Brevet FR2606671A1 — publié le 19880520

La présente invention a trait à un extracteur centrifuge à grande vitesse capable d'assurer une extraction liquide/liquide rapide par mise en oeuvre de la force centrifuge. L'extracteur centrifuge à grande vitesse convient particu- lièrement pour la séparation de l'uranium et du plutonium contenus dans du combustible nucléaire usé provenant de produits de fission nucléaire lors du retraitement du combustible usé par une méthode d'extraction au solvant (telle que procédé Purex), mais n'est pas particulièrement limité à ce seul domaine et peut être largement appliqué à l'extraction liquide/liquide portant sur un liquide lourd et un liquide léger. Une méthode de retraitement de combustible nucléaire usé par le procédé Purex comporte les étapes consistant à mettre une solution d'acide nitrique (liquide lourd) contenant de l'uranium, du plutonium et des produits de fission nucléaire en contact à contre- courant avec tributyl phosphate (désigné ci-après par le sigle "TBP") dilué avec une solution d'hydrocarbure (liquide léger) en tant que solvant d'extraction de l'uranium et du plutonium afin d'extraire l'uranium et le plutonium dans le TBP à partir de la solution d'acide nitrique, puis à mettee une fois encore ce TBP en contact à contre- courant avec une nouvelle solution d'acide nitrique diluée afin d'élimi- ner et de laver les produits de fission qui ont été extraits en faibles quantités dans le TBP, et à mettre encore ce TBP lavé en contact à contrecourant avec une solution d'acide nitrique diluée pour faire passer par extraction inverse l'uranium et le plutonium présents dans le TBP au sein de la solution d'acide nitrique diluée. Des extracteurs tels que mélangeur-décanteur, colonne pulsée et analogues servaient généralement aux traitements d'extraction, de lavage et d'extraction inverse décrits ci-dessus. Toutefois, dans le cas du mélangeur-décanteur, il faut assurer un temps de séjour suffisant parce qu'on a recours à la force de gravitation naturelle due à la différence de densités afin de séparer les deux liquides à l'intérieur de l'extracteur et, pour cette raison, le TBP constituant l'agent d'extraction est susceptible d'être endommagé par des rayons radioactifs. D'autre part, dans le cas de la colonne pulsée, on sait dans le métier que l'état de dispersion se détériore du fait de la mouillabilité de la plaque perforée disposée à l'intérieur de la colonne. Là résident les problèmes techniques à résoudre afin d'obtenir un haut facteur de décontamination et un régime de marche stable. En vue d'augmenter la capacité de traitement, il faut augmenter la superficie au sol pour le mélangeur-décanteur et augmenter le diamètre et la hauteur de la colonne pour la colonne pulsée. Ceci signifie qu'il faut augmenter la dimension hors-tout des extracteurs. On a récemment mis au point un extracteur centrifuge à grande vitesse en tant qu'appareil de nature à résoudre les problèmes posés par les extracteurs courants décrits ci-dessus. L'extracteur centrifuge à grande vitesse assure à force la séparation par la force centrifuge d'un mélange de liquide lourd et de liquide léger en le liquide lourd et le liquide léger et a la structure type représentée sur la figure 4 des dessins annexés. L'extracteur centrifuge à grande vitesse comprend fondamentalement une enveloppe 1 et un rotor cylindri- que 2 qui tourne à grande vitesse sous l'effet d'un arbre 3 à l'inté- rieur de l'enveloppe. Le liquidé lourd (tel que solution d'acide nitrique) et un liquide léger (tel que TBP faisant office d'agent d'extraction) arrivent dans une chambre de mélange 6 située en bas de l'enveloppe 1 à partir de tuyaux d'alimentation respectifs 4 et 5. Une fois ces liquides suffisamment mélangés à l'intérieur de la chambre de mélange 6 par une roue à pales 7 disposée à l'extrémité inférieure de l'arbre et tournant avec celui-ci, le mélange est intro- duit dans le rotor 2 par une ouverture centrale 9 ménagée dans la plaque d'extrémité inférieure 8 du rotor. Après nouvelle agitation du mélange entre la plaque d'extrémité de rotor 8 et une plaque déflec- trice 10, le liquide lourd, à plus forte densité, est séparé vers l'extérieur tandis que le liquide léger, à plus faible densité, est séparé vers l'intérieur par la force centrifuge s'exerçant sur la surface périphérique intérieure 2a du rotor, et les deux liquides montent sur cette surface intérieure. Des déversoirs de sélection 11 et 12 sont disposés en haut à l'incérieur du rotor 2 afin de séparer le liquide lourd et le liquide léger et de les extraire par leurs sorties respectives 13 et 14. Le déversoir 11 de sélection du liquide lourd présente un passage d'extraction de liquide lourd 11a qui débouche à l'extérieur de l'interface K entre la phase de liquide lourd extérieu- re et la phase de liquide léger intérieure, c'est-à-dire du côté de la phase de liquide lourd, et le liquide lourd traversant ce passage de soutirage 11a déborde en contournant une série de plaques-barrages 11b, 11c, 11d et est introduit dans la sortie de liquide lourd 13, puis évacué de là à partir d'un passage de sortie de liquide lourd 16 à travers une chambre de collecte de liquide lourd 15 (comme repré- senté par une flèche en trait plein sur le dessin). D'autre part, le déversoir de sélection de liquide léger 12 présente un passage d'attraction de liquide léger 12a qui débouche intérieurement à l'interface K entre la phase de liquide lourd et la phase de liquide léger, c'est-à-dire du côté de la phase de liquide léger, et le liquide léger débordant de ce passage de soutirage 12a pénètre dans une sortie de liquide léger 14, d'o il est évacué par un passage de sortie de liquide léger 18 à travers une chambre de collecte de liquide léger 17 (comme représenté par une flèche en traits interrompus sur le dessin). Attendu que l'extracteur centrifuge à grande vitesse sépare à force le liquide lourd et le liquide léger sous l'effet de la force centrifuge comme décrit ci-dessus, il offre les avantages suivants: (1) puisque le mélange est assuré en rotation à grande vitesse, le rendement d'extraction est élevé3 (2) puisque le temps de contact est extrêmement bref, l'endommagement de l'agent d'extraction par les rayons radio-actifs est minimal; (3) puisque la quantité de liquide séjournant à l'intérieur de l'extracteur est faible, la quantité de matières nucléaires et de matières radioactives retenues l'est aussi3 (4) la grandeur de l'extraction nécessaire pour assurer la même capacité de traitement que celui du type colonne pulsée ou mélangeur-décanteur courant est extrêmement faible; (5) le temps nécessaire pour parvenir à l'état d'équilibre opératoire est bref de sorte que le temps exigé par la mise en route et la mise à l'arrêt du traitement est extrêmement faible et *que la quantité de lessive perdue de ce fait est aussi extrêmement faible. Dans l'extracteur centrifuge du type décrit ci-dessus, une force centrifuge suffisante n'agit sur le mélange liquide introduit dans le cylindre du rotor 2 que si ce mélange liquide accompagne à grande vitesse la rotation de rotor. Par conséquent, dans l'extracteur centrifuge courant, une série de cloisons 19 sont disposées intérieure- ment et longitudinalement dans le rotor de manière à s'étendre radiale- ment depuis l'arbre 3 jusqu'à la surface périphérique intérieure 2a du rotor, pour diviser le cylindre de rotor en une série de chambres comme représenté- sur la figure 5 et pour éviter ainsi un patinage entre le liquide et la surface périphérique intérieure 2a du rotor. (Sur la figure 4, les cloisons 19 ne sont pas représentées). Toutefois, la série de cloisons 19 doit être fermement fixée entre l'arbre 3 et la surface périphérique intérieure 2a du rotor, par soudage ou analogue. Par conséquent, on ne peut procéder aisément au désassemblage et à l'examen à l'intérieur du rotor. Attendu que le rotor 2 tourne à grande vitesse, les cloisons 19 doivent être posées dans un état de bon équilibre et leur fabrication ainsi - que leur assemblage par technique d'usinage courant sont assez épineuses. Si le mélange de liquide lourd et de liquide léger introduit dans le rotor 2 contient des particules solides à densité supérieure à celle du liquide lourd, ces particules solides se déposent sur la surface périphérique intérieure 2a du rotor sous l'effet de la force centrifuge s'exerçant à l'intérieur du rotor. On ne peut éliminer aisément les particules solides ainsi déposées et, finalement, il faut remplacer l'ensemble du rotor. Le mélange de liquide lourd et de liquide léger qui est brassé dans la chambre de mélange 6 située à la partie inférieure de l'enveloppe 1 est introduit dans le rotor 2 sous l'effet de la pression exercée par la roue à pales 7, par l'ouverture centrale 9 de la plaque d'extrémité inférieure 8 du rotor et, lors de cette introduction, le mélange liquide est empêché de passer directement dans la partie supérieure du rotor par l'action de la plaque déflectrice 10. Toutefois, si la pression exercée par la roue à pales 7 est forte, le mélange liquide passe directement, en l'état, dans la partie supé- rieure du rotor sans subir la séparation, et la séparation effective entre le liquide lourd et le liquide léger sous l'action de la force centrifuge n'intervient pas. En vue de résoudre ces problèmes posés par l'extracteur centrifuge à grande vitesse courant décrit ci-dessus, la présente invention a donc pour but de réaliser un extracteur centrifuge à grande vitesse ayant une structure de nature à supprimer la nécessité d'interposer des cloisons pour empêcher le patinage entre la surface périphérique intérieure du rotor et le liquide lors de la rotation du rotor. Un autre but de la présente invention est de réaliser un extracteur centrifuge à grande vitesse qui ait une structure simple et se prête à être fabriqué et assemblé aisément. Un autre but encore de la présente invention est de réaliser un extracteur centrifuge à grande vitesse de nature à empêcher le dépôt de particules solides sur la surface périphérique intérieure du rotor même si le mélange liquide introduit dans le rotor contient des particules solides. L'invention a enfin pour but de réaliser un extracteur centrifuge à grande vitesse de nature à empêcher le passage direct du mélange de liquide lourd et de liquide léger dans la partie supérieu- re du rotor. Suivant la présente invention, il est prévu un extracteur centrifuge à grande vitesse du type dans lequel une entrée de mélange liquide d'un liquide lourd et d'un liquide léger est située en bas d'un rotor cylindrique tournant à grande vitesse, une sortie de liquide lourd et une sortie de liquide léger sont situées à la partie supérieure du rotor et un déversoir de sélection du liquide lourd ainsi qu'un déversoir de sélection du liquide léger sont situés à la partie supé- rieure du rotor afin de guider la phase de liquide lourd et la phase de liquide léger, séparées à l'intérieur du rotor par la force centrifu- ge, vers les sorties de liquide lourd et de liquide léger, respective- ment, caractérisé en ce qu'un trajet de liquide spiralé est défini à l'intérieur du rotor cylindrique de manière à s'étendre depuis l'entrée de mélange liquide jusqu'à déversoirs de sélection en sorte que le mélange liquide de liquides lourd et léger introduit par l'entrée de mélange liquide monte en tournant à l'intérieur du trajet de liquide spiralé. On peut définir le trajet de liquide spiralé sus-cité en vissant un arbre de rotor présentant une saillie spiralée dans une paroi cylindrique de rotor présentant une rainure spiralée dans sa surface périphérique intérieure. La structure de l'appareil selon la présente invention est en partie semblable à celle de l'extracteur centrifuge courant en ce que l'entrée de mélange liquide de liquide lourd et de liquide léger est située en bas du rotor cylindrique tournant à grande vitesse, que la sortie de liquide lourd et la sortie de liquide léger sont situées à la partie supérieure du rotor et que le déversoir de sélection de liquide lourd et le déversoir de sélection de liquide léger sont situés intérieurement dans la partie supérieure du rotor afin de faire parvenir la phase de liquide lourd extérieure et la phase de liquide léger intérieure aux sorties respectives. Un aspect important de la présente invention réside dans la structure interne du rotor cylindrique. En effet, les cloisons destinées à éviter un glissement entre la surface périphérique intérieu- re du rotor et le liquide, prévues dans l'appareil courant, ne sont pas disposées intérieurement et longitudinalement dans le rotor, mais le trajet de liquide spiralé est ménagé de manière à s'étendre depuis l'entrée de mélange liquide située en bas du rotor jusqu'aux- déversoirs de sélection supérieurs situés dans la partie haute du rotor. Le mélange liquide de liquides lourd et léger qui est introduit par l'entrée de mélange liquide à l'intérieur du rotor tournant à grande vitesse pénètre dans le trajet de liquide spiralé et monte le long de la surface périphérique intérieure du rotor en tournant à l'intérieur de ce trajet de liquide. Au cours de ce processus de rotation et de montée, le liquide lourd du mélange se sépare à l'extérieur tandis que le liquide léger se sépare à l'intérieur, sous l'effet de la force centrifuge, et les deux liquides atteignent la partie supérieure du rotor. La phase de liquide lourd ainsi séparée atteint la sortie de liquide lourd à travers le passage de soutirage de liquide lourd du déversoir de sélection de liquide lourd qui est disposé à la partie supérieure du rotor, de la même manière que dans l'appareil courant représenté sur la figure 4, tandis que la phase de liquide léger atteint la sortie de liquide léger à travers le passage de soutirage de liquide léger du déversoir pour la sélection du liquide léger. Comme décrit ci-dessus, le mélange liquide introduit dans le rotor monte en tournant à l'intérieur du trajet de liquide spiralé 40. La vitesse de rotation du rotor est fixée de manière à être supérieure à ce moment à la vitesse de mouvement rotatoire du liquide de façon qu'il y ait toujours patinage entre le liquide et la surface périphérique intérieure du rotor. Ainsi, même si le mélange liquide contient des particules solides, cellesci ne peuvent pas se déposer facilement sur la surface périphérique intérieure du rotor. Puisqu'il n'existe à l'intérieur du rotor aucun trajet de liquide vertical s'étendant depuis la partie inférieure jusqu'à la partie supérieure du rotor, le mélange liquide introduit, à partir de l'entrée de mélange liquide située à la base du rotor, par la pression de la roue à pales ne se trouve pas envoyé directement dans la partie supérieure du rotor. Les buts et aspects originaux ci-dessus de la présente invention, ainsi que d'autres, apparaîtront mieux d'après la description détaillée donnée ci-dessous d'une réalisation préférée de l'invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe longitudinale représentant une réalisation de la présente invention3 les figures 2 et 3 sont des vues en coupe longitudinale représentant respectivement une paroi cylindrique de rotor et un arbre qui constituent la partie principale du rotor de l'extracteur centrifuge à grande vitesse suivant la présente invention3 la figure 4 est une vue en coupe longitudinale représentant un exemple type d'extracteur centrifuge courant; et la figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne V-V de la figure 4. On va donner ci-après une description plus détaillée de la présente invention en se référant à une réalisation préférée présentée sur les figures 1 à 3. Sur ces figures, les pièces et éléments semblables sont désignés par les mêmes références numériques que ceux de l'appareil courant représenté sur la figure 4. La figure 1 est une vue en coupe schématique utile pour exposer la structure d'ensemble de l'extracteur centrifuge à grande vitesse suivant la présente invention. L'extracteur comporte essentiel- lement une enveloppe 1 et un rotor cylindrique 2 disposé intérieurement et coaxialement dans l'enveloppe 1, dans laquelle il tourillonne. Un arbre 30, entraîné en rotation à grande vitesse par un moyen d'en- traînement (non représenté) est disposé au centre du rotor 2 de façon que celui-ci tourne avec lui. L'arbre 30 pénètre dans une chambre de mélange 6, située à la partie inférieure de l'enveloppe 1, à travers une ouverture centrale 9 ménagée dans une plaque d'extrémité inférieure 8 du rotor, et une roue à pales 7 est fixée sur l'extrémité inférieure de l'arbre 30. Des déversoirs 11 et 12, pour la sélection du liquide lourd et du liquide léger respectivement, sont disposés à l'intérieur de la partie supérieure du rotor 2. Le déversoir à liquide lourd 11 présente un passage de soutirage de liquide lourd lla qui débouche latéralement dans la phase de liquide lourd H et communique avec une sortie de liquide lourd 13 par une série de barrages lib, 11c et 11d. D'autre part, le déversoir de liquide léger 12 présente un passage de soutirage de liquide léger 12a débouchant latéralement dans la phase légère L et communiquant avec une sortie de liquide léger 14. La base de l'enveloppe 1 est reliée à un tuyau d'amenée de liquide lourd 4 et à un tuyau d'amenée de liquide léger 5, et des passages de sortie de liquide lourd 16 et de liquide léger 18 sont prévus à la partie supérieure de l'enveloppe 1 et sont en communt- cation avec les sorties de liquide lourd 13 et de liquide léger 14 du rotor à travers des chambres annulaires de collecte de liquide lourd 15 et de liquide léger 17. La structure décrite ci-dessus est à peu près semblable à celle de l'appareil courant représenté sur la figure 4, mais l'appa- reil selon l'invention se différencie de l'appareil courant par la présence du trajet de liquide spiralé ménagé à l'intérieur du rotor. En d'autres termes, la partie principale du rotor selon la présente invention comporte une paroi cylindrique de rotor 20 telle que représentée sur la figure 2 et un arbre 30 à saillie spiralée 31 tel que représenté sur la figure 3. La paroi cylindrique de rotor représentée sur la figure 2 présente une rainure spiralée 21 ménagée dans sa surface périphérique intérieure et l'arbre 30 représenté sur la figure 3 comporte une saillie spiralée 31 de même pas et de même sens que la rainure spiralée 21 ménagée dans la surface périphéri- que intérieure de sa paroi cylindrique. Quand la saillie spiralée 31 est vissée dans la rainure spiralée 21, l'arbre 30 est encastré dans la paroi cylindrique 20 en une structure d'un seul tenant. C'est ainsi qu'on assemble la partie principale du rotor 2 représenté sur la figure 1. De cette manière, on ménage à l'intérieur du rotor 2 un trajet de liquide spiralé 40 à section carrée dont une des parois latérales est constituée par la surface périphérique intérieure 2a du rotor. La paroi cylindrique de rotor 20 et l'arbre 30 dotés de telles formes peuvent être fabriqués aisément par technique courante d'usinage de pas de vis. On va ensuite exposer le fonctionnement de l'extracteur centrifuge à grande vitesse ayant la structure décrite ci-dessus. Le liquide lourd (par exemple solution d'acide nitrique) et le liquide léger (par exemple TBP constituant l'agent d'extraction) arrivent à travers les tuyaux d'alimentation respectifs 4 et 5 dans la chambre de mélange 6 de l'enveloppe 1, puis y sont suffisamment mélangés par la roue à pales 7 et sont ensuite introduits dans le rotor 2 par l'ouverture centrale 9 de la plaque d'extrémité inférieure 8 du rotor. Le mélange liquide ainsi introduit dans le rotor atteint immédiatement le trajet de liquide spiralé 40 et monte le long de la surface périphérique intérieure 2a du rotor en tournant à l'intérieur de ce trajet. Au cours de cette montée, le mélange liquide se trouve séparé en la phase de liquide lourd extérieure H et la phase de liquide léger intérieure L. La phase de liquide lourd H ainsi séparée est prélevée par le passage de soutirage de liquide lourd lia du déversoir de liquide lourd 11, déborde en passant entre une série de plaques de barrage 11b, 11c et Ild, puis pénètre dans la chambre de collecte de liquide lourd 15 de l'enveloppe à travers la sortie de liquide lourd 13 et est ensuite extraite par le passage de sortie de liquide lourd 16. La phase de liquide léger L est séparée par le passage de soutirage de liquide léger 12a du déversoir de liquide léger 13, puis pénètre dans la chambre de collecte de liquide léger 17 de l'enve- loppe à travers la sortie de liquide léger 14 et est extraite par le passage de sortie de liquide léger 18. La représentation donnée sur les dessins de la structure de l'extracteur centrifuge à grande vitesse est simplement destinée à illustrer la description d'une réalisation préférée de la présente invention. Elle est donc dépourvue de tout caractère limitatif. Par exemple, la forme de l'enveloppe 1, le mode d'amenée des liquides lourd et léger à l'intérieur de l'enveloppe ou rotor 2, la structure des déversoirs 11, 12 de sélection des liquides lourd et léger, etc., ne sont pas nécessairement les mêmes que dans la réalisation représentée sur les dessins, et l'aspect caractéristique de la présente invention, selon lequel un trajet de liquide spiralé 40 est ménagé à l'intérieur du rotor, peut être appliqué à des extracteurs centrifuges de tous types pourvu qu'ils soient du genre dans lequel le mélange liquide des liquides lourd et léger arrivant à la base du rotor cylindrique qui tourne à grande vitesse est séparé en phases lourde et légère par la force centrifuge. Ainsi qu'on le conçoit d'après la description donnée ci-dessus4 la présente invention utilise une structure dans laquelle un trajet de liquide spiralé est ménagé à l'intérieur du rotor, et supprime la nécessité de prévoir des cloisons s'opposant au glissement du liquide suivant la longueur du rotor comme dans l'appareil courant. En conséquence, le mélange de liquides lourd et léger introduit dans le rotor est progressivement séparé en phase liquide lourde et phase liquide légère pendant qu'il parcourt en tournant et en montant le trajet de liquide spiralé. Par conséquent, puisque le liquide monte jusqu'à la partie supérieure du rotor et glissant sur la surface périphérique intérieure du rotor, les particules solides éventuellement contenues dans le liquide ne se déposent pas facilement sur cette surface. Donc, la présente invention supprime le problème posé par l'appareil courant: impossibilité d'éliminer les particules solides déposées et nécessité de remplacer l'ensemble du rotor. Puisqu'un trajet de liquide vertical allant de la partie basse à la partie haute de l'appareil courant n'est pas prévu à l'inté- rieur du rotor selon la présente invention, le mélange des liquides lourd et léger introduits par la base du rotor n'est jamais envoyé directement à la partie haute du rotor, ce qui le ferait échapper à la séparation effective de phases par la force centrifuge. De plus, on peut assembler avec une facilité relative le rotor cylindrique présentant intérieurement le trajet de liquide spiralé en vissant l'arbre muni de la saillie spiralée dans la paroi cylindrique de rotor présentant la rainure spiralée dans sa surface périphérique intérieure. Par conséquent, le rotor selon la présente invention a une structure plus simple et peut être fabriqué plus aisément que le rotor de l'appareil courant, et le désassemblage ainsi que l'examen du rotor peuvent être effectués plus facilement. Bien entendu, la description donnée de la réalisation préférée de la présente invention est dépourvue de tout caractère limitatif et l'on pourra adopter diverses modifications et variantes sans sortir, pour autant, du cadre de l'invention. l1 REVENDICATIONS 1. Extracteur centrifuge à grande vitesse du type dans lequel: une entrée de mélange de liquide lourd et de liquide léger est prévue à la base d'un rotor cylindrique (2) tournant à grande vitesse, une sortie de liquide lourd (13) et une sortie de liquide léger (18) sont situées à la partie supérieure du rotor; et un déver- soir de sélection du liquide lourd (11) ainsi qu'un déversoir de sélection du liquide léger (12) sont situés à la partie supérieure du rotor afin de guider la phase de liquide lourd et la phase de liquide léger, séparées à l'intérieur du rotor par la force centrifuge, vers les sorties de liquide lourd et de liquide léger, respectivement, caractérisé en ce qu'un trajet de liquide spiralé (40) est défini à l'intérieur du rotor cylindrique de manière à s'étendre depuis l'entrée de mélange liquide jusqu'auxdits déversoirs de sélection en sorte que le mélange liquide de liquides lourd et léger introduit par l'entrée de mélange liquide monte en tournant à l'intérieur du trajet de liquide spiralé. 2. Extracteur centrifuge à grande vitesse selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce qu'on définit le trajet de liquide spiralé (40) en vissant un arbre de rotor (30) présentant une saillie spiralée (31) dans une paroi cylindrique de rotor (20) présentant une rainure spiralée (21) dans sa paroi périphérique intérieure.