Brevet FR2666099A1 — publié le 19920228

La présente invention concerne un procédé pour pro- duire un alliage d'uranium, ainsi qu'un appareil pour la mise en oeuvre du procédé Plus particulièrement, le pro- cédé et l'appareil concernent l'électrolyse d'un composé d'uranium dans un électrolyte formé par du ou des sels fondus. On sait que de l'uranium nominalement pur peut être produit par l'électrolyse d'un composé convenable d'ura- nium, comme UF 4, UC 13 U 02, dissous dans un électrolyte formé par un ou des sels fondus, comme des mélanges d'halo- génures de baryum, de magnésium, de calcium, de lithium, de sodium et de potassium Les systèmes établis dans ce but fonctionnent à des températures très élevées (environ 1 200 OC) pour produire de l'uranium sous forme d'un liquide, ou bien ils produisent de l'uranium sous forme de dépôts solides ce qui soulève par conséquent des diffi- cultés de manutention. Selon un aspect de la présente invention, celle-ci fournit un procédé pour produire un alliage d'uranium, le procédé comprenant l'électrolyse d'un composé d'uranium dans un électrolyte formé par des sels fondus, dans une cellule d'électrolyse comportant une anode et une cathode, un composant d'alliage étant ajouté pour former un alliage liquide avec l'uranium produit, de façon à abaisser la température de fonctionnement de la cellule. De préférence, le composant d'alliage comprend du chrome, du cobalt, du fer, du manganèse, du mercure, du nickel ou du silicium, ou des mélanges de ces éléments. Le composant d'alliage peut être ajouté sous forme d'un liquide, sous forme de granules, sous forme de parties "discrètes" ou séparées, ou sous forme d'un élément allongé contenant ce composant, et il peut être ajouté dans la cellule, ou bien à l'extérieur de la cellule, à de l'alliage liquide d'uranium provenant de la cellule et qui est ensuite recyclé vers la cellule L'élément allongé peut être maintenu cathodique par rapport à l'électrolyte, mais à un potentiel qui peut être différent du potentiel de la cathode. Selon un autre aspect, l'invention fournit un appa- reil pour produire un alliage d'uranium, l'appareil com- prenant une cellule d'électrolyse ayant une anode et une cathode p-our l'électrolyse d'un électrolyte formé par des sels fondus, ainsi qu'un moyen ou dispositif pour alimenter en un composant d'alliage l'uranium produit dans la cellule. Le dispositif d'alimentation peut comprendre un moyen pour décharger des parties liquides ou granulaires ou séparées dudit composant d'alliage, ou pour introduire ce composant d'alliage sous forme d'un élément allongé. Le dispositif d'alimentation peut être situé de façon à assurer une alimentation pénétrant dans la cellule. En variante, le dispositif d'alimentation peut être situé à l'extérieur de la cellule, dans une chambre dans laquelle l'uranium liquide, produit dans la cellule, est envoyé avec le composant d'alliage précédemment ajouté et l'ensemble est ensuite renvoyé vers la cellule. L'anode de la cellule peut être disposée de façon à tourner et/ou à effectuer un mouvement de translation pour contribuer au mélange du composant d'alliage et de l'ura- nium liquide L'élément allongé peut être disposé de façon à être maintenu cathodique par rapport à l'électrolyte, et il peut être maintenu à un potentiel qui peut être diffé- rent du potentiel de la cathode L'un des avantages de l'invention est que l'on peut faire fonctionner la cellule à une température plus basse tout en maintenant la commo- dité et l'avantage de l'obtention d'un produit liquide. Cela est destiné à présenter la possibilité de choisir dans une gamme plus large les matériaux à utiliser pour la cons- truction de la cellule, et de diminuer les exigences de chauffage de la cellule Un autre avantage est que l'alliage d'uranium est produit directement, plutôt que d'exiger une étape séparée de formation d'alliage. L'invention va maintenant être décrite de manière plus détaillée, à titre d'exemple seulement, en référence au dessin d'accompagnement, sur lequel: la figure 1 montre une représentation schématique en coupe d'une cellule d'électrolyse pour la production d'un alliage d'uranium, et la figure 2 montre une représentation schématique comprenant une cellule pour la production d'un alliage d'uranium. En se référant maintenant à la figure 1, on voit une cellule 10 d'électrolyse comportant une base 11, qui sert de cathode et un orifice 13 de décharge pour la production d'uranium 14 liquide à partir d'un composé d'uranium tel que UF 4, U C 13 ou bien UO 2, dissous dans un électrolyte 16 formé par des sels fondus comme des mélanges de fluorures de baryum, de magnésium, de calcium, de lithium, de sodium ou de potassium La cellule 10 est agencée de façon à être chauffée à l'aide d'un dispositif de chauffage (non repré- senté) Un dispositif 18 d'alimentation est agencé de manière à introduire dans la cellule 10, à un débit ou à une vitesse réglé(e) une barre 20 d'une matière pouvant former un composant d'alliage de l'uranium 14 liquide, par exemple une barre verticale contenant au moins un élément choisi parmi le chrome, le cobalt, le fer, le manganèse, le mercure, le nickel, le silicium Une anode 22 en carbone (ou en charbon) est disposée dans la cellule 10 et elle peut être mise en rotation, comme représenté, pour créer une agitation de l'électrolyte 16 et de l'uranium 14 liquide dans la cellule 10 La barre 20 est maintenue de façon à délimiter un intervalle 24 entre elle et l'uranium 14 liquideet elle est maintenue cathodique par rapport à l'électrolyte 16, à une tension négative supérieure à la tension cathodique de la base 11. En service, la cellule 10 est chauffée jusqu'au voisinage de 1 200 O C et on lui applique un potentiel élec- trique De l'uranium liquide est libéré dans la cellule 10 à la base 11, et du fluor gazeux est libéré à l'anode 22, o le fluor réagit avec l'anode 22 en carbone pour former CF 4, qui s'échappe de la cellule 10 L'uranium déposé sur la base 11 forme une couche liquide De l'uranium se dépose également sur la barre 20 o il forme l'alliage d'uranium respectif, qui tombe goutte à goutte dans l'uranium liquide 14 se trouvant sur la base 11 Le produit uranium liquide/alliage d'uranium est déchargé par l'orifice 13. La présence du composant d'alliage dans l'uranium 14 liquide en abaisse le point de fusion, de sorte que l'on peut faire fonctionner la cellule à une température plus basse (par exemple au voisinage de 900 'C) Cette température peut être obtenue en partie grâce à des pertes d'énergie électrique dans la cellule 10 et en partie grâce à l'utili- sation d'un dispositif de chauffage On peut introduire dans la cellule 10 l'alliage d'uranium ou le composant d'alliage, avant le démarrage, s'il n'y a pas d'alliage résiduel d'uranium dans la cellule 10, de façon à faire fonctionner la cellule à la température inférieure. On peut modifier la tension électrique appliquée à la barre 20 Plus la barre 20 est cathodique par rapport à l'électrolyte 16, plus grande est la quantité d'uranium déposée sur cette barre 20 pour réagir avec elle. La barre 20 peut être prolongée de manière à être partiellement immergée dans l'uranium 14 liquide à la base 11, et elle est au même potentiel cathodique que l'uranium liquide 14. Au lieu d'utiliser une barre 20 formée par le compo- sant d'alliage, ce composant peut être introduit, sous forme pulvérulente ou granulaire ou sous forme de petits morceaux séparés, dans la cellule 10 pour s'allier à l'ura- nium 14 liquide. Dans un autre agencement représenté sur la figure 2, une cellule 28 traditionnelle d'électrolyse est disposée de façon à faire partie d'une boucle 30 de circulation compre- nant une chambre 32 de mélangeage de l'uranium liquide/alliage d'uranium provenant de la cellule 28 Un conduit 34 de sortie de la cellule 28 est relié à un côté de la chambre 32 de mélangeage, cependant qu'un conduit 36 de retour de la chambre 32 de mélangeage se raccorde au voisinage de la base de la cellule 28 Dans la chambre 32 de mélangeage, les composants d'alliage, qu'ils soient sous forme allongée, de liquides, de poudres, de granules ou de petits morceaux 38 séparés, peuvent être ajoutés à de l'uranium liquide/alliage d'uranium se trouvant dans la chambre 32, pour former l'alliage d'uranium L'alliage d'uranium est renvoyé à la cellule 28 en empruntant le10 conduit 36 de retour, et l'on obtient ainsi les mêmes résultats bénéfiques de fonctionnement que ceux décrits à propos de la cellule 10 de la figure 1 Quand un composé allongé d'alliage doit être introduit dans la chambre 32 de mélangeage, on peut utiliser un dispositif d'alimentation (non représenté) semblable au dispositif 18 d'alimentation représenté sur la figure 1 L'alliage d'uranium produit quitte la cellule 28 en empruntant un conduit 39 de prélè- vement, ou bien en empruntant un conduit 40 de dérivation partant du conduit 34 de sortie. Il va de soi que l'invention englobe l'alliage d'uranium produit par le procédé de l'invention ou grâce à l'utilisation de l'appareil de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé pour produire un alliage d'uranium, ce procédé comprenant l'électrolyse d'un composé d'uranium dans un électrolyte formé par des sels fondus, dans une cellule d'électrolyse comportant une anode et une cathode, procédé caractérisé en ce qu'on ajoute un composant d'alliage pour former un alliage liquide avec l'uranium produit, ce qui permet l'abaissement de la température de fonctionnement de la cellule. 2 Procédé tel que revendiqué à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajoute le composant d'alliage sous forme d'un liquide ou sous forme de granules ou sous forme de parties ou morceaux séparés, ou sous forme d'un élément mécanique allongé, sensiblement vertical. 3 Procédé tel que revendiqué à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on ajoute à un débit réglé le composant d'alliage dans la cellule. 4 Procédé tel que revendiqué à la revendication 3, prise avec la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément allongé est maintenu cathodique par rapport à l'électrolyte. Procédé tel que revendiqué à la revendication 4, caractérisé en ce que le potentiel cathodique de l'élément allongé diffère du potentiel de la cathode. 6 Procédé tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'élément allongé est partiellement immergé dans un liquide compre- nant de l'uranium au fond de la cellule. 7 Procédé tel que revendiqué à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le composant d'alliage est ajouté à l'extérieur de la cellule au liquide comprenant de l'uranium provenant de la cellule, ledit liquide, compor- tant le composant d'alliage, étant ensuite renvoyé dans la cellule. 8 Procédé tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant d'alliage est choisi dans l'ensemble constitué par le chrome, le cobalt, le fer, le manganèse, le mercure, le nickel et le silicium, ou leurs mélanges. 9 Procédé tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cellule est maintenue à une température d'environ 900 OC. Procédé tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend la mise en rotation ou en translation, ou la mise en un mouvement mixte de rotation et de translation, de l'anode pour contribuer au mélangeage réalisé dans la cellule. 11 Alliage d'uranium produit par le procédé tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications précédentes. 12 Appareil pour produire un alliage d'uranium, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend une cellule ( 10, 28) d'électrolyse comprenant une anode ( 22) et une cathode ( 11), un dispositif pour l'électrolyse de l'électrolyte ( 16) formé par un ou des sels fondus, et un dispositif ( 18) pour introduire un composant ( 20) destiné à s'allier avec l'uranium produit dans la cellule ( 10, 28). 13 Appareil tel que revendiqué à la revendication 12, caractérisé en ce que le dispositif ( 18) d'alimentation est situé de façon à introduire le composant ( 20) d'alliage dans la' cellule ( 10). 14 Appareil tel que revendiqué à la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend également une chambre ( 32) située à l'extérieur de la cellule ( 28) d'électrolyse, et de la tuyauterie ( 30) entre la cellule ( 28) et la chambre ( 32) pour faire recirculer ( 34) du liquide compre- nant de l'uranium provenant de la cellule ( 28) vers la chambre ( 32) et de la chambre ( 32), par un conduit ( 36) vers la cellule ( 28), le dispositif d'alimentation ( 38) étant situé de façon à alimenter la chambre ( 32). 15 Appareil tel que revendiqué à la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif ( 18) d'alimentation convient pour maintenir le composant ( 20) d'alliage catho- dique par rapport à l'électrolyte ( 16) contenu dans la cellule ( 10). 16 Appareil tel que revendiqué dans l'une quelcon- que des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte des organes destinés à assurer la mise en rotation ou en translation, ou en rotation et en translation, de l'anode ( 22). 17 Appareil tel que revendiqué dans l'une quelcon- que des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation convient pour introduire le com- posant d'alliage sous forme de liquide, ou de granules ou de petits morceaux ( 38) séparés, ou sous forme d'un élément ( 20) allongé et sensiblement vertical.