Brevet FR2615849A1 — publié le 19881202

PROCEDE DE PREPARATION DE FLUORURES DOUBLES D'URANIUM ET D'AMMONIUM OU D'UN METAL ALCALIN OU ALCALINO-TERREUX. L'invention concerne un procédé de préparation de fluorures doubles d'uranium et d'ammonium ou d'un métal alcalin ou alcalino-terreux. Les fluorures doubles d'uranium présentent, dans les industries nucléaires, diverses applications. Les fluorures doubles d'uranium, en particulier le fluorure double d'uranium et d'ammonium, sont utiles, notamment dans la fabrication industrielle du tétrafluorure d'ura- nium (UF4) qui permet d'aboutir au métal uranium par métallothermie. Par oxydation avec le fluor, l'UF4, obtenu à partir de fluorure double d'uranium, permet également de préparer l'hexafluorure d'uranium (UP6) nécessaire dans les industries d'enrichissement de l'uranium. Les fluorures doubles d'uranium trouvent également une application dans l'élaboration directe de l'uranium métal par métallothermie, notamment par calciothermie, ou par électrolyse en sels fondus. De ce fait, diverses méthodes ont été proposées pour la préparation de fluorures doubles d'uranium. Parmi celles-ci, le brevet France n 1,189,434, déposé le 2 janvier 1958 au nom de la Société Potasse & Engrais Chimiques, décrit un procédé de préparation de fluorures doubles d'uranium et d'un métal alcalin. Le procédé décrit dans- ce brevet comporte la réduction d'une solution de nitrate d'uranyle, additionnée de fluorure alcalin, au moyen de l'acide formique et de l'anhydride sulfureux à 90C, selon la réaction: U02(N03)2 + HCOOH + 2S02 + 5NaF -. UF4NaF + 2NaNO3 + 2NaHSO3 + C02 Ce procédé présente cependant l'inconvénient. d'introduire dans la réaction des ions étrangers hydrogéno-sulfites qui, d'une part, polluent le précipité de sel double d'uranium obtenu et d'autre part compliquent le traitement des eaux-mères. Il a été également proposé de préparer des sels doubles d'uranium et de métal alcalin par précipitation d'une solution de tétrachlorure d'uranium UC14, à l'aide d'une solution de fluorure alcalin (réf. ZACHARIASEN W.H., J. Am. Chem. Soc. 70, 2147-1948). Ce procédé présente cependant l'inconvénient de partir du composé UCl4 qui n'est pas un composé usuel du cycle de préparation de combustible nucléaire et qui ne peut être préparé que par plusieurs réactions successi- ves, par exemple: U207Na2+6HCl > 2U02C12 + 2NaCl + 3H20 U02C12 + SnC12 + 4HCl--> UCl4 + SnC14 + 2H20 (Katz and Rabinowitch. The Chemistry of Uranium, Natl. nucl. en. series VIII, t.5, 1951). Ce procédé présente également l'inconvénient d'entraîner une pollution complexe du précipité de sel double. La consommation d'HF est par ailleurs importan- te. Il est également connu que des précipités tels que UF5Na peuvent être précipités quantitativement à partir de solutions de nitrate d'uranyle (réf. TOLLEY W.B., Technical Information Service, Atomic Energy Commission, Washington D.C., 4500-1955), au moyen d'une réduction par un sel ferreux en présence d'ions F et Na+. Ce procédé présente cependant l'inconvénient d'entraîner une pollution importante du précipité en fer et de conduire à des déchets uranifères importants. De plus, le rendement n'est généralement pas bon. La réduction des sels d'uranium VI en sels d'uranium IV utilisée dans certains des procédés men- tionnés ci-dessus a été également utilisée dans des applications distinctes de la préparation des fluorures doubles et qui sont la préparation du tétrafluorure d'uranium UF4, ainsi que la réduction du plutonium. Il a été ainsi proposé dans la demande de brevet France n' 2 568 867 déposée le 5 juillet 1985, au nom de BRITISH NUCLEAR FUELS INC. de préparer du tétrafluorure d'uranium à partir d'une solution de fluoruresulfate d'uranyle réduit par électrolyse en fluorure-sulfate uraneux en présence d'acide sulfurique aqueux. Ce système présente cependant l'inconvénient d'avoir un rendement moyen, d'environ 60 %, dû très probablement à l'instabilité de l'uranium IV. Le brevet France n' 1 334 589, déposé le 23 juillet 1962 au nom du Comitato Nazionale per l'Energia Nucleare, décrit un procédé de préparation de nitrate uraneux obtenu par hydrogénation catalytique du nitrate d'uranyle et utilisable pour la réduction du plutonium. Les différents procédés décrits ci-dessus impli- quent l'emploi de réactifs qui génèrent des déchets contaminés en uranium et compliquent les opérations de lavage du sel double qui ne doit contenir que très peu d'impuretés, compte-tenu de son usage ultérieur. Aucun de ces procédés, à l'exception de celui décrit dans le brevet 1,189, 434, n'a fait l'objet de tentative d'exploitation industrielle du fait notamment des rendements faibles, des difficultés ou de l'impossi- bilité à industrialiser les étapes. L'objet de l'invention est de fournir un procédé de préparation de fluorures doubles d'uranium et d'ammonium, ou d'un métal alcalin ou alcalino-terreux remédiant en grande partie aux inconvénients de l'art antérieur et tout à fait industrialisable. Les recherches poursuivies par les Inventeurs dans ce domaine leur ont permis, en effet, de mettre au point un procédé de préparation de fluorures doubles d'uranium présentant notamment l'avantage d'être non polluant, et d'obtenir un fluorure double d'uranium exempt d'agent contaminant avec un rendement élevé. Un avantage supplémentaire de l'invention est que le procédé de préparation de fluorures doubles d'uranium dispense de l'introduction en solution de réactifs autre que l'agent fluorant et facilite ainsi le lavage du sel double obtenu et le traitement des eaux-mères de précipitation. Le procédé selon l'invention, de préparation de sel double d'uranium et d'ammonium ou d'un métal alcalin ou alcalino-terreux se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes: 1) la réduction catalytique par l'hydrogène, en présence d'ions H+, d'une solution d'un sel d'uranium (VI) soluble en une solution d'un sel d'uranium (IV) soluble, 2) la réaction du sel d'uranium (IV) obtenu à l'étape précédente avec des ions fluorures, en présence d'ions ammonium, alcalins ou alcalino-terreux, pour obtenir la précipitation du fluorure double d'uranium et d'ammonium ou d'un métal alcalin ou alcalino-terreux, 3) la récupération du susdit fluorure double sous forme de précipité. On constate de façon inattendue que la mise en oeuvre du procédé de l'invention conduit à un rendement global élevé en fluorure double d'uranium et d'ammonium ou de métal alcalin ou alcalino-terreux, malgré l'ins- tabilité réputée de l'uranium (IV). Le procédé selon l'invention comprend en tant que première étape, la réduction catalytique d'un sel d'uranium (VI) en un sel d'uranium (IV). Par sel d'uranium (VI), on entend dans ce qui précède et ce qui suit, un sel d'uranium à la valence +6. De la même façon, on entend par sel d'uranium (IV), un sel d'uranium à la valence +4. Les sels d'uranium (VI) utilisés selon le procédé de l'invention sont constitués par des sels solubles et les sels d'uranium (IV) obtenus à l'issue de l'étape de réduction catalytique sont également des sels solubles. A titre d'exemples non limitatifs, des sels solubles utilisables pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention comprennent le nitrate d'uranyle et le sulfate d'uranyle. Un sel particulièrement préféré est constitué par le nitrate d'uranyle, qui est le produit normalement issu de la purification de l'uranium naturel, ainsi que des opérations de retraitement des combustibles irra- diés. Les sels en solution mis en oeuvre dans le procédé de l'invention ont une concentration initiale d'environ 150 à environ 250 g/l. Selon l'invention, la réduction du sel d'uranium (VI) en sel d'uranium (IV) est réalisée en présence d'ions H+. Selon un mode de réalisation préféré de l'inven- tion, les ions H+ sont introduits sous forme d'acide. Avantageusement, l'acide utilisé est celui cor- respondant à l'anion du sel d'uranium à réduire, afin de ne pas introduire d'ions différents dans la réaction. Ainsi, il est préférable d'utiliser de l'acide nitrique lorsque le sel d'uranium (VI) est le nitrate d'uranyle et de l'acide sulfurique lorsque le sel d'uranium (VI) est du sulfate d'uranyle. Selon un mode de réalisation avantageux de l'in- vention, on utilise comme sel d'uranium (VI) une solu- tion de nitrate d'uranyle, en présence d'acide nitrique HNO3. La quantité d'acide à introduire dans la solu- tion de départ dépend de la concentration du sel d'ura- nyle, étant donné que la réaction de réduction nécessite deux moles d'ions H+ par mole d'uranium (VI). Dans le cas o l'on utilise du nitrate d'uranyle comme sel d'uranium (VI), la réduction catalytique con- somme deux moles d'acide nitrique par mole de nitrate d'uranyle à réduire. Avantageusement, la concentration en acide nitrique varie entre environ 0, 5 N et environ 5 N, une concentration trop importante en acide nitrique pouvant entrainer une décomposition du nitrate uraneux obtenu. Dans le cas o l'on utilise comme sel d'uranium (VI) du sulfate d'uranyle, la réduction catalytique con- somme une mole d'acide sulfurique par mole de sulfate d'uranyle convertie. Une concentration en acide sulfurique identique à celle utilisée avec de l'acide nitrique peut être uti- lisée. En ce qui concerne les catalyseurs appropriés pour la mise en oeuvre de l'invention, ils sont poten- tiellement constitués notamment par ceux à base de nickel, de platine ou de palladium, avantageusement dispersés sur un support. Des supports appropriés sont ceux présentant une bonne teneur mécanique, une bonne résistance aux acides utilisés, ainsi qu'une activité suffisante, pour obtenir le taux de conversion valentiel désiré sans entraîner la décomposition du sel utilisé. Les supports appropriés doivent également être tels qu'ils ne dénaturent pas les acides utilisés. A titre d'exemples non limitatifs de supports utilisables, on citera l'alumine et la silice. Dans l'exemple préféré de mise en oeuvre de l'invention o l'on utilise du nitrate d'uranyle comme sel d'uranium (VI), la réduction s'effectue selon la réaction: U02(N03)2 + 2HN03 + H2 ---> U(N03.)4 + 2H20 Dans le cas o l'on utilise le sulfate d'uranyle comme sel d'uranium (VI), la réduction du sel d'uranium (VI) en sel d'uranium (IV) peut s'écrire selon la réaction: U02(SO4) + H2504 + H2 ---> U(S04)2 + 2H20 Le procédé de l'invention est adapté aussi bien à un fonctionnement en continu, qu'à un fonctionnement en discontinu. Certains des sels d'uranium (IV) obtenus à la fin de la réduction, en particulier le nitrate uraneux, sont instables. Si cette instabilité n'est pas gênante dans le cas o le procédé de l'invention est mis en oeuvre de façon continue, il n'en va pas de même dans le - cas o le procédé de l'invention est mis en oeuvre'de façon discontinue. Dans ce dernier cas, le sel d'uranium (IV), en particulier le nitrate uraneux, peut être stabilisé de différentes façons. Par exemple, le stockage dans des cuves non-métalliques permet la conservation du nitrate uraneux pendant environ 3 ou 4 jours. Pour des durées de conservation plus importantes, le nitrate uraneux peut être stabilisé avec de l'hydrazine. Le procédé selon l'invention comprend une se- conde étape de précipitation conduisant à la formation de fluorure double d'uranium et d'ammonium, ou d'un métal alcalin ou alcalino-terreux. Selon l'invention, on fait réagir le sel d'uranium (IV) obtenu à l'étape de réduction avec des ions fluorures, en présence d'ions ammonium ou alcalins ou alcalino-terreux, pour obtenir la précipitation du fluorure double d'uranium et d'ammonium ou d'un métal alcalin ou alcalino-terreux. Comme fluorure double d'uranium, le fluorure double d'uranium et d'ammonium est avantageusement pré- paré selon le procédé de l'invention. Comme fluorure double d'uranium et d'un métal alcalin, les fluorures doubles d'uranium et de sodium, ou de potassium sont avantageusement préparés selon le procédé de l'invention. Comme fluorure double d'uranium et d'un métal alcalino-terreux, les fluorures doubles d'uranium et de calcium, ou de magnésium sont avantageusement préparés selon le procédé de l'invention. Selon une première variante, les ions fluorures et les ions ammonium, ou alcalins, ou alcalino-terreux sont introduits sous forme de fluorure d'ammonium ou de fluorure d'alcalin ou de fluorure d'alcalino-terreux, seuls ou en association avec l'acide fluorhydrique HF. Dans le cas o le sel d'uranium (IV) est sous forme de sulfate et o l'on introduit les-ions fluorures et ammonium sous forme de fluorure d'ammonium, la réaction de précipitation peut s'écrire: U(S04)2 + 5NH4F ---> UNH4F5 + 2(NH4)2S04 Dans le cas o le sel d'uranium (IV) est sous forme de nitrate, et o l'on introduit les ions fluoru- res et les ions ammonium sous forme de fluorure d'ammo- nium, la réaction de précipitation peut s'écrire: U(N03)4 + 5NH4F ---> UNH4F5 + 4NH4N03 Dans le cas o le sel d'uranium (IV) est sous forme de nitrate et o l'on introduit les ions fluorures et les ions ammonium sous forme de fluorure d'ammonium et d'acide fluorhydrique, la réaction de précipitation peut s'écrire: U(N03)4 + NH4F + 4HF -----> UNH F + 4HNO3 Dans le cas o le sel d'uranium (IV) est sous forme de sulfate et o l'on introduit les ions fluorures et ammonium sous forme de fluorure d'ammonium et d'acide fluorhydrique, la réaction de précipitation peut s'écri- re: U(S04)2 + NH4F + 4HF-----> UNH4F5 + 2H2 S04 Selon l'invention, la réaction de précipitation du fluorure double d'uranium à partir d'un sel d'uranium (IV) est effectuée dans des conditions voisines de la stoechiométrie. Il est important d'effectuer le procédé de l'in- vention dans des conditions voisines de la stoechiomé- trie vis-à-vis de l'ion ammonium, alcalin ou alcalino- terreux, sinon il y a précipitation d'UF4 et non de sel double dans le cas o il y a insuffisance d'ion ammo- nium, alcalin ou alcalino-terreux. Avantageusement, les réactifs, notamment les ions ammoniums, alcalins ou alcalino-terreux et les ions fluorures, sont introduits en léger excès, notamment d'environ 1 à environ 20 %, de préférence environ 5 % par rapport à la stoechiométrie, de façon à couvrir les fluctuations de la concentration et du débit en sel d'uranium (IV). Le fluorure d'ammonium, - respectivement le fluorure d'alcalin ou le fluorure d'alcalino-terreux, lorsqu'il est introduit seul, est avantageusement utilisé à une concentration initiale d'environ 200 à environ 400 g/l, à un débit tel que l'on ait un excès d'ions ammonium (respectivement alcalin ou alcalino- terreux) et d'ions fluorures susceptible de couvrir les fluctuations de la concentration et du débit en uranium (IV). Lorsque le fluorure d'ammonium, respectivement le fluorure d'alcalin ou le fluorure d'alcalino-terreux, est introduit en association avec HF, l'HF utilisé peut avoir les concentrations commerciales usuelles de 50 à 70 % en poids et le fluorure d'ammonium (respectivement le fluorure alcalin ou alcalino-terreux) est avantageu- sement utilisé à une concentration d'environ 200 à environ 400 g/l. Avantageusement, les ions fluorures sont in- troduits en excès par rapport à la stoechiométrie, nota- mment en excès d'environ 1 à environ 20 %, de préférence environ 5 % par rapport & l'uranium.afin, de compenser les éventuelles fluctuations de débit ou de concentra- tion d'uranium (IV). Il convient en outre de calculer cet excès en fonction du pH afin de tenir compte de l'équilibre de dissociation de HF suivant. la réaction: HFz: H+ + F io Selon une seconde variante de l'invention, les ions fluorures et les ions ammonium ou alcalins, ou alcalino-terreux sont introduits sous forme de mélange d'une base dont le cation correspond à l'ion ammonium, ou alcalin, ou alcalino-terreux souhaité et d'acide fluorohydrique. Une base préférée est l'ammoniaque. Dans le cas o l'on réduit le nitrate d'uranyle en nitrate uraneux, et o les ions ammonium et fluorures sont introduits sous forme d'ammoniaque et d'acide fluorhydrique, la réaction de précipation peut s'écrire: U(N03)4 + 5NH40H + 5HF ---> UNH4F5 + 4NH4N03 + 5H20 Dans le cas o le sel d'uranium (IV) est sous forme sulfate et o les ions ammonium et fluorures sont introduits sous forme d'ammoniaque et d'acide fluorhy- drique, la réaction de précipitation peut s'écrire: U(S04)2 + 5NH40H + 5HF ---> UNH4F5 + 2(NH4)2S04 + 5H20 De la même façon que précédemment, les réactifs' (ions ammonium, alcalin ou alcalino-terreux introduits sous forme d'une base et HF) sont introduits en excès (de l'ordre d'environ 1 & 20 %, de préférence environ %) par rapport à la stoehiométrie. La base est avantageusement utilisée à une concentration initiale d'environ 200 à environ 400 g/l et HF est avantageusement utilisé à une concentration initiale d'environ 50 à environ 70 % en poids. Selon une troisième variante de l'invention, les ions fluorures et les ions ammonium, ou alcalins, ou alcalino-terreux sont introduits sous forme d'un mélange de carbonate, ou de nitrate ou de sulfate, dont le cation associé correspond à l'ion ammonium, ou alcalin, ou alcalino-terreux souhaité et d'acide fluorhydrique. Un carbonate préféré est le carbonate d'ammo- nium. Dans le cas o le sel d'uranium (IV) est sous forme de nitrate et o l'on introduit les ions ammonium et fluorures sous forme de carbonate d'ammonium et d'acide fluorhydrique respectivement, la réaction de précipitation peut s'écrire: U(N03)4 + 5(NH4)2C03 + 5HF ---> UNH4F5 + 5CO2+ 4NH4NO3 2 2 + 5H20 Dans le cas o le sel d'uranium (IV) est sous forme de sulfate et o les ions ammonium fluorures sont -25 introduits sous forme de carbonate d'ammonium et d'acide _. 12- fluorhydrique respectivement, la réaction de précipita- tion peut s'écrire: U(S04)2 + 5 (NH4)2C03 + 5HF ---> UNH4F5 +fCO2+2(NH4) 2S04 2 2 + 5H20 Le carbonate est avantageusement utilisé à une concentration initiale d'environ 50 à environ 100 g/1 et HF est avantageusement utilisé à une concentration initiale d'environ 50 à environ 70 % en poids. De la même façon que précédemment, les réactifs (ions ammonium, alcalins ou alcalino-terreux introduits sous forme de nitrate, sulfate ou carbonate et HF) sont introduits en excès (de l'ordre d'environ I à 20 %, de préférence 5 %) par rapport à la stoechiométrie. Le choix du carbonate, respectivement du nitrate ou du sulfate sera fonction des différents phénomènes de compétition pouvant exister entre les différents ions uranium, alcalin ou alcalino-terreux présents dans la solution, ainsi qu'en fonction de leurs solubilités respectives. Le procédé selon l'invention permet la produc- tion de fluorures doubles d'uranium et d'ammonium ou d'un métal alcalin ou alcalino-terreux avec un rendement global supérieur à environ 95 % et pouvant atteindre une valeur supérieure à environ 99 %. Le procédé selon l'invention a généralement lieu à température ambiante. Il convient cependant pour des raisons de stabilité de ne pas travailler à une tempé- rature supérieure à environ 50'C. Des caractéristiques et avantages supplémen- taires de l'invention apparaîtront encore à la lumière de la description plus détaillée qui suit, d'un exemple préféré de mise en oeuvre de l'invention, appliqué à la préparation de fluorure double d'uranium et d'ammonium à 261-5849 partir de nitrate d'uranyle. Il va de soi que l'exemple donné ci-après n'est donné qu'à titre uniquement illustratif et n'entend limiter l'invention d'aucune manière. Procédé de préparation de f luorure double d'ura- nium et d'ammonium Une solution de nitrate d'uranyle (150 g/l) est réduite en continu dans un réacteur par un flux d'hydro- gène co-courant ou contre-courant en présence d'un cata- lyseur de réduction. La pression de travail est de 30 bars et là chaleur de réaction est évacuée par un système de refroidissement. Le catalyseur utilisé est du SPHEROSYL X04 400 disponible commercialement auprès de la.Société PROCATALYSE. L'acidité de la solution est ajustée avant la réaction à l'aide d'acide nitrique, pour arriver à un rapport HN03/U de 2,86. On travaille avec un excès d'hydrogène de 10 % par rapport à la stoechiométrie. La réduction du nitrate d'uranyle en nitrate uraneux se poursuit à la capacité de 12 kg/heure. Dans les conditions opératoires décrites ci- dessus, le rendement de la réduction est supérieur à 99 %. La solution de nitrate uraneux obtenue est déga- zée dans un séparateur à pression atmosphérique. L'hy- drogène en excès peut être détruit ou recylclé. La solution de nitrate uraneux est ensuite introduite dans un réacteur sous agitation contenant une solution de fluorure d'ammonium à 30 %. Un excès de fluorure d'ammonium (5 % par rapport à la stoechiométrie) est ajouté dans le but de faire face à des variations de même ordre que la teneur en uranium. En cas de fonctionnement en continu de l'instal- lation, le nitrate uraneux est introduit dans une cascade de réacteurs. Le précipité de fluorure double d'uranium et d'ammonium est ensuite filtré, lavé avec l'eau, HF, ou le fluorure d'ammonium et séché à une température va- riant d'environ 120' à envirion 150C. Dans des conditions opératoires décrites ci-des- sus, le rendement de la réaction de précipitation est supérieur à 99 %. / REVENDICATIONS 1. Procédé de production de fluorure double d'uranium et d'ammonium ou d'un métal alcalin ou alcali- no-terreux, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - la réduction-catalytique par l'hydrogène, en présence d'ions H+, d'une solution d'un sel d'uranium (VI) soluble en une solution d'un sel d'uranium (IV) soluble, - la réaction du sel d'uranium (IV) obtenu à l'étape précédente avec des ions fluorures, en présence d'ions ammonium, alcalin ou alcalino-terreux, pour obtenir la précipitation du fluorure double d'uranium et d'ammonium ou d'un métal alcalin ou alcalino-terreux, - la récupération du fluorure double sous forme de précipité. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sel d'uranium (VI) est choisi parmi le ni- trate d'uranyle, le sulfate d'uranyle. 3. Procédé de préparation selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce que les ions fluorures et les ions ammonium, ou alcalins, ou alcalino-terreux sont in- troduits sous forme de fluorure d'ammonium ou de fluorure d'alcalin ou de fluorures alcalino-terreux, seuls ou en asso- ciation avec HF, ou bien sous forme de mélange d'une base d'un nitrate ou d'un sulfate dont le cation associé correspond à l'ion ammonium, alcalin ou alcalino-terreux souhaité,.et d'HF, ou bien sous forme du mélange d'un carbonate, d'un ni- trate ou d'un sulfate dont le cation associé correspond à l'ion ammonium, alcalin ou alcalino-terreux souhaité et d'HF. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - la réduction catalytique par l'hydrogène d'une solution de nitrate d'uranyle (VI) en nitrate uraneux (IV) soluble en présence d'acide nitrique, - la réaction du nitrate uraneux (IV) obtenu à l'étape précédente avec des ions fluorures, en présence d'ions ammonium, les ions fluorure et ammonium étant introduits sous forme de fluorure d'ammonium, pour obtenir du fluorure double d'uranium et d'ammonium, - la récupération du fluorure double d'uranium et d'ammonium, sous forme de précipité. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la réduction catalytique se fait en présence de l'acide correspondant à l'anion du sel d'uranium à réduire, notamment l'acide nitrique, l'acide sulfurique. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le catalyseur est à base de plati- ne, de palladium ou de nickel avantageusement dispersé sur un support, constitué notamment par de la silice ou de l'alumine.