Dispositif de dissolution d'alliages uranium-aluminium
La présente invention concerne les dispositifs de dissolution d'alliages uranium-aluminium. Elle s'applique notamment à de tels alliages contenant de l'uranium fortement enrichi (par exemple au-delà de 90 /u).
La récupération de l'uranium contenu dans ces alliages se fait en général par voie humide.
On utilise pour cela une solution aqueuse de soude, ce qui permet d'obtenir la séparation immédiate de l'uranium de l'aluminium contenu dans l'alliage, le se cond élément passant seul en solution. L'aluminium est attaqué par la solution de soude selon la réaction:
2 Al t 2 NaOH + 2 Na Al02 t H9
Cette réaction, effectuée avantageusement avec une solution 5 N, s'accompagne d'une production importante de mousses et de projections de liquide et il n'est pas nécessaire de chauffer le dissolveur dans lequel s'effectue la réaction sauf au début de la manipulation pour accélérer le démarrage de celle-ci,
la température se maintenant aux environs de 1000 C. L'uranium qui se rassemble dans le résidu insoluble se présente sous la forme d'un mélange d'oxydes intermédiaires entre UO2 et Uns08. On peut le séparer de la solution soit par filtration, soit par centrifugation et le dissoudre ensuite dans des solutions d'acide nitrique 5 à 10 N.
L'invention propose un appareil de réalisation de ce procédé en continu, appareil caractérisé en ce qu'il comprend:
- une colonne de réaction sensiblement verticale munie à sa partie supérieure de moyens d'introduction de fragments d'alliages et de moyens d'introduction d'une solution aqueuse de soude et à son extrémité inférieure d'une conduite d'extraction de la suspension d'oxyde d'uranium obtenue par dissolution de l'alliage,
- une grille de retenue desdits fragments séparant ladite colonne en une partie supérieure et une partie inférieure,
- une conduite d'évacuation des gaz de réaction,
présentant une partie horizontale raccordée à ladite partie supérieure et une partie non horizontale munie d'un condenseur et débouchant dans une gaine d'évacuation,
- au moins une grille d'éclatement des mousses disposée sur ladite conduite,
- et une tubulure de recyclage vers la colonne du liquide provenant de l'éclatement des mousses, reliant ladite partie supérieure à ladite conduite en un point situé en aval de la grille d'éclatement des mousses.
D'autres dispositions utilisables en liaison avec rap- pareil selon l'invention peuvent être envisagées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre et se réfère à la figure unique qui l'accompagne et représente une coupe conforme à l'invention.
L'appareil comprend une colonne de réaction verticale 1 dans laquelle s'effectue la dissolution de l'aluminium par la soude. Les réactifs sont introduits à la partie supérieure, la soude par la pompe doseuse 2 et les fragments d'alliages à la cadence choisie à partir de la boîte à gants 3 par ouverture d'une vanne à boisseau à commande manuelle. Une grille 5 située à proximité de l'extrémité inférieure de la colonne retient les fragments d'alliages et sépare la colonne en une partie supérieure où s'effectue la dissolution et une partie inférieure de volume beaucoup plus faible où se rassemble le résidu.
Le résidu contenant l'oxyde d'uranium en suspension est soutiré par une tubulure 6 en col de cygne, équipée d'un casse-siphon 7. Une hotte 8, au-dessus du débordement de ce col de cygne, évacue l'hydrogène entraîné par la solution d'aluminate vers la gaine d'extraction 9.
Autour de la partie supérieure est disposée une chemise chauffante à résistance 10, destinée au chauffage initial. La température dans la colonne est mesurée par un thermocouple 11 placé à la partie inférieure.
Le dégagement d'hydrogène lors de la réaction s'accompagne d'une production importante de mousses et de projections. Un tube horizontal 12 raccordé à la portion supérieure de la colonne offre un passage aux mousses et au liquide entraîné; un grillage 13 empêche le passage de fragments d'alliage dans le tube horizontal 12 et joue également un rôle d'éclatement des mousses.
Sur le tube horizontal 12 est placée une grille 13' d'éclatement des mousses. Les vapeurs et l'hydrogène ayant traversé les grilles 13 et 13' débouchent dans un condenseur ascendant 17 qui condense les vapeurs et canalise le dégagement d'hydrogène vers la gaine d'extraction d'air 9 où il est dilué. Une tubulure 14 munie d'un soufflet de dilatation 16 relie un point du tube horizontal 12 en aval de la grille 13 à la partie inférieure de la colonne 1 et recycle vers la colonne 1 le liquide provenant de l'éclatement des mousses et de la condensation des vapeurs. L'hydrogène qui pourrait s'échapper dans la boîte à gants 3 à travers la vanne 4 est évacué par une canalisation 18 vers la gaine d'extraction d'air 9.
La colonne est évidemment munie de dispositifs de sécurité prévus pour provoquer la commande d'une électrovanne de vidange 19 placée à la base de la colonne 1 et l'arrêt de la pompe doseuse 2 d'alimentation en soude; ces dispositifs peuvent notamment comporter:
- une sécurité dont l'élément sensible est constitué par une sonde électrique 20 placée à la base du condenseur 17, cette sonde agissant en cas de montée du liquide dans le condenseur.
- une sécurité en cas d'arrêt de la dilution d'hydrogène comprenant un manomètre à contact 21 placé sur la gaine d'extraction d'air. L'ouverture de la vanne 19 provoque la vidange de la colonne dans un récipient sous-critique, non représenté. Une arrivée d'eau 22, munie d'une vanne débouchant en haut du réacteur permet, après vidange de l'appareil due au fonctionnement des sécurités, de laver l'alliage dans le dissolveur et d'arrêter la réaction à sa surface.
Des vannes 23 et 24 permettent le rinçage et la vidange de l'appareil.
Les diamètres des tubes sont calculés pour conférer à l'appareil une géométrie sous-critique et la disposition est prévue pour éviter les interférences neutroniques.
Un mode de mise en oeuvre de l'appareil sera décrit à l'aide d'un exemple particulier dont les données numériques ne sont pas limitatives et correspondent à l'extraction de l'uranium contenu dans un alliage U-A 1 à 10 < ?/o en poids d'uranium, celui-ci étant enrichi à 93 ego
Le mode opératoire est le suivant: à l'aide de la pompe doseuse 2, on introduit dans la colonne de réaction 1 la solution 5N en soude; on introduit aussi, par la vanne à boisseau 4, les plaquettes d'alliage à 10lolo en uranium en quantité suffisante pour obtenir la solution à l'équilibre. La solution affleure au débordement du col de cygne 7.
Pour assurer le démarrage de la réaction, on chauffe la solution à l'aide de la chemise chauffante 10 jusqu'à ce que la température repérée par le thermocouple 1 1 atteigne 1000 C.
On peut préparer ainsi sept litres de solution à l'équilibre par dissolution de 500g d'alliage débité en plaquettes de 37,5 grammes.
Ensuite on alimente au régime choisi en soude et en alliage.
La réaction de la soude sur l'aluminium est très violente et donne lieu à un dégagement d'hydrogène et à une production importante de mousses et de projections de liquide, mais la présence du tube horizontal 12 et de la tubulure de recyclage 14 provoque une régulation.
L'hydrogène qui s'échappe forme un tampon dans la zone 25 de la colonne 1. Ce tampon freine la montée de la colonne de mousses et de liquide occupant la zone 26 de la colonne 1 et les oblige à emprunter le tube horizontal 12. Sur le trajet de ce tube les mousses sont éclatées et le liquide en résultant est recyclé par la tubulure 14, ce qui assure en même temps un brassage continu des solutions.
On a trouvé expérimentalement que le rapport des longueurs des zones 27 et 26 doit être proche de 1.
On a ainsi obtenu, à partir de l'alliage envisagé, des solutions à la sortie du dissolveur qui titrent 70 g/l en aluminium pour une capacité horaire de traitement de 3 kg d'alliage. Les effluents sodiques titrent moins de 5 mg/l en uranium. La perte, due probablement à la carbonatation de la soude et à la formation d'un complexe carbonaté d'uranium soluble dans les effluents sodiques, reste donc inférieure à 0,7 %o.
L'uranium contenu dans le résidu prélevé peut être séparé par filtration ou centrifugation: il se dissout rapidement dans des solutions d'acide nitrique 5 à 10N, avec une consommation d'acide de 5 moles par mole d'uranium.
L'invention ne se limite évidemment pas au mode d'exécution qui a été représenté et décrit à titre d'exemple et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend aux variantes de tout ou partie des dispositions décrites restant dans le cadre des équivalences.
Device for dissolving uranium-aluminum alloys
The present invention relates to devices for dissolving uranium-aluminum alloys. It applies in particular to such alloys containing highly enriched uranium (for example above 90 / u).
The recovery of the uranium contained in these alloys is generally done by wet process.
An aqueous sodium hydroxide solution is used for this, which makes it possible to obtain the immediate separation of the uranium from the aluminum contained in the alloy, the second element passing alone in solution. Aluminum is attacked by the soda solution depending on the reaction:
2 Al t 2 NaOH + 2 Na Al02 t H9
This reaction, carried out advantageously with a 5 N solution, is accompanied by a significant production of foams and liquid splashes and it is not necessary to heat the dissolver in which the reaction takes place except at the start of handling. to accelerate the start of it,
the temperature remains around 1000 C. The uranium which collects in the insoluble residue is in the form of a mixture of oxides intermediate between UO2 and Uns08. It can be separated from the solution either by filtration or by centrifugation and then dissolved in 5-10 N nitric acid solutions.
The invention proposes an apparatus for carrying out this continuous process, apparatus characterized in that it comprises:
- a substantially vertical reaction column provided at its upper part with means for introducing fragments of alloys and means for introducing an aqueous sodium hydroxide solution and at its lower end with a pipe for extracting the suspension uranium oxide obtained by dissolving the alloy,
- a retaining grid for said fragments separating said column into an upper part and a lower part,
- a reaction gas discharge line,
having a horizontal part connected to said upper part and a non-horizontal part provided with a condenser and opening into a discharge duct,
- at least one foam bursting grid disposed on said pipe,
- And a pipe for recycling to the column of the liquid coming from the bursting of the foams, connecting the said upper part to the said pipe at a point located downstream of the bursting grid of the foams.
Other arrangements which can be used in conjunction with the report according to the invention can be envisaged. The invention will be better understood on reading the description which will follow and refers to the single figure which accompanies it and represents a section in accordance with the invention.
The apparatus comprises a vertical reaction column 1 in which the dissolution of the aluminum by the sodium hydroxide takes place. The reagents are introduced at the top, the sodium hydroxide by the metering pump 2 and the alloy fragments at the rate chosen from the glove box 3 by opening a manually controlled ball valve. A grid 5 located near the lower end of the column retains the alloy fragments and separates the column into an upper part where dissolution takes place and a lower part of much smaller volume where the residue collects.
The residue containing the uranium oxide in suspension is withdrawn through a swan neck tube 6, equipped with a siphon breaker 7. A hood 8, above the overflow of this gooseneck, evacuates the hydrogen entrained by the aluminate solution towards the extraction duct 9.
Around the upper part is arranged a resistance heating jacket 10, intended for the initial heating. The temperature in the column is measured by a thermocouple 11 placed at the bottom.
The release of hydrogen during the reaction is accompanied by a significant production of foams and projections. A horizontal tube 12 connected to the upper portion of the column provides passage for foams and entrained liquid; a screen 13 prevents the passage of alloy fragments in the horizontal tube 12 and also plays a role of bursting the foams.
On the horizontal tube 12 is placed a grid 13 'for bursting foams. The vapors and the hydrogen having passed through the grids 13 and 13 'open into an ascending condenser 17 which condenses the vapors and channels the release of hydrogen to the air extraction duct 9 where it is diluted. A pipe 14 provided with an expansion bellows 16 connects a point of the horizontal tube 12 downstream of the grid 13 to the lower part of the column 1 and recycles the liquid from the bursting of the foams and the liquid to the column 1. condensation of vapors. The hydrogen which could escape in the glove box 3 through the valve 4 is evacuated by a pipe 18 towards the air extraction duct 9.
The column is obviously provided with safety devices designed to cause the control of a drain solenoid valve 19 placed at the base of the column 1 and the stopping of the metering pump 2 for supplying soda; these devices may in particular include:
a safety device, the sensitive element of which is constituted by an electrical probe 20 placed at the base of the condenser 17, this probe acting in the event of rising liquid in the condenser.
a safety device in the event of stopping the dilution of hydrogen comprising a contact pressure gauge 21 placed on the air extraction duct. The opening of the valve 19 causes the emptying of the column into a subcritical vessel, not shown. A water inlet 22, provided with a valve opening at the top of the reactor, makes it possible, after emptying the apparatus due to the operation of the safety devices, to wash the alloy in the dissolver and to stop the reaction on its surface.
Valves 23 and 24 allow rinsing and emptying of the apparatus.
Tube diameters are calculated to give the device a subcritical geometry and the layout is designed to avoid neutron interference.
An embodiment of the device will be described with the aid of a particular example, the numerical data of which are not limiting and correspond to the extraction of the uranium contained in an alloy UA 1 to 10 <? / o by weight of uranium, this being enriched to 93 ego
The procedure is as follows: using the metering pump 2, the 5N sodium hydroxide solution is introduced into the reaction column 1; one also introduces, by the ball valve 4, the plates of alloy with 10lolo in uranium in sufficient quantity to obtain the solution in equilibrium. The solution is flush with the overflow of the gooseneck 7.
To ensure the start of the reaction, the solution is heated using the heating jacket 10 until the temperature identified by the thermocouple 1 1 reaches 1000 C.
Seven liters of equilibrium solution can thus be prepared by dissolving 500 g of alloy cut into 37.5 gram platelets.
Then, soda and alloy are supplied at the selected rate.
The reaction of sodium hydroxide on aluminum is very violent and gives rise to a release of hydrogen and to a significant production of foams and liquid projections, but the presence of the horizontal tube 12 and of the recycling tube 14 causes a regulation.
The hydrogen which escapes forms a buffer in zone 25 of column 1. This buffer slows down the rise of the column of foams and liquid occupying zone 26 of column 1 and forces them to take the horizontal tube 12. On the path of this tube the foams are burst and the resulting liquid is recycled through the pipe 14, which at the same time ensures a continuous stirring of the solutions.
It has been found experimentally that the ratio of the lengths of zones 27 and 26 must be close to 1.
Solutions were thus obtained at the outlet of the dissolver from the alloy envisaged, which assay 70 g / l of aluminum for an hourly treatment capacity of 3 kg of alloy. The sodium effluents titrate less than 5 mg / l in uranium. The loss, probably due to the carbonation of soda and to the formation of a uranium carbonate complex soluble in the sodium effluents, therefore remains below 0.7% o.
The uranium contained in the collected residue can be separated by filtration or centrifugation: it dissolves rapidly in 5 to 10N nitric acid solutions, with an acid consumption of 5 moles per mole of uranium.
The invention is obviously not limited to the embodiment which has been shown and described by way of example and it should be understood that the scope of this patent extends to variants of all or part of the provisions described remaining in the framework of equivalences.