Brevet FR2670945A1 — publié le 19920626

PROCEDE DE FABRICATION DE PASTILLES COMBUSTIBLES NUCLEAIRES FRITTEES A PARTIR DE SOLUTIONS ET COMPORTANT UNE PRECIPITATION A L'AIDE DE PEROXYDE D'HYDROGENE EN MILIEU ACIDE DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé par étape d'obtention de pastilles combustibles nucléaires d'oxydes frittés de très bonne qualité (en particulier de très forte densité), du type Mx Oy, à partir de solutions contenant l'élément M qui est précipité à l'aide de péroxyde d'hydrogène en milieu acide. Dans tout ce qui est exposé M représente tous éléments ou mélanges d'éléments utilisés habituellement dans la confection des pastilles combustibles nucléaires et particulièrement tous les éléments fissiles ou fertiles, tels que U, Pu, Th, ou neutrophages, tels que Hf ETAT DE LA TECHNIQUE Les pastilles combustibles d'oxydes frittés Mx Oy sont généralement obtenues en partant de solutions aqueuses de sels solubles, par exemple nitrates, sulfates, d'un ou plusieurs éléments M, et en effectuant un procédé par étapes. Au cours de ce procédé, il est nécessaire de mettre le ou les éléments M sous forme solide pour obtenir "in fine" les oxydes frittés recherchés, par exemple les oxydes à base d'UO 2 ou d'un mélange UO 2,Pu O 2 La mise sous forme solide peut être obtenue par précipitation des éléments M à partir de la solution aqueuse Cette précipitation peut être effectuée par une base (par exemple soude, ammoniaque) mais elle conduit à un effluent liquide gênant qui est un sel alcalin dont le rejet pose des problèmes. C'est pourquoi il est connu et préférable d'opérer la précipitation à l'aide de peroxyde d'hydrogène pour obtenir comme sous produit un acide qui est recyclable, les éléments M se trouvant précipités sous la forme de peroxydes. Cependant, dans ce cas, la morphologie des particules obtenues est telle qu'au cours des étapes suivantes du procédé (séchage, calcination, réduction),les poudres intermédiaires d'oxydes obtenues sont souvent insuffisament fluides, des traitements de broyage et/ou de conditionnement particuliers (tamisage, granulation, adjuvants) étant alors nécessaires, et conduisent à des pastilles dont la densité frittée est insuffisante C'est pourquoi, il a été proposé d'opérer cette précipitation en milieu partiellement neutralisé, le p H étant alors maintenu entre 1 et 3,5 par addition d'une base, et dans des réacteurs de conception particulière (voir par exemple US US 4 152 395, US 4 271 127, FR 2 634 048) Les pastilles frittées ainsi obtenues sont satisfaisantes mais l'acide n'est pas recyclable et se trouve de nouveau en partie sous forme d'effluent de sel alcalin difficilement rejetable. Face à ces inconvénients, la demanderesse a recherché à précipiter les éléments M sous forme de peroxyde en milieu acide (non partiellement neutralisé) de façon à obtenir des poudres intermédiaires filtrables, conduisant après pressage et frittage sans traitement de conditionnement particulier, à des pastilles d'oxydes frittés de caractéristiques améliorées, ayant en particulier une densité suffisante pour une utilisation optimale en réacteur nucléaire Ainsi, la densité frittée doit être supérieure à 96 % de la densité théorique, c'est notamment le cas pour les pastilles à base d'U 02. Elle a aussi recherché un procédé dans lequel la totalité de l'acide sous-produit lors de la précipitation est recyclé. DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention est un procédé d'obtention de pastilles d'oxydes frittés Mx Oy, M représentant un ou plusieurs des métaux ou éléments utilisés dans la constitution de pastilles combustibles nucléaires, comportant: a) le traitement d'une solution initiale de sels solubles du ou des éléments M à l'aide de peroxyde d'hydrogène, la solution et le peroxyde étant appelés les réactifs, b) l'obtention d'un précipité de peroxydes en suspension dans des eaux-mères, c) une séparation dudit précipité d'avec les eaux-mères, d) un séchage, une calcination, puis éventuellement une réduction dudit précipité conduisant à des poudres intermédiaires d'oxydes, e) un pressage et un frittage de ladite poudre. lequel procédé permet d'obtenir directement des pastilles d'oxydes frittés de très forte densité en général supérieure à 96 % de la densité théorique et de qualité améliorée, tout en évitant des traitements particuliers de conditionnement desdites poudres intermédiaires d'oxydes, et est caractérisé en ce que dans ledit traitement (a) de précipitation on effectue une dispersion instantanée d'un réactif dans l'autre, pour obtenir un mélange homogène et une précipitation de germes également instantanés, les eaux-mères étant rapidement épuisées. Il est important de limiter le temps de contact entre le précipité obtenu et le ou les réactifs n'ayant pas encore réagi Ainsi, en opérant par apport continu des réactifs, la suspension obtenue est évacuée rapidement de la zone de réaction pour que les particules formées ne viennent pas en contact avec l'apport neuf de réactifs et notamment de la solution saline de sels solubles. Pour que le mélange des réactifs soit homogène à l'échelle microscopique, la réaction de précipitation se fait en général dans un volume le plus restreint possible ou confiné. Les sels solubles peuvent être des nitrates, sulfates, chlorures, carbonates et les solutions contiennent un ou plusieurs éléments M On préfère utiliser les nitrates et sulfates et plus spécialement les nitrates. Le procédé s'applique particulièrement bien aux solutions à base d'uranium, de provenance et de teneur en U 235 quelconques, seul ou en mélange avec d'autres éléments, par exemple Pu, Th, Hf etc Ces solutions sont en général acides. Il est préférable d'opérer avec au moins un des réactifs en solution concentrée Ainsi la concentration de l'élément M dans la solution de départ, en particulier U, est supérieure généralement à 150 g/l ou mieux à 300 g/l; la teneur en H 202 de la solution de peroxyde d'hydrogène peut alors être de seulement 30 % (poids). Mais on peut aussi utliser une solution de peroxyde d'hydrogène titrant jusqu'à 70 % ou plus de H 202 Il est très important que la quantité de peroxyde d'hydrogène soit en excès modéré par rapport à la stoechiométrie des réactions de précipitation, qui s'écrivent selon l'équation suivante ( dans le cas de la précipitation du nitrate d'uranyle à une température inférieure à 650 C): U 02 (NO 3)2 + 4 H 20 + H 202 U 04, 4 H 20 + 2 HN 03 à une température supérieure à 650 C, on obtiendrait U 04, 2 H 20. Cet excès est en général inférieur à 5 fois la stoechiométrie et de préférence inférieur à 2 fois ladite stoechiométrie. En général, la solution saline de départ est acide et le p H obtenu dans la suspension résultante est compris entre O et 0,5. Après obtention du précipité de peroxydes en suspension dans les eauxmères, celui-ci est filtré, au besoin en présence d'un floculant, par exemple anionique Il est ensuite séché puis calciné pour transformer le peroxyde en oxyde Ce dernier est ensuite réduit, par exemple en présente d'hydrogène à haute température, pour l'amener si nécessaire au degré d'oxydation désiré pour son utilisation comme pastille combustible. Dans le cas de l'uranium, la calcination conduit au stade UO 3 ou U 308 selon la température finale de ladite calcination, ces oxydes étant ensuite réduits à environ 6000-7000 C sous atmosphère d'azote et d'hydrogène pour obtenir U 02. L'oxyde, éventuellement réduit, est ensuite mis en forme par pressage et fritté selon les techniques propres à l'homme de métier. L'invention permet ainsi d'obtenir au cours de procédé des poudres solides intermédiaires qui se filtrent bien, voire très bien, même si l'utilisation d'agents floculants habituels est parfois intéressante. Ces poudres sont, une fois séchées ou calcinées, facilement coulables et manipulables sans traitement particulier de conditionnement (tels que broyage, tamisage, granulation) Elles conduisent à des pastilles d'oxydes crues de bonne solidité, améliorée par rapport à celle des pastilles de l'art antérieur obtenues en milieu acide; les pastilles frittées résultantes sont également améliorées, leur densité dépassant en général 96 % de la densité théorique. Le précipité de peroxydes obtenu selon l'invention a une très faible dispersion granulométrique et se présente sous la forme d'agglomérats de dimension unitaire généralement comprise entre 10 et 15 /lm; ils sont composés de fines particules élémentaires de forme ramassée plus ou moins sphéroidale, ayant par exemple un rapport longueur/diamètre ne dépassant pas environ 1 à 2 En comparaison, les précipitations effectuées par le peroxyde d'hydrogène en milieu acide (non partiellement neutralisé) selon l'art antérieur conduisent à des poudres constituées d'enchevêtrements complexes et difficiles à détruire, d'aiguilles allongées ayant généralement un rapport longueur/diamètre supérieur à 10 Ces poudres sont difficiles à fritter avec de bons résultats et dans le cas de l'uranium, on n'obtient pas habituellement de densités pastilles frittées supérieures à 93 % de la densité théorique; même en utilisant une pression de compactage très élevée, on a obtenu une densité qui est insuffisante pour un bon emploi comme combustible nucléaire. Le procédé de l'invention est de plus économique car il permet d'utiliser des solutions de départ concentrées et l'acide produit lors de la précipitation peut être intégralement recyclé, après éventuelle concentration, sans rejet d'effluent gênant. Tous types de réacteurs provoquant un mélange instantané homogène desdits réactifs, assurant l'épuisement rapide dedits réactifs et limitant le temps de contact des produits formés avec les réactifs neufs, conviennent bien, en particulier les réacteurs à jet. Les figures 1 et 2 illustrent des modes particuliers de réalisation de la précipitation selon l'invention Dans ces figures ( 1) représente le tube d'arrivée d'un des réactifs, par exemple la solution du peroxyde d'hydrogène. ( 2) représente le tube d'arrivée de l'autre réactif, par exemple la solution aqueuse d'un sel soluble de M. ( 3) représente le tube de sortie de la suspension de peroxyde de M dans les eaux-mères constituées d'une solution de l'acide sous-produit et de l'excès de peroxyde d'hydrogène. ( 4) représente le volume réduit o arrivent les réactifs et o se produit la dispersion instantanée d'un réactif dans l'autre, et la réaction de précipitation On voit que, selon l'invention, la solution de sel soluble est épuisée rapidement, que le précipité formé est aussitôt évacué en dehors de la zone de réaction à l'aide des eaux-mères rapidement épuisées, et qu'il n'y a pas dans le dit volume réduit la présence de germes préexistants quand les réactifs neufs y parviennent. EXEMPLE 1 Cet exemple illustre la difficulté d'obtenir des pastilles combustibles de propriétés satisfaisantes en utilisant une précipitation par le peroxyde d'hydrogène en milieu acide selon l'art antérieur. Pour cela, on a précipité l'uranium d'une solution de nitrate d'uranyle contenant 350 g U/l à l'aide d'eau oxygénée à 30 % (poids), les deux réactifs étant introduits simultanément dans un réacteur conventionel agité de 3 1. Le précipité obtenu a été filtré, lavé, calciné à 6500 C puis réduit à 600 C en présence d'hydrogène La poudre d'U 02 obtenue a une surface spécifique BET de 1,27 m 2/g et un rapport O = 2,02. U Le compactage sous forme de pastilles a été effectué à différentes pressions, les pressions les plus élevées étant en limite d'utilisation des outillages. Les pastilles crues obtenues ont ensuite été frittées à 1750 C atmosphère N 2 + H 2. sous On a alors mesuré la densité frittée des pastilles en % de la densité théorique (dth), et leur stabilité thermique évaluée par l'écart de densité obtenu après un cycle de refrittage à 1700 c, écart qui ne doit pas excéder 1 %. Les résultats sont les suivants: (M Pa) 290 360 450 660 Pression (bar) 2900 3600 4500 6600 densité crue 5,6 5,8 6,0 6,4 densité frittée (%dth)92,6 93,4 94,2 95,0 stabilité thermique (écart dth en %) 1,27 1,15 1,15 1,01 On voit que pour des pressions de compactage normales et des densités crues normales, les densités frittés obtenues sont nettement insuffisantes; il faut utiliser des pressions anormalement élevées pour augmenter lesdites densités frittées qui toutefois n'atteignent pas une valeur suffisante. Par ailleurs, la stabilité thermique est insuffisante. EXEMPLE 2 Cet exemple illustre l'invention. On a utilisé une solution de nitrate d'uranyle contenant 370 g U/l et 0, 5 N d'acidité libre, on a précipité l'uranium à l'aide d'une solution de peroxyde d'hydrogène contenant 21 % (poids) de H 202 dans un réacteur du type de celui de la figure 2. Le tube ( 1) d'alimentation en peroxyde d'hydrogène a un diamètre de 1 mm, le tube ( 2) d'alimentation en solution de nitrate d'uranyle a un diamètre de 4 mm au niveau de la zone de réaction ( 4) La longueur du tube située entre la zone ( 4) et l'extrémité ( 3) est de 150 mm. On a alimenté la solution de nitrate à raison de 400 cm 3/h et celle de peroxyde d'hydrogène à raison de 200 cm 3/h. On a opéré à 350 C et recueilli dans un récipient une suspension de U 04, 4 H 20 à raison de 200 g/h environ. La suspension a été ensuite filtrée après l'avoir légèrement diluée et additionnée de 1 /o d'un floculant AN 945 BPM de la Société FLOERGER. Le précipité a été séché à 500 C, puis calciné 4 h à 650 C pour obtenir un oxyde qui a été réduit à 700 C sous hydrogène. Il en est résulté une poudre de surface spécifique 2,1 m 2/g ayant une rapport O = 2,02 U Des pastilles crues ont été obtenues par compression sous 390 M Pa pour obtenir une densité crue de 5,9. Après frittage à 17500 C sous atmosphère N 2 + H 2, la densité frittée obtenue est de 96,6 % de la densité théorique, ce qui représente un résultat excellent, compte tenu par exemple des conditions d'obtention des pastilles crues peu contraignantes. De plus, la stabilité thermique est de 0,56 %, ce qui est une valeur normale pour les oxydes U 02 entrant habituellement dans la fabrication des combustibles nucléaires. REVENDICATIONS 1 Procédé d'obtention de pastilles d'oxydes frittés Mx Oy, M représentant un ou plusieurs des métaux ou éléments utilisés dans la constitution de pastilles combustibles nucléaires, comportant: a) le traitement d'une solution initiale de sels solubles du ou des éléments M à l'aide de peroxyde d'hydrogène, la solution et le peroxyde étant appelés les réactifs. b) l'obtention d'un précipité de peroxydes en suspension dans des eauxmères, c) une séparation dudit précipité d'avec les eaux-mères, d) un séchage, une calcination, puis éventuellement une réduction dudit précipité conduisant à des poudres intermédiaires d'oxydes, e) un pressage et un frittage de la dite poudre. lequel procédé permet d'obtenir directement des pastilles d'oxydes frittés de très forte densité en général supérieure à 96 % de la densité théorique et de qualité améliorée, tout en évitant des traitements particuliers de conditionnement desdites poudres intermédiaires d'oxydes, et est caractérisé en ce que dans ledit traitement (a) de précipitation on effectue une dispersion instantanée d'un réactif dans l'autre, pour obtenir un mélange homogène et une précipitation de germes également instantanés, les eaux-mères étant rapidement épuisées. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que M représente l'un a moins des métaux ou éléments utilisés dans les combustibles nucléaires, choisis parmi les éléments fissiles ou fertiles U, Pu, Th, et parmi les éléments neutrophages Hf. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que M représente l'uranium ou les mélanges à base d'uranium. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé il en ce que les sels solubles sont des nitrates ou sulfates. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'un au moins des réactifs est en solution concentrée. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la concentration de la solution initiale de sels solubles en éléments est supérieure à 150 g/l ou de préférence à 300 g/l. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la quantité de peroxyde d'hydrogène est ajouté en excès et que cet excès est inférieur à 5 fois, et de préférence 2 fois, la stoechiométrie des réactions de précipitation. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le temps de contact entre le précipité de peroxydes formé et les réactifs n'ayant pas encore réagi est limité. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le volume o se produit la réaction de précipitation est le plus restreint possible. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la précipitation est effectuée dans un réacteur à jet. 11 Précipité de peroxydes obtenu selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est constitué d'agglomérats de particules élementaires de forme plus ou moins sphéroldale dont le rapport longueur sur diamètre ne dépasse pas environ 2. 12 Précipité selon la revendication 11, caractérisé en ce que les agglomérats ont une dimension comprise entre 10 et 15 pm.