Brevet FR2584092A1 — publié le 19870102

PROCEDE DE SEPARATION DES TERRES RARES ET DE L'URANIUM D'UN CONCENTRE D'UF4 ET DE LEUR VALORISATION L'invention est relative à un procédé de séparation des terres rares d'un concentré d'UF4 et de leur valorisation. L'homme de l'art sait que l'on peut récupérer de l'uranium à partir de l'acide phosphorique obtenu par attaque sulfurique de phosphates naturels. Cette récupération consiste à traiter l'acide par un solvant organique non miscible à l'eau et qui présente une forte affinité pour l'uranium tel que par exemple l'acide octylpyrophosphorique puis, à mettre en contact ledit solvant avec de l'acide fluorhydrique pour précipiter du tétrafluorure d'uranium UF4, qui sera par la suite converti en UF6 ou en uranium métal. Toutefois, l'acide phosphorique contient des impuretés, notamment des terres rares, et également du thorium et de l'yttrium assimilé à une terre rare, et ces éléments accompagnent généralement l'uranium lors de son traitement par solvant de sorte qu'on les retrouve dans l'UF4. Or, les exigences de l'industrie nucléaire en matière de pureté sont telles qu'il s'avère indispensable de procéder à une séparation de ces terres rares. Certes, le problème de la purification de l'UF4 n'est pas nouveau et il a déjà trouvé certaines solutions. C'est ainsi, par exemple, que dans le brevet français 2 429 746, on enseigne un procédé dans lequel l'UF4 est dissous dans un acide en présence d'un agent complexant tel que le sulfate d'aluminium pour donner une solution aqueuse d'uranium, laquelle après filtration est traitée avec du peroxyde d'hydrogène pour donner un peroxyde hydraté d'uranium purifié. Cependant, la purification recherchée vise à répondre aux demandes de certaines raffineurs américains de "yellow cake" à savoir moins de 0,15 % de fluorure, 1% de fer, 1 % de calcium, 0,5 % de magnésium en poids et par rapport à l'uranium contenu. Il n'est donc nullement question de la purification en terres rares et d'ailleurs dans un tel procédé, ces éléments se retrouveraient tous, sauf le thorium, en 25840 92 partie dans le peroxyde, l'autre partie passant sous une forme diluée dans la solution de fluorure d'aluminium et étant par suite difficilement valorisable. D'autre part, la dissolution de l'UF4 dans un acide qui est le plus souvent de l'acide nitrique conduit à la formation de solutions fluonitriques qui sont très corrosives et risquent d'endommager fortement les installations dans lesquelles elles sont véhiculées à moins de précautions particulières. Par ailleurs, étant donné l'intérêt présenté par certaines terres rares, une technique permettant de les séparer de l'uranium sous une forme directement valorisable serait sans doute très séduisante pour l'économie du procédé. C'est pourquoi la demanderesse a cherché et trouvé un procédé ayant pour but de séparer des terres rares de l'uranium contenus dans l'UF4 et dans lequel on peut à la fois: - se débarrasser dès le premier stade desfluorures et donc réduire les problèmes de corrosion, - récupérer les terres rares et l'yttrium sous une forme valorisable et, - obtenir une solution d'uranium dont la pureté est suffisante pour conduire à des produits répondant aux exigences des raffineurs notamment du point de vue teneur en fluorures. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes attaquer l'UF avec de la potasse et séparer les hydroxydes d'uranium et de terres rares solides de la suspension ainsi obtenue, * reprendre les hydroxydes avec de l'acide nitrique et séparer les insolubles constitués par l'hydroxyde de thorium et une partie des terres rares ainsi valorisées, - purifier la solution de nitrates au. moyen d'un solvant organique de manière à en extraire le nitrate d'uranyle et à laisser les terres rares dans la phase aqueuse, * ajouter une base à la phase aqueuse pour précipiter le solde des terres rares sous forme d'hydroxydes valorisables. L'invention consiste donc d'abord à attaquer l'UF4 impur avec de la potasse de manière à réaliser la réaction suivante UF4 + 4 KOH > 4 KF + U (OH)4 La potasse utilisée est sous forme d'une lessive à 50 % en poids telle qu'on la trouve dans le commerce ou obtenue par dissolution des pastilles. La quantité de potasse utilisée est comprise entre 1 et 3 fois la quantité stoechiométrique correspondant à la formation d'U(OH)4, soit environ 0,95 à 2,85 kg de KOH/kg et dépend de la teneur en terres rares et en thorium de 'UF4 mis en oeuvre. La réaction s'effectue de préférence entre 70 et 110'C, sous agitation et pendant une durée suffisante pour assurer une décomposition complète de l'UF4. Généralement, ce résultat est obtenu en moins de 4 heures. La suspension résultant de cette réaction est alors filtrée pour donner une solution de fluorure de potassium pratiquement exempte d'uranium et un précipité d'hydroxyde de U(OH)4 contenant les terres rares que l'on lave sur filtre avec une quantité importante d'eau. Puis le précipité est repris par une solution d'acide nitrique technique, à 53 % en poids de préférence, de manière à avoir une acidité libre supérieure à 0,05 N sans pourtant atteindre des valeurs trop élevées qui entraîneraient une consommation d'acide superflue. L'opération est menée entre 40 et 100'C et de préférence entre 70 et 90 C pendant 1 à 2 heures. Dans ces conditions, l'uranium est solubilisé en totalité suivant la réaction: 3 U(OH)4 + 8 HNO3 3 3 UO2 (NO3)2 + 2 NO + 10 H20 alors que le thorium reste pratiquement inattaqué. Quant aux terres rares, leur solubilisation est partielle et décroît du cérium à l'ytterbium et à l'ytrium. On peut donc à ce stade récupérer une partie des terres rares par séparation des insolubles au moyen d'une opération de filtration par exemple. La solution contenant le nitrate d'uranyle et le solde des terres rares est alors purifiée par extraction liquide-liquide au moyen d'un solvant organique tel que le tributylphosphate par exemple de manière à récupérer, d'une part, une solution organique de nitrate d'uranyle purifiée, d'autre part, une solution aqueuse renfermant les terres rares. Il suffit d'ajouter une base, telle que l'ammoniaque, la soude, la potasse ou la chaux par exemple, à ladite solution aqueuse et en quantité suffisante pour précipiter les terres rares sous forme d'hydroxydes qu'on peut regrouper avec les insolubles de la reprise nitrique. Quant à la solution de nitrate d'uranyle, elle peut reprendre le circuit normal du cycle de l'uranium pour être transformée par exemple en UF4 pur avant de conduire à l'UF6 ou à l'uranium de qualité nucléaire. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la figure 1 qui représente les différentes étapes du procédé selon l'invention. On y voit un réacteur A dans lequel s'effectue l'attaque du fluorure d'uranium impur S1 par une lessive de potasse L1. La suspension L2 obtenue est séparée dans le filtre B en une solution de fluorure de potassium L3 et un précipité S2 d'hydroxyde d'uranium accompagné de terres rares. Ce précipité est repris dans un réacteur C par une solution d'acide nitrique L4 pour former une suspension L5 dont les phases sont séparées dans un filtre D pour donner un précipité S3 contenant la quasi- totalité du thorium et une portion de terres rares et une solution L6 de nitrate d'uranyle contenant le solde des terres rares. Cette solution est purifiée par extraction liquide-liquide au moyen du solvant L7 dans une batterie E de mélangeurs-décanteurs d'extraction et réextraction de laquelle on sort une solution de nitrate d'uranyle L8 de pureté convenable pour être réinjecté dans le cycle de l'uranium et une solution aqueuse L9 de laquelle on précipite dans le réacteur F au moyen d'une base L10 les hydroxydes de terres rares qui sont séparés au moyen du filtre G de la suspension Lll pour donner une solution aqueuse qui est rejetée et un concentré S4 qui peut être utilisé directement à la fabrication des terres rares. L'invention peut être illustrée à l'aide des exemples d'application suivants qui ont mis en oeuvre un UF4 riche en thorium et en terres rares provenant de la récupération de l'uranium d'un acide phosphorique au moyen de solvant et ayant pour composition en poids pour-cent: U: 44,5 -Y 4,5 Th 5,8 - Yb 1,1 - Ce 0,95 - Fe 01 - Na 5,6 - F30 divers 7.45. Exemple 1: Cet UF4 a été soumis au procédé selon l'invention avec des quantités variables de réactifs KOH et NO3H et dans des conditions de température et de durée différentes. En fonction de ces paramètres, on a établi les rendements de solubilisation de I'UF4 et des terres rares dans la potasse et dans l'acide nitrique. Les résultats figurent dans le Tableau I suivant: -- IF total solubilisé par le double traitement. Ces différents essais montrent que le traitement préalable de I'UF4 impur par la potasse permet de mettre l'uranium sous une forme facilement solubilisable par l'acide nitrique et d'éliminer la majeure partie du fluor contenu. Selon les conditions opératoires, on peut si l'on désire valoriser les autres éléments contenus dont le cerium et l'ytterbium qui peuvent être utilisés comme traceur des terres rares, accroître la solubilisation des autres éléments. Dans tous les cas, le thorium est très peu solubilisé et peut être éliminé. Exemple 2: 22,5 kg de UF4 impur, soit 10 kg d'uranium ont été traités à 90-C pendant 4 heures par 28,2 kg d'une solution de potasse à 50 % dans le réacteur A. !0 Essais n 1 2 3 4 Trait. KOu kg/g U 3,0 2,19 1,216 _ 2,19 _ Températ. C 105 90 90 70 Durée h 4 2 4 4 KOH Rt soub]F ' 83 81 70 -76 lisation u 0 O o 1% Y.Th Ce,Yb 0 0 0 0 Essais IA 1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B Trait. HNO3/kg U 3, 0 1,15 3,0 1,05 1,05 1,05 1,8 1,15 Températ C 90 90 90 90 40 90 90 HNO3 Durée h Rt solubi _ _ 10 100 ____ 99,95 99,4 _99,5 99.,9 99,95 lisation FI 92,5 91,1 88,3 86,2 76,7 77,9 84,8 83,5 Ce 99,5 98,5 97,1 95,5 83,4 85, 6 97,1 96.6 Th 6,0 5,5 5,5 3,9 2,4 4,5 5,4 4,8 % I /Yb 94,5 90,0 89,7 73, 0 26,5 29,0 83,6 80,1 Y 90,5 85,0 74,9 44,7 9,2 13,0 64.6 54.4 - -SolutionUg/l 230 244 234 265 247 262 -273- 255 U02(NO3)2 H+g/l 5,8 0, 25 5,9 0,05 0,10 0.08 1,9 0,3 2584d92 Apres filtration et lavage, on a obtenu d'une part une solution L3 de fluorure de potassium, exempt d'uranium, cérium, thorium, ytterbium, yttrium contenant ,35 kg de fluor sur les 6,75 kg contenus dans P'UF4 initial, d'autre part, un précipité vert-noir d'hydroxyde d'uranium S2 contenant tout l'uranium initial ainsi que tous les éléments insolubles, en milieu basique comme Ce, Th, Yb, Y. Ce précipité a été traité en C par 18,9 kg de HNO3 technique à 53 % pendant 2 heures à 90'C. Après filtration et lavage, on a obtenu une solution L6 de nitrate d'uranyle impure contenant 248 g/l d'uranium et 6, 1 g/l seulement d'ions fluor et 10,35 kg d'un insoluble humide S3 ne contenant que 25 g d'uranium. La solution L6 de nitrate d'uranyle impur a été traitée à contre-courant en E par une solution de tributylphosphate dans du dodécane pour en extraire l'uranium, puis de cette solution organique l'uranium a été réextrait par de l'eau pour obtenir une solution aqueuse pure de nitrate d'uranyle. Le raffinat d'extraction L9 a été neutralisé par de la soude et on a obtenu après filtration et séchage un concentré S4 riche en thorium et terres rares. On donne dans le tableau 2 la répartition des différents éléments uranium, fluor, terres rares, au cours des différentes étapes du procédé. Cet exemple montre que l'uranium est récupéré sous forme d'une solution très pure de nitrate d'uranyle alors que la majorité du thorium est éliminé sous forme d'insoluble en milieu HNO3. Les autres éléments comme Ce, Y, et terres rares sont valorisables sous forme d'un concentré riche en ces éléments soit au niveau des insolubles de la reprise nitrique, soit après ajout de soude. Exemple 3: Dans cet exemple, on a mis en oeuvre le même UF4 de départ, mais avec des quantités plus importantes de KOH et HNO3 que dans l'exemple précédent. On a traité 22,5 kg d'UF4 impur à 90-C pendant 2 heures par 55 kg d'une solution de potasse à 50 % dans le réacteur A. Après filtration et lavage, il a été obtenu 26,7 kg d'un précipité vert-noir S2 d'hydroxyde d'uranium contenant tout l'uranium initial ainsi que tous les éléments insolubles en milieu basique de l'UF4 de départ comme Ce, Th, Yb, Y, Fe... Ce précipité a été ensuite traité en C par 59 kg de HNO3 à 53 %. Après filtration et lavage, il a été obtenu une solution impure de nitrate d'uranyle contenant 232 g/l d'uranium qui a été traité en E à contrecourant par une solution de tributylphosphate à 30 % dans du dodécane technique. Après réextraction à l'eau du solvant chargé, il a été obtenu une solution pure de ------------ ---------- --------- ---- ----- --- Rep.fig. S1 L3 82 S3 L6 L8 S4 Rep.fig. - ----- ---- -- -- -- -- -- -- -- - Produit UF4 solution insoluble insoluble solution solution précip. impur KF KOH HNO3 impure pure à UO2(NO3)2 UO2(NO3)2 NaOH Poids _________________________ ______ sec kig 22,5 20,50 3,83 1,65 hum.kg 27, 30 10,35 hlém.ks _ _ U kg 10,000 _ _ - - - - - _ _ __ _ _ _ _ _ - - - --__ __ _ _ _ _ nitrate d'uranyle et un raffinat d'extraction contenant les autres éléments. Ce raffinat d'extraction a été traité par de l'ammoniaque pour précipiter les éléments contenus Y, Ce, et terres rares sous une forme valorisable. Le bilan matière figurant dans le tableau Ce, Yb aux différentes étapes du procédé. 3 donne la répartition de U, Y, Th, Ce tableau montre que l'uranium contenu dans l'UF4 impur est valorisé sous forme d'une solution très pure de nitrate d'uranyle. L'emploi de quantités plus importantes de réactif KOH et HNO3 permet d'accroître la proportion de Y, Yb, Ce valorisables, le thorium étant éliminé en majeure partie dans l'insoluble obtenu après reprise à l'acide nitrique. --- ---------------------- --------------- --- ---------- Rep.fig. S L3 S2 S3 L6 L8 S4 Prod. UF4 solution insoluble insoluble solution solution préc impur KF à KOH à HNO3 impure pure à UO2(NO3)2 UO2(NO3)2 NH40H Poids ____________________________ _ - sec kg 2,020 2,060 hum. kg 26,700 6,540 Elémnent U kg 10,000 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - 0 - REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation des terres rares et de l'uranium d'un concentré d'UF4 et de leur valorisation. caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - attaquer I'UF4 avec de la potasse et séparer les hydroxydes d'uranium et de terres rares solides de la suspension ainsi obtenue, reprendre les hydroxydes avec de l'acide nitrique et séparer les insolubles constitués par le thorium et une partie des terres rares ainsi valorisées, - purifier la solution de nitrates au moyen d'un solvant organique de manière à en extraire le nitrate d'uranyle et à laisser les terres rares dans la phase aqueuse, - ajouter une base à la phase aqueuse pour précipiter le solde des terres rares sous forme d'hydroxydes valorisables. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'attaque de I'UF4 est réalisée avec une quantité de KOH comprise entre 1 et 3 fois la quantité stoechiométrique correspondant à la formation d'U(OH)4. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'attaque d'UF4 par la potasse s'effectue entre 70 et 110'C. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la reprise nitrique s'effectue de manière à garder une acidité libre supérieure à 0, 05 N. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le solvant organique est le tributylphosphate. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la base ajoutée choisie est l'ammoniaque. la soude, la potasse, la chaux.