Brevet FR2626785A1 — publié le 19890811

La présents invention se rapporte à un procéoé qui permet de séparer les isotopes de l'uranium (235U et 238U) à partir du composé gazeux constitué par l'hexefluorure d'uranium UF6 D'une Façon générale, le procédeé objet de l'invention se rattachs aux procédés connus de séparation des isotapes dans un milieu gazeux par irradiation de -ce milieu ê l'aide d'un rayonnement laser de façon à ex citer sélectivement par absorption de lumière monochromatique les molécules ou les atomes contenant l'un des isotopes que l'on désire séparer. Caci est réalisé de façon classique en réglant l'énergie des photons émis par le laser de façon à ce qu'elle corresponde à une transition entre deux niveaux énergétiques de l'isotope de l'espèce chimique dont on désire effectuer l'excitation sélective.Les composés isotopiques (atomes ou molécules) ainsi ex cités de feçon préférentielle sont ensuite séparés du reste de la masse gazeuse par tout moyen classique connu, physique ou chimique, tel que par exemple la spectrographie de masse, les réactions chimiques avec un composé auxiliaire, l'utilisation des effets de la pression de radiation, etc... Il suffit par conséquent pour pouvoir réaliser de telles séparations isotopiques que les corps sur lesquels on travail le presentent un spectre d'absorption tel ue la différence d'énergie entre -deux niveaux corresponde exactement & l'éner- gie. des photons émis par un laser. Dans le cas particulier de l'hexafluorure d'uranium ouquel s'applique exolusivement la présente invention, une telle irradiation sélective peut être effectuée à l'aide d'un rayonnement infrarouge correspondant à la fréquence de la transition v3. si l'on se rapporte à la figure 1 qui repré sente le spectre d'absorption dans l'infrarouge de l'hexafluorure d'uranium UF6 en fonction du nombre d'ondes exprimé en cm-1 , on voit la transition v3 entourée dans la circonférence A, transition qui se situe entre 625 et 629 cm-1.On a déjà cherché à utiliser cette transition v3-pour réaliser une absorption ifrarouge provoquant une excitation sélective de la molécule 235UF6 en vue de la séparer des molécules 238UF6, mais à la température ambiante et avec des lasers de résolu tion movenne, on observe un chevauchement important entre les spectres qui sont dus eux molécules des deux variétés isotopiques précédentes, ce qui conduit 4 une séleotivite (rapport des sections effioaces o235/o238 égal au maximum à 1,6 à la température ambiante. Cette valeur de la sélecti vité est trop faible pour obtenir une séparation isotopique utilisable industriellement. On a déjà songé, pour augmenter la sélectivité pré cédente, a travailler- non plus sur le gaz Us 1 l'équilibre thermodynamique, mais sur ce meme gaz refroidi de façon tran sitoire au cours d'une détente adiabatique. Cette méthode, qui parmettait théoriquement d'obtenir une sélectivité sensi blement augmentée, et ait simple dans son principe mais condui- s.ait rapidement a d'énormes complioattons dès lors que l'on youlait la mettre en pratique dans une réalisation de type industriel. La présente invention a précisément pour objet un procédé de séparation des isotopes de l'uranium a partir de l'hexafluorure d'urenium UF6 qui permet d'obtenir une sélecti vite et par conséquent un rendement beaucoup plus grands que les méthodes précédentes à l'aide d'un appareillage relative ment facile à mettre en oeuvre. Ce procédé du type de celui qui comporte de façon connue une excitation sélective des molécules d'hexafluorure UF6 par une lumière laser suivie d'une séparation par tout moyen physique ou chimique, se caractérise en ce que la lu mière utilisée est celle d'au moins un laser émettant- dans l'infrarouge, avec une finesse spectrale de l'ordre du mil lième de 4 et accordable en fréquence sur l'une des fré- quences va, vb, bc, vd, et ve correspondant aux têtes des sous-branches QA, QB, QC, QD et QE de la branche Q de latransi tion v3 de la molécule 235UF6 dans l'état vibrationnel fondamental} l'excitation photonique sélective étant prati- quée à basse température, voisine de - 70 C comme on le- voit par conséquent, le procédé objet de la présente invention, tout an conservant les avantages d'un fonctionnement à basse température, permet d'obtenir une augementation de la sélectivité de l'absorption d'UF. en utilisant un rayonnement particulièrement monochromatique A cet effet on a recours b au moins un laser dont un laser infrarouge dont la finesse spectrale est de l'ordre du mK (millième de cm-1 ou 30 MHz) en quelques points du spectre sux-mêmes définis au mK près.De façon plus précise, on utilise un laser infrarouge accordable sur l'une des fréquences va, vb, vc, vd et ve qui correspondent chacune aux têtes des sous-branches QA, QB, QC, QD et QE de la branche Q de la transition v3 de la molécule 235UF6 en l'état vibrationnel fondamental. On doit noter ici une différence fondamentale entre. la procédé objet de l'invention et ceux de l'art antérieur, qui feit bien ressortir l'originalité de l'invention et qui est la suivante. De façon courante, on a essayé jusqu'ici d'augmenter le rendement de la séparation,isotopique par laser en ayant recours 9 des lasers de puissances de plus en plus grandes et à sélectivité relativement faible , l'originalité profonde du procédé objet de l'invention réside dans le fait q-o 'il utilise, eu contraire, un laser de faible puissance, mats de grande sélectivité, permettant l'accord sur des fréquences très pré cises. Si l'on se reporte en effet b la figure 2 sur laquelle on a tracé la portion du spectre d'absorption de l'UF6 correspondant à la région de 627, 628 cm-1 anec une résolution de 0,001 cm-1, on a fait apparaitre d'une manière nouvelle que la transition va Cportion encerclée en A sur la figure ilse divise a ze degré de résolution en un certain nombre de transitions indépendantes et de fréquences va, vb, vc, vd et ve, La position des fré quences Va vb, V01 vd et Me ne dépend pas de la température, mais bien entendu la valeur des absorptions correspondantes en dépend en ce sens que la sélectivité augmente lorsque la température diminue. C'est pourquoi dans la procédé ohjet de l'invention, on opère également à la température la plus basse possible compte tenu de la pression de vapeur saturante du composé UF6, c'est-à-dire à une température voisine de -70 C. Pour déterminer telles des raies v3 oui sont utilisables, on effectue un balayage du spectre à partir de 627 cm-1 dans le -sens des fréquences croissantes avec un laser dont la résolution est supérieure ou égale à 1 mK. Les premières raies rencontrées sont celles de l'isotope 238, les raies de l'isotopes 235 effeotivement utilisées sont rencontrées ensuite aveo un décalage isotopique d'environ 0,6 cm-1 et présentent une structure analogue à celles des raies de l'isotope 238 représenté sur la figure. Selon un mode préféré de en oeuvre de l'invention, la séparation des molécules excitées est obtenue par réaction chimique préférentielle desdites molécoles avec un réactif auxilfaire gazeux introduit dans l'hexafluorure juste ayant l'irradiation lumineuse. De préférence, ce réactif gazeux est constitué, à titre non limitatif, par l'oxychlo- rure de soufre SOCl2 ou l'anhydride sulfureux H2S. Dans un autre mode de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, l'excitation sélective est accompagnée d'une dissociation multiphotonique à deux photons infrarouge, Dans ne dernier mode de mise en oeuvre, an peut avantageusement Utiliser deux lasers infrarou;e; distincts, dont le premier est accordabie sur l'une des fréquences va, vb, vc, vd ou ve et dont l'autre est décalé en fréquence. Dans un troislème mode de mise an oeuvre du procédé objet de l'invention, l'excitation sélective des moléoules 235 UF6 est effectuée par deux lasers distincts, dont le pre- mier émet dans l'infrarouge sur l'une des fréquences va, vb, vc, vd, ve et dont la second émet dans l'ultraviolet. De toute façon, l'invention sera mieux comprise ê la lecture qui suit de la description de trois exemple de mise en oeuvre du prooédé de séparation des isotopes de l'uranium, Cette description sera faite å titre non limitatif en se référant pour le premier exemple de mise en oeuvre e la ' figure 3 qui montre de façon schématique une cellule de se- paration telle qu'utilisée. flans le premier mode de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, la séparation isotopique proprement dite est réalisée par réaction chimique du gaz hexafluorure avec un réactif Pour ce faire, on mélange juste avant l'ir- radiation laser, l'hexafluorure d'uranium avec un réactif qui peut être par exemple de l'oxychlorure de soufre SOCl2 ou de l'anbydride sulfureux H2S. Le composé réactif précédent est choisi de façon telle que sa vitesse de réaction sur l'UF6 soit fortement accélérée par l'excitation sélective à l'infrarouge de la vibration v3. Sur la figure 3, an voit la cellule ff de forme générale allongée et fermée d'un o5té par une ouverture 2 transparente au rayonnement infrarouge 3 qui pénètre dans la celluls 1 selon l'axe de celle-ci Deux ouvertures latérales en tête du dispositif sont prévues respectivement en 4 pour l'introduction de l'UF6 et en 5 pour l'introduction du réactif chimique.Un orifice de sortie 6 permet une évacuation de produits de la réaction, par exemple de produits non intéressants sous forme gazeuse 1 l'ensemble est complété par un dispositif de refroidissement 7 d'un type en soi connu qui entoure la cellule 1 et lui assure une température aussi homogène que possible, voisine de -70 C. Généralement, le réactif chimique auxiliaire est choisi tel que les produits de la réaction appartiennent à deux phases distinctes, l'une gazeuse et l'autre liquide au solide, l'une des deux étant précisément la phase enrichie que l'on souhaite reoueillir. Le laser infrarouge utilisé dans l'exemple de la figure 3 peut fonctionner soit en continu, soit en régime impulsionnel a dans le cas d'un régime continu on peut utili- ser avantageusement un laser constitué de diodes PbSnTe qui émettent un rayonnement infrarouge parfaitement accordable avec une puissance de 0,1 à 0,5 mW.En utilisant une batterie composée d'une vingtaine de ces diodes, an dispose d'une- puis- sance infrarouge totale de l'ordre de 10 mW, ce qui permet d'obtenir une sélectivité de 5. En partant d'un mélange gazeux naturel d'UF6, on obtient ainsi environ 1g/h d'uranium enrichi à 3,5% en 235U. flans le deuxième exemple de mise en beuvre du dé objet de l'invention, on fait appel à une dissociation mmlti photonique a deux photons infrarouge de la molécule 235UF. Il est avantageux pour ce mode de mise en oeuvre, de disposer de deux lasers infrarouge, dont l'un est a haute résolution et doit être accordé conformément à l'invention sur l'une des fréquences va, vb, vc, vd et ve et dont l'autre, non nécessairement accordable est légèrement de calée en frequenoe. Dans ce cas, les deux lasers fonctionnent en ampulsuions avec des énergies de l'ordre de 1 a 10 mJ pour le premier et de 500 à 1000 mJ pour le second.A titre d'exemple non limitatif, on peut constituer le premier laser par une chaine YAG + OPO associée à un cristai mélangeur, soit par une channe laser au verre néodyme faisant appel a l'effet Roman stimulé dans l'hydrogène et l'azote. Le second laser peut étre constitué par un laser CO2 à excitation électronique par décharge transverse (laser TEA), soit par un laser CO2 de même nature utilisé pour exciter a son tour un laser à CF4. Le gaz UF6 peut étre utilisé pur ou mélangé 3 un réactif chimique auxiliaire comme dans l'exemple drécédent. On poursuit l'opération des tirs d'impulsions laser jusqu'à ce qu'une fraction raisonnable de l'isotope intéressant ait réagi sur le réaotif. Avec un laser de 10 mJ et une fréquence de tir de I coup/s, on obtient environ ainsi, en partant du gaz UF6 naturel, 1 g/heure d'uranium enrichi à 3,5% en 235U. Dans un troisième mode de mise en oeuvre du procédé chjet de l'invention, on réalise l'excitation sélective des moléoules 235UF6 par deux lasers distinots dont le premier, du type à haute résolution de l'ordre du millière de cm-1 est accordé sur l'une des fréquences ME, vb, vc, vd et se de la trensition v3 de l'UF6 et dont le second émet dans l'ultrayiolet. Le mode opératoire est toujours le même en ce sens que l'UF6 pur ou mélangé à un réactif est refroidi dans une cellule à -70 C pour être irradié simultanément avec des photons infrarouge et des photons ultraviolet. Le laser' infra- rouge utilisé peut être notamment Bu mFme type que celui du mode de mise en oeuvre précédent (chaîne YAG + OPO + cristal mélangeur, soit laser au néodyme +' effet Ramen stimulé dans l'hydrogène et l'azote). Le laser ultraviolet peut être, par exemple, un las-er a colorant pompé par un laser à azotes ou un laser A XeF. Les deux lasers fonctionnent en impulsions. soit synchrones, soit légèrement décalées dns le temps. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation isotopique des moléoules 235UF6 et 238UF6 du gaz hexafluorure d'uranium comportant de façon connue une excitation sélective des molécules de ce gaz par une lumière laser, suivie d'une séparation par tout moyen physique et/ou chimique, caractérisé en ce que la lumière utilisée est celle d'au moins un laser émettant dans l'infrarouge, ayec une finesse spectrale de l'ordre du millième de cm-1 et accordable en fréquence sur l'une des fréquences va, vb, vc, vd et ve corrspondant aux têtes des sous-branches QA, QB, QC, QD et QE de labranche Q de la transition v3 de la molécule 235UF6 dans l'état vibrationnel fondamental, l'excitation photonlque sélective étant pratiquée à basse température, voisine de -70 C. 2. Procédé de séparation isotopique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la séparation des molécules excitées est chtenue par réaction chimique préférentielle des dites molécules avec Un réactif auxiliaire gazeux introduit dans l'hexafluorure juste avant l'irradiation lumineuse. 3. Procédé de séparation isotopique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la réactif auxiliaire gazeux est choisi dans le groupe comprenant l'oxychlorure de soufre SOCl2 et l'anhydride sulfureux SH2. 4. Procédé de séparation isotopique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'excitation sélective est acnompagnée d'une dissociation multiphotonique à deux photons infrarouge. 5. Procédé de séparation isotopique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les photons infrarouge sont émis par deux lasers distiots, dont le premier est accordable sur l'une des fréquences va, vb, bc, bd ou ve et dont l'autre est décalé en fréquence. 6. Procédé de séparation isotopique selon la revendi dation 1, caractérisé en ce que l'excitation sélective des molécules 235UF6 est effectuée par deux lasers distincts, dont la premier émettant dans l'infrarouge est accourdé sur l'une des fréquences va, vb, vc, vd ou ve et dont le second émet dans l'ultraviolet.