L'agitation de la solution constitue égale- ment un élément important pour augmenter la vitesse de dissolution car elle permet de multiplier les contacts + d'une part entre les ions Ag et l'anode, et, d'autre part, entre les ions Ag2+ et les déchets solides à traiter. L'agitation peut être réalisée par voie magné- tique, mécanique et/ou ultrasonique. Toutefois, une agitation simultanée par voie mécanique et par voie ul- trasonique s'est avérée être plus efficace que la seule agitation par voie mécanique. Dans le procédé de l'invention, les phénomè- nes qui limitent vraisemblablement la vitesse de dis- solution du plutonium présent dans les déchets sont liés, d'une part à la régénération des ions Ag2+, et d'autre part, à la vitesse de diffusion de ces ions Ag2+ au sein des déchets solides pour atteindre le plu- tonium à dissoudre. Afin de favoriser les contacts entre les ions Ag2+ et le plutonium présent dans les déchets, il est nécessaire de procéder à un brassage énergique de la solution. Par ailleurs, le rapport entre le volume de la solution et la masse des déchets traités joue égale- ment un rôle important. Généralement, on utilise un rapport volume de solutions/masse des déchets relative- ment élevé, de l'ordre de 10 à 20 ml de solution par gramme de déchets. Enfin, la granulométrie des déchets traités exerce également une influence sur la vitesse de dissolution. Dans le cas de cendres, on utilise avantageusement une granulométrie inférieure à 1 mm. Afin d'augmenter la vitesse de régénération 2+ des ions Ag2, on utilise une anode ayant une surface relativement importante pour favoriser les contacts entre les ions Ag+ et l'anode, et on choisit une densi- té de courant anodique appropriée car la vitesse de dissolution augmente avec cette densité de courant. Gé- néralement, on utilise une densité de courant anodique toujours supérieure à 1 mA.cm-2 de surface de l'anode. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture des exem- ples suivants donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif en référence au dessin annexé qui re- présente schématiquement en coupe verticale un disposi- tif de dissolution pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Sur cette figure, on voit que le dispositif de dissolution comprend un premier tube 1 et un second tube 3 de diamètre identique reliés par des conduites 5 et 7 disposées de façon à permettre la circulation (suivant le trajet des flèches) du mélange de déchets et de solution du second tube 3 au premier tube 1 par la conduite 5 en déversoir et du premier tube 1 au second tube 3 par la conduite 7. Les deux tubes 1 et 3 ont une géométrie sGre et ils peuvent par exemple présenter les dimensions suivantes: un diamètre de 16 cm et une hau- teur totale de 1 m, ce qui correspond à une capacité utile de 20 1. Les tubes 1 et 3 peuvent être réalisés en plexiglass, en tantale ou en verre. Le premier tube 1 comporte les moyens voulus pour assurer l'électrolyse, l'agitation du mélange et le piégeage des gaz produits lors de l'électrolyse. Ainsi, le premier tube 1 comprend une anode 9 qui est de préférence de forme cylindrique afin de présenter une surface importante, et une cathode 11 disposée dans un compartiment cathodique 12 délimité en partie par une paroi poreuse en matériau isolant électrique et relié à une colonne de lavage des gaz 13. Ainsi les produits gazeux formés sur la cathode (produits nitreux et hydrogène) sont captés et entraînés après dilution dans l'air au travers d'une colonne de lavage ayant comme fonction la rétention des produits azotés, l'hy- drogène étant évacué par la ventilation de l'enceinte de confinement dans laquelle est disposé le dispositif. Le compartiment cathodique qui peut avoir par exemple un diamètre de 5 cm et un volume d'environ 0,5 1, est muni de plus d'un détecteur de niveau 14 et d'une conduite 16 d'introduction d'un électrolyte dans le compartiment cathodique 12. La conduite 16 comporte une vanne 18 asservie au moyen de détection 14 du ni- veau dans le compartiment afin de commander l'ouverture de la vanne 18 lorsque le niveau est situé en-dessous de la valeur voulue et de fermer au contraire la vanne 18 lorsque le niveau de liquide a atteint la valeur voulue. Par ailleurs, on note que le compartiment ca- thodique est disposé en face de la conduite 5, ce qui permet de faciliter l'évacuation des calories dégagées dans ce compartiment, par le flux de mélange entrant dans la conduite 5. Une turbine 15 qui peut être en- traînée par un moteur électrique 20 permet d'assurer le brassage et la circulation du mélange solide-liquide entre les tubes 1 et 3. Le second tube 3 est muni de moyens pour re- tenir les déchets solides et de moyens pour assurer le refroidissement du mélange. Les moyens permettant de retenir les déchets solides sont constitués par un panier filtrant 19 et les moyens de refroidissement sont constitués par un serpentin 17 entourant le panier 19 et parcouru par un liquide réfrigérant. Le panier 19 peut être animé d'un mouvement de va et vient dans le sens vertical, sous l'action du moteur 22 dont l'arbre est relié à l'obtu- rateur 26 du panier par un excentrique 28. L'étanchéité est assurée par un soufflet 30. Une conduite 23 qui débouche à la partie in- férieure du second tube 3 permet d'assurer le soutirage de la solution obtenue et ce second tube 3 est muni également d'une conduite 24 d'introduction des réac- tifs, soit de l'oxyde d'argent ou de l'acide nitrique. Le second tube 3 est également muni de moyens 21 pour détecter la fin de la réaction et ces moyens sont avantageusement constitués par une sonde de mesure de la densité du liquide ou une sonde de mesure de la concentration en argent de la solution. Pour améliorer la sûreté, le dispositif com- prend de plus un écran 25 en matériau neutrophage par exemple en platre ou polyéthylène boré dicpoeé entre les deux tubes l et3. La trémie 19 est avantageusement une trémie vibrante permettant de répartir l'alimentation en dé- chets sur une durée comprise entre 1/3 et 2/3 de la durée totale de dissolution. Les moyens 21 pour détecter la fin de la réaction peuvent être constitués par une sonde optique capable de repérer la coloration de l'argent II, ce qui indique que les ions argent ne sont plus utili- sés pour oxyder le plutonium ou d'autres éléments pré- sents dans les déchets. On peut aussi utiliser une son- de de mesure de la densité du liquide car la fin de la réaction peut être repérée par l'obtention d'une densi- té stable. On peut encore utiliser une sonde de mesure du dégagement gazeux sur l'anode. Les moyens 23 de soutirage de la solution comportent une conduite de vidange qui débouche à l'ex- trémité inférieure du second tube. La turbine 15 présente dans le premier tube 1 peut être remplacée par une pompe ou tout moyen appro- prié permettant d'assurer une agitation énergique dans le premier tube et de mettre en circulation le mélange du premier tube au second tube dans le sens indiqué par les flèches. La paroi poreuse de séparation du comparti- ment cathodique 12 peut être réalisée en verre fritté, ou en céramique frittée, par exemple en alumine frittée. Généralement, la solution utilisée dans le compartiment cathodique 12 est une solution d'acide ni- trique 8N. Les exemples suivants sont donnés à titre non limitatif pour illustrer l'invention. EXEMPLE 1 Cet exemple illustre la dissolution du pluto- nium contenu dans des cendres d'incinération comprenant environ 30 mg de Pu, 100 mg de chlorure, 125 mg de phosphore et 268 mg de silice par gramme de cendres, ces cendres contenant également d'autres éléments solu- bilisables tels que Zn, Pb, AI, Sn, Fe, Ni, Cr, Co, B et Mo. Dans cet exemple, on utilise une cellule électrolytique en verre maintenue à 25 C et séparée en deux compartiments par une paroi en verre fritté ayant une porosité de 3. Le compartiment cathodique contient de l'acide nitrique 8N et la cathode est un fil de platine. Le compartiment anodique contient la solution aqueuse nitrique et l'anode réalisée en platine a la forme d'un cylindre d'environ 30 cm2. L'agitation est réalisée au moyen d'un agitateur à hélice hélicoïdale -1 en téflon, tournant à 1200 t.min, disposé dans le compartiment anodique. Tout d'abord, on traite les cendres d'inciné- ration pour les débarrasser des chlorures qu'elles con- tiennent par lavage à l'eau. On les introduit ensuite dans le compartiment anodique de la cellule d'électro- lyse qui contient 100 ml d'anolyte constitué par une solution aqueuse ayant une concentration en acide ni- trique de 4 mol.1-1 et une concentration n argent de trique de 4 mol.l et une concentration en argent de ll 5.102 mol.11. On traite ainsi 5 g de cendres en lh30min., en utilisant une densité de courant de -2 16 mA.cm. On peut traiter 10 g de cendres en 3 h, en -2 utilisant une densité de courant de 26 mA.cm Dans les deux cas, le rendement de dissolu- tion du plutonium est supérieur à 98%. A la suite de ce traitement, on sépare le résidu de la solution par filtration sur un fritté de porosité 4, et on lave ce résidu plusieurs fois par de l'acide nitrique 4N afin de désorber la fraction de solution retenue dans le résidu. On ajoute l'acide de lavage à la solution obtenue lors du traitement de dis- solution. On peut ensuite séparer le plutonium de cette solution par extraction liquide-liquide au moyen de phosphate de tributyle. EXEMPLE 2 Dans cet exemple, on utilise le dispositif de la figure annexée pour traiter 1 kg de cendres analo- gues à celles de l'exemple 1, dans les conditions sui- vantes: - acidité nitrique: 4 mol.l- 1, - intensité du courant: 40 A, surface de l'anode: 1000 cm2, -2 - concentration en argent: 5.10 2 mol.1 1, - volume de l'anolyte: 20 1. Après deux heures de traitement, on obtient un rendement de dissolution du plutonium de 98%. EXEMPLE 3 Cet exemple illustre le traitement d'un kilo de coques provenant du traitement d'éléments combusti- bles de réacteurs à eau afin de récupérer le plutonium qu'elles contiennent. Tout d'abord, on lave les coques à l'acide nitrique 4N afin de désorber le plutonium qui a été fixé dans la couche externe d'oxyde de zirconium lors du séjour des coques dans la solution de dissolu- tion des combustibles. On élimine ainsi 6,13 mCi d'émetteur alpha par kg de coques. On prépare ensuite 2 1 de solution aqueuse ayant une concentration en aci- de nitrique de 4 mol.1-1 et on y ajoute 25 g d'oxyde d'argent AgO. On ajoute alors les coques aux 2 1 de solution et après agitation, on prélève et on analyse la solution. On constate qu'elle contient 1,3 mCi de plutonium par kg de coques. On prélève ensuite 10 g de coques ainsi traitées, on les calcine, puis on les traite afin de mettre en solution la totalité du pluto- nium résiduel. On détermine alors la teneur en pluto- nium de ia solution qui est de 0,64 mCi.kg1. Ainsi, on observe que le traitement de l'in- vention permet d'obtenir un facteur de décontamination en plutonium de 3. EXEMPLE 4 On calcine à 900 C, 10 g de coques de zirca- loy contenant 2,2 mCi d'émetteurs alpha par kg de co- ques afin de transformer le zirconium en oxyde de zir- conium ZrO2. Après broyage, on traite l'oxyde de zirco- nium ainsi obtenu par une solution aqueuse contenant 4 mol.171 d'acide nitrique et 5.10- 2 mol. 1-1 d'argent dans une cellule d'électrolyse, en utilisant une anode de 20 cm2 et une intensité de courant de 0,5 A. On obtient ainsi en 4 h une décontamination satisfaisante. En effet, après cette électrolyse, l'activité résiduel- le de l'oxyde de zirconium est seulement de 0,4 mCi.kg-1. Ainsi, ces traitements ont permis d'éli- miner une activité de 1,8 mCi.kg-1 de coques. EXEMPLE 5 Cet exemple illustre la dissolution d'oxyde de plutonium polluant des déchets de laboratoire, cons- titués de chlorure de polyvinyle, de polyéthylène, de néoprène, de latex, de verre et de matières cellulosi- *ques. On traite tout d'abord les déchets dans un broyeur à couteaux afin de les fractionner jusqu'à l'obtention de déchets broyés de 10 à 20 mm de surfa- ce. On introduit alors 2 kg de déchets broyés dans le panier filtrant 19 du dispositif représenté sur la fi- gure annexée et on charge ce panier dans le second tube 3 du dispositif qui a été rempli au préalable d'une solution d'acide nitrique de 4 mol.1-1 d'acide nitrique contenant 5.10-2 mol.1-1 d'argent. On met en marche le moteur 20 de l'agitateur 15 et le moteur 22 associé au panier 19 et on applique un courant d'électrolyse de A que l'on maintient pendant 2 h après obtention 2+ d'une concentration stationnaire en Ag. En fin d'électrolyse, on soutire la solution par la conduite 23 et on laisse égoutter les déchets, puis on introduit dans le dispositif 20 litres d'une solution nitrique à 4 mol.l1 d'acide nitrique conte- nant 5.10- 2 mol.1-1 d'argent Ag2+ afin de bien rincer les déchets et de parfaire leur décontamination. On extrait alors le panier 19 de l'appareil, on laisse égoutter les déchets broyés et on les sèche sous courant d'air chaud. On peut alors introduire une nouvelle charge de déchets dans le dispositif rempli de la solution qui a été utilisée pour le rinçage de la charge précédente. Dans le cas de déchets dont le niveau de con- tamination initial est de 1,6 Ci/t, ce qui correspond à 54,4 mg de plutonium pour les 2 kg de déchets, on ob- tient en fin de traitement des déchets dont l'activité résiduelle correspond à 5% de l'activité initiale, soit mCi/t, ce qui correspond à 160 iCi pour 2 kg de dé- chets. Le plutonium récupéré dans la solution représen- te 1,52 Ci/t, soit 3,4 mCi pour les 20 litres de solu- tion de traitement. -62314 REVENDICATIONS 1. Procédé pour récupérer le plutonium conte- nu dans des déchets solides, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en contact les déchets solides avec une solution aqueuse d'acide nitrique ayant une concen- tration en acide nitrique de 2 à 8 mol.11 et contenant un composé de Ag2+ soluble dans la solution, pendant une durée suffisante pour oxyder au moyen des ions Ag2+ l'oxyde de plutonium présent dans les déchets et le dissoudre dans la solution. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'on réalise cette mise en contact dans une cellule d'électrolyse comportant une anode et une cathode, en ce que l'on soumet la solution à une agitation et en ce que l'on applique, entre l'anode et la cathode, une différence de potentiel suffisante pour régénérer continuellement les ions Ag 2+ qui ont été utilisés pour oxyder les éléments oxydables présents dans les déchets. 3. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2 de traitement de déchets contenant des chlorures, caractérisé en ce que l'on soumet tout d'abord les déchets à un traitement d'élimination des chlorures et en ce qu'on les introduit ensuite dans la solution aqueuse d'acide nitrique. 4. Procédé selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le traitement d'élimination des chlo- rures est un lavage à l'eau. 5. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que le composé de Ag2+ est de l'oxyde d'argent AgO. 6. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que la concentration en acide nitrique de la solution aqueuse est de 4 à 6 mol.11. 7. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on opère à une température de 20 à 40 C. 8. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que la concentration en argent de la solution aqueuse est de 10-2à 10-1 ml.1-1. 9. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on applique entre l'anode et la cathode de la cellule délectrolyse une différence de potentiel telle que la densité de courant anodique soit toujours supérieure à 1 mA par cm2 de surface de l'anode.