Procédé de séparation et d'extraction au moins partielle de particules contenant du strontium 90 hors d'un liquide
et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé
Le présent brevet a pour objets un procédé de séparation et d'extraction au moins partielles de particules contenant du strontium 90 hors d'un liquide, notamment le lait, constituant une émulsion et contenant des particules comprenant du calcium dans une partie desquelles du strontium 90 s'est au moins partiellement substitué au calcium, et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
On sait que le strontium 90 peut constituer un sérieux danger du fait que, produit notamment par des explosions nucléaires à haute altitude, le strontium 90 peut retomber sur le sol à de très grandes distances de l'endroit de l'explosion et même fort longtemps après celle-ci.
Le strontium 90 ayant une période d'environ 40 ans, son élimination naturelle ne se fait que très lentement. II peut se produire que du strontium 90, ayant pénétré dans le sol, se retrouve dans l'alimentation des vaches et finalement dans le lait où il peut partiellement prendre la place du calcium qui constitue un des éléments importants du lait.
Une possibilité d'éliminer ce strontium 90 du lait, ou en tout cas de réduire fortement la proportion de strontium 90 dans le lait, pourrait donc s'avérer en certains cas d'une urgente nécessité. On peut se reporter pour cette question aux lignes publiées en page 268 de l'Encyclopédie McGraw Hill Encyclopedia of Science and Technology .
On connaît, d'autre part, depuis un certain temps les machines nommées ultra-centrifugeuses qui permettent, dans certaines conditions, de séparer, dans une émulsion, des particules d'un certain poids ou d'un certain volume, d'autres particules ayant un poids ou un volume différents.
Il y a lieu de noter qu'on est arrivé en laboratoire à faire tourner des ultra-centrifugeuses jusqu'à plus de 5 millions t/minute. (Encyclopedia Americana 1966, p. 214a.) Une telle vitesse serait loin d'être nécessaire dans le cas du dispositif qui va être décrit, mais l'indication susmentionnée montre clairement qu'il est possible de fabriquer des ultra-centrifugeuses tournant à plus de 50 000 t/minute (limite technologique que l'on indiquait en 1961). Le terme d'ultra-centrifugeuse est, du reste, réservé aux machines fonctionnant à plus de 20000 t/minute (Encyclopedia Britannica 1961, p. 146).
On connaît du reste plusieurs types de centrifugeuses; dans certains types, la paroi extérieure de la chambre où s'effectue la centrifugation est rotative, tandis que dans d'autres types cette paroi est fixe, des moyens adéquats (par exemple un rotor intérieur) étant prévus pour faire tourner le liquide contenant les particules à centrifuger.
Cependant, aucun procédé ou dispositif n'a jusqu'ici été proposé pour réaliser la séparation de particules contenant du strontium 90, d'autres particules n'en contenant pas, en faisant appel à la technique des ultracentrifugeuses, technique dont les rudiments actuellement connus ne permettraient pas d'atteindre d'une manière satisfaisante un tel résultat.
Le but de la présente invention est de fournir un procédé et un dispositif permettant de réaliser d'une manière satisfaisante cette séparation des particules contenant du strontium 90, d'autres particules ne contenant pas de strontium 90 dans le cas où toutes ces particules sont initialement intimement mêlées, et permettant également d'extraire au moins partiellement de ce mélange les particules contenant du strontium 90 ainsi séparées.
Le procédé selon l'invention de séparation et d'extraction au moins partielle de particules contenant du strontium 90 hors d'un liquide constituant une émulsion est caractérisé en ce qu'on fait passer le liquide dans au moins une ultra-centrifugeuse, à parois internes présentant des zones différemment éloignées de l'axe de rotation, et agencée pour réaliser, par action différenciée selon les masses moléculaires des particules centrifugées, une migration des agrégats moléculaires contenant du
strontium 90 vers celles des zones qui sont le plus éloi
gnées de l'axe de rotation, et une migration des parti
cules exemptes de strontium 90 vers d'autres zones moins
éloignées de l'axe, et en ce qu'on recueille les particules
contenant du strontium à la sortie des zones les plus
éloignées de l'axe de rotation,
tandis qu'on recueille à la
sortie des autres zones moins éloignées de l'axe de rotation le liquide présentant une proportion amoindrie de
strontium 90.
Le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé
selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend au moins une ultra-centrifugeuse comportant une chambre
à volume interne de forme tronconique, à l'intérieur de
laquelle est monté un rotor conique, I'espace libre entre les parois internes de la chambre et la surface du rotor étant inférieur à 1 mu, en ce qu'elle comporte des
moyens aptes à faire tourner le rotor à une vitesse supé
rieure à 100 000 t/minute, et en ce que la chambre présente, à la partie la plus large de sa surface interne tronconique, un conduit de sortie des agrégats moléculaires comprenant du strontium 90, à la partie médiane de sa surface intérieure tronconique, un conduit d'amenée du liquide à centrifuger, et à la partie la plus étroite de sa surface intérieure tronconique,
un conduit de sortie du liquide centrifugé à proportions de strontium 90 amoindries.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention et
une forme d'exécution du dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
La fig. 1 représente schématiquement une ultra-centrifugeuse d'un agencement particulier apte à la mise en ouvre du procédé.
La fig. 2 est une coupe horizontale selon la ligne
II-II de la fig. 1, et
la fig. 3 illustre schématiquement une forme de mise en oeuvre du procédé par la connexion en cascade de plusieurs centrifugeuses comme celle de la fig. 1 par l'intermédiaire de conduits adéquatement agencés.
Pour comprendre le fonctionnement du dispositif, il y a lieu tout d'abord de remarquer que, dans une ultracentrifugeuse de n'importe quel type, se présentent des forces centrifuges qui résultent d'accélération radiale pouvant aller jusqu'à 100 000 fois, voire 1 million, 10 millions ou 100 millions de fois, l'accélération de la pesanteur g. Lorsque des particules en suspension dans un liquide sont soumises à de telles forces, ce sont naturellement les particules les plus lourdes qui tendent à aller vers l'extérieur. Dans une centrifugeuse réalisant par exemple une accélération radiale de 1 million de g, les forces de séparation qui tendent à séparer les particules lourdes des particules plus légères seront 1 million de fois plus grandes que celles qui tendent à séparer ces mêmes particules sous le simple effet de la pesanteur.
On arrive ainsi à séparer des particules qui étaient ini également mélangées de manière homogène et qui ne se seraient jamais séparées sous l'effet de leur simple différence de poids. On arrive également à séparer des particules qui ne présentent que de très faibles différences de masses.
La rapidité avec laquelle s'effectue la séparation, c'est-à-dire la vitesse avec laquelle les particules lourdes vont vers les parties les plus éloignées du centre de rotation, tandis que les particules moins lourdes vont vers les parties les plus proches du centre de rotation, dépend également d'un certain nombre de facteurs physiques dont, en particulier, la dimension des particules. En page 145 de l' Encyclopedia Britannica 1961, on peut lire notamment que, pour obtenir une même vitesse de séparation, des particules ayant un diamètre dix fois plus grand que d'autres ne requièrent qu'une force centrifuge cent fois plus petite.
Si, par exemple, avec un diamètre de centrifugeuse égal à 10 cm, des particules de protéines dont le diamètre est assumé à 1 millionième de mm nécessitent, dans des conditions données, une vitesse rotative de 120 000 t/minute (Encyclopedia Britannica 1961, p. 147), des particules ayant un diamètre double ne nécessiteront qu'une vitesse de rotation de 30 000 t/minute.
La fig. 1 représente schématiquement une ultra-cen- trifugeuse dont une ou plusieurs peuvent être utilisées pour la mise en ceuvre du procédé. On voit qu'elle comporte une enveloppe 1 à l'intérieur de laquelle se trouve une chambre tronconique 2. Un rotor 3 conique (ou éventuellement tronconique) se trouve monté dans la chambre 2 par l'intermédiaire d'un palier 4 situé dans la paroi supérieure de la chambre 2. La surface intérieure de l'enveloppe 1, c'est-à-dire les parois extérieures de la chambre 2, sont situées à une distance non supérieure à 1 mm de la surface périphérique du rotor conique.
Un conduit d'amenée 5 débouche dans la chambre 2 approximativement à mi-hauteur de celle-ci. Un premier conduit de sortie 6 est relié à la chambre 2 à la partie inférieure de celle-ci, l'axe de ce conduit 6 coïncidant avec l'axe du volume tronconique de la chambre 2. A la partie périphérique supérieure de la chambre 2 débouche un second conduit de sortie 7; selon le cas une rainure circulaire peut être creusée dans la paroi de l'en- veloppe 1 à l'endroit où débouche le conduit 7 pour servir de collecteur aux particules devant sortir par ce conduit 7. En variante, on pourrait également avoir plusieurs conduits de sortie supérieure analogues au conduit 7. Le rotor présente, chose avantageuse mais non absolument nécessaire, des rainures 8 s'étendant selon des génératrices du cône formant le rotor.
Ces rainures 8 sont peu profondes, une fraction de millimètre ou quelques millimètres au plus, leurs bords sont parallèles sur la plus grande longueur de la génératrice, puis ils se rapprochent à l'endroit du sommet du cône.
Le rotor est entraîné à la vitesse voulue, pouvant être de l'ordre de 100 000 t/minute ou plus, par un dispositif d'entraînement par turbine à air, ce dispositif étant placé au-dessus de la face supérieure de l'enveloppe 1, laquelle est traversée par l'arbre du rotor passant dans le palier 4.
Il est bien clair que tout autre système d'entramement adéquat pourrait être utilisé.
Le conduit 5 peut déboucher radialement ou tangentiellement dans la chambre 2. S'il y débouche radialement, le rotor sera toujours entraîné par un dispositif qui lui est propre, le liquide pouvant entrer dans la chambre 2 à une vitesse et sous une pression quelconques. Par contre, dans le cas où le conduit 5 débouche tangentiellement sur la chambre 2 et où le rotor comporte les rainures 8, il est possible de mouvoir le rotor par la vitesse et la pression mêmes du liquide entrant dans la chambre 2. On amènera alors ce liquide au moyen d'une pompe à haute pression, et le liquide entrant à très haute vitesse dans la chambre 2 frappera le rotor en s'engageant dans les rainures de celui-ci, I'entraînement de ce rotor étant donc effectué sans qu'il soit besoin d'avoir recours à un dispositif d'entraînement particulier.
Il est à noter que l'important n'est pas que le rotor tourne à très haute vitesse, mais que le liquide situé dans la chambre 2 entre le rotor et l'enveloppe 1 tourne à cette haute vitesse. La présence du rotor est cependant nécessaire pour maintenir la vitesse de rotation sur toute la hauteur de la centrifugeuse, car il est clair que sans le rotor le liquide entrant à grande vitesse par le conduit 5 se mettrait à tourner mais pourrait voir diminuer sa vitesse de rotation au fur et à mesure qu'il se répartirait de part et d'autre, vers le haut et vers le bas, de l'arrivée du conduit 5.
Indépendamment de la manière dont est entraîné le rotor, le fonctionnement de la centrifugeuse représentée peut être décrit comme suit: un liquide comprenant en suspension des particules de différents poids et/ou de différentes dimensions est introduit dans la chambre 2 par le conduit 5. Ce liquide remplit tout l'espace situé dans la chambre 2 entre l'enveloppe 1 et le rotor 3: il commence dès son entrée dans la chambre 2 à effectuer un mouvement de rotation à la très haute vitesse qui caractérise l'ultra-centrifugeuse, et les particules qu'il contient se trouvent soumises à l'effet d'une très forte force centrifuge. Toutes les particules ont donc tendance à se déplacer vers le haut à l'endroit où le diamètre de la chambre 2 est le plus élevé.
La force centrifuge agissant sur la masse des particules et poussant celles-ci à se déplacer vers la périphérie est beaucoup plus grande que le poids même de ces particules. La valeur de cette force est en fait donnée par la formule:
F z2S2MR
900 dans laquelle:
F est la force centrifuge en dynes,
S est le nombre de tours/minute,
M est la masse d'une particule en grammes,
R est le rayon de rotation en cm.
Si l'on calcule la force en grammes au lieu de la cal culer en dynes et si l'on admet que R = 10cl et
S = 100 000 t/minute, on se rend compte que la force centrifuge agissant sur une particule est plus d'un million de fois supérieure au poids de cette particule.
Comme tout l'espace libre est rempli par le liquide, il est clair que ce seront les particules les plus lourdes qui pourront aller vers les zones où le rayon est le plus grand, tandis que les particules de poids moindre iront vers les zones où le rayon est le plus faible. On pourrait penser que ce qui compte, c'est avant tout la densité des particules et que, à densités égales, une particule plus grosse donc plus lourde ne se déplacera pas davantage vers les zones à plus grand rayon qu'une particule qui se trouve être moins lourde simplement parce qu'elle est plus petite. Cela n'est vrai que dans une certaine mesure, car interviennent encore des phénomènes de viscosité qui font que, à densités égales, les particules plus grosses se déplacent plus rapidement vers les zones périphériques que les particules plus petites.
Lorsque le liquide que l'on fait entrer dans la chambre 2 par le conduit 5 est un liquide constituant une émulsion qui comporte des particules contenant du calcium dans une partie desquelles du strontium 90 s'est au moins partiellement substitué au calcium, les particules contenant du strontium 90 auront un poids moléculaire supérieur aux particules dans lesquelles aucun strontium 90 ne se sera substitué au calcium et ces particules contenant du strontium 90 tendront à s'amasser là où le rayon de la centrifugeuse est le plus grand, c'està-dire à l'endroit d'où sort le conduit de sortie 7, tandis que les autres particules seront amenées dans la zone d'où part le conduit de sortie 6 et on aura ainsi effectivement une séparation des deux types de particules.
Suivant la quantité de particules contaminées par le strontium 90, le rapport entre le flux s'écoulant par le conduit 7 et le flux s'écoulant par le conduit 6 devra être rendu plus ou moins grand, ce qui pourra se faire en rétrécissant plus ou moins le passage livré par le conduit de sortie 7.
Il a été admis qu'un nombre de tours d'environ 100 000 révolutions à la minute serait apte à réaliser la séparation des deux types de particules susmentionnées.
S'il s'avérait que cette vitesse de rotation n'était pas suffisante, il serait possible de l'augmenter encore, étant établi que les possibilités technologiques actuelles permettraient d'atteindre des vitesses de l'ordre d'un million de révolutions à la minute.
Pour déterminer effectivement cette vitesse, il pourrait y avoir lieu de devoir déterminer d'abord le poids moléculaire des différents types de particules en question.
La détermination de ce poids moléculaire pourrait fort bien être faite également en faisant appel à la technique des ultra-centrifugeuses en utilisant une ultra-centrifugeuse du type analytique qui permet de déterminer le poids moléculaire des particules en fonction des paramètres de la centrifugeuse et de la vitesse de sédimentation de ces particules, laquelle peut être mesurée par des moyens optiques.
La fig. 3 illustre l'arrangement selon lequel on dispose plusieurs centrifugeuses du type représenté à la fig. 1. On voit sur cette fig. 3 que trois centrifugeuses sont montées en cascade , le conduit de sortie 6 d'une centrifugeuse étant relié au conduit d'entrée 5 de la centrifugeuse suivante. Le long de chacun de ces conduits est disposé au moins un compteur de radiations, ou compteur Geiger C.G., un tel compteur Geiger étant également monté sur le conduit de sortie 6 de la dernière centrifugeuse, lequel constitue en même temps le conduit de sortie de l'ensemble du dispositif.
Comme les particules contenant du strontium sont radioactives, ces compteurs Geiger C.G. pourront fournir une indication de la proportion de particules contenant du strontium subsistant dans le liquide et l'on pourra contrôler avec le dernier compteur C.G. que le liquide, typiquement du lait, ne contient plus du tout de strontium ou n'en contient plus qu'une dose inférieure à la limite de sécurité biologique admise. Si nécessaire, on pourra également brancher un compteur Geiger sur l'entrée du dispositif, laquelle n'est autre que le conduit d'entrée 5 de la première centrifugeuse, afin de connaître la teneur en strontium 90 du produit non encore traité et d'établir le taux d'élimination de ce strontium.
On voit que le procédé mis en oeuvre au moyen d'un tel dispositif permet effectivement d'obtenir une élimination ou en tout cas une diminution très importante de la quantité de strontium 90 qui pourrait, par suite de pluie radioactive contaminée par des explosions atomiques, se trouver présente dans le lait de vaches étant allées paître sur des terrains arrosés par lesdites pluies.
Il y a lieu encore de noter que les particules du lait, ou d'un autre liquide constituant une émulsion contenant des particules comprenant du calcium, qui auront été contaminées par du strontium 90 seront vraisemblablement ionisées, ce dont résultera que les agrégats moléculaires qu'elles forment seront de plus grande dimension.
Cette particularité ne pourra qu'améliorer le processus de séparation de ces particules qui a été décrit précédemment.
fl faut remarquer encore que le rotor et. tout particulièrement, le palier du rotor de même que le dispositif d'entraînement du rotor nécessiteront des constructions particulières pour pouvoir tourner aux vitesses susmentionnées. Il se pourra, selon le cas, que l'arbre au bout duquel le rotor est fixé soit d'un diamètre pratiquement égal au diamètre maximum du rotor; le rotor pourra également constituer en fait l'extrémité usinée en forme de cône de l'arbre lui-même. On connaît, dans le cadre de la technologie des machines rotatives à haute vitesse, un certain nombre de dispositifs susceptibles de donner satisfaction. D'autre part, l'enveloppe 1 devra être extrêmement résistante et il se peut que son épaisseur doivc être du même ordre de grandeur que le diamètre maximum de la chambre 2.
En effet, bien que cette enveloppe 1 ne tourne pas mais soit fixe, elle est sujette intérieurement à la pression exercée par le liquide en rotation à haute vitesse et, si l'on admet, avec un interstice d'environ 1 mm, une quantité de liquide d'environ 100mg en face d'une surface de paroi de 1 cl, on aurait par cm2. sur un rayon de 10 cm, avec une vitesse de 100000t/minute, une force d'environ 100kg, mais avec une vitesse d'environ 1 million t/minute une force d'environ 10000 kg. La technologie métallurgique actuelle connaît des matériaux avec lesquels il est possible de réaliser une construction susceptible de résister à de telles forces.
REVENDICATION I
Procédé de séparation et d'extraction au moins partielles de particules contenant du strontium 90 hors d'un liquide, notamment le lait, constituant une émulsion et contenant des particules comprenant du calcium dans une partie desquelles du strontium 90 s'est au moins partiellement substitué au calcium, caractérisé en ce qu'on fait passer le liquide dans au moins une ultra-centrifugeuse, à parois internes présentant des zones différemment éloignées de l'axe de rotation, et agencée pour réaliser, par action différenciée selon les masses moléculaires des particules centrifugées, une migration des agrégats moléculaires contenant du strontium 90 vers celles des zones qui sont le plus éloignées de l'axe de rotation, et une migration des particules exemptes de strontium 90 vers d'autres zones moins éloignées de l'axe,
et en ce qu'on recueille les particules contenant du strontium à la sortie des zones les plus éloignées de l'axe de rotation, tandis qu'on recueille à la sortie des autres zones moins éloignées de l'axe de rotation le liquide présentant une proportion amoindrie de strontium 90.
SOUS-REVENDICATION
1. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'on fait passer le liquide successivement dans plusieurs centrifugeuses, et en ce qu'on mesure, sur des conduits intermédiaires menant le liquide de chaque centrifugeuse à la suivante, de même que sur un conduit de sortie de la dernière centrifugeuse au moyen d'un compteur de radiations, la proportion de strontium 90 encore présente à chaque stade dans le liquide, le nombre des centrifugeuses ainsi montées en cascade étant tel que la teneur en strontium 90 mesurée à la sortie de la dernière centrifugeuse se trouve inférieure à la limite biologique de sécurité.
REVENDICATION Il
Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une ultra-centrifugeuse comportant une chambre à volume interne de forme tronconique, à l'intérieur de laquelle est monté un rotor conique, I'espace libre entre les parois internes de la chambre et la surface du rotor étant inférieur à 1 mm, en ce qu'elle comporte des moyens aptes à faire tourner le rotor à une vitesse supérieure à 100 000 t/minute, et en ce que la chambre présente, à la partie la plus large de sa surface interne tronconique, un conduit de sortie des agrégats moléculaires comprenant du strontium 90, à la partie médiane de sa surface intérieure tronconique, un conduit d'amenée du liquide à centrifuger, et à la partie la plus étroite de sa surface intérieure tronconique,
un conduit de sortie du liquide centrifugé à proportions de strontium 90 amoindries.
SOUS-REVENDICATIONS
2. Centrifugeuse selon la revendication II, caractérisée en ce que les moyens pour faire tourner le rotor sont constitués par des parties en forme d'aubes de turbines entraînées par un courant d'air ou de gaz.
3. Centrifugeuse selon la revendication II, caractérisée en ce que le rotor en forme de cône présente des rainures longitudinales dont les bords suivent des génératrices du cône.
4. Centrifugeuse selon la sous-revendication 3, caractérisée en ce que le conduit d'amenée du liquide débouchant sur la partie médiane de la surface intérieure tronconique atteint cette dernière selon une direction qui fait un angle avec la direction radiale, en ce que ce conduit d'amenée est muni de moyens aptes à communiquer au liquide une pression et une vitesse d'entrée dans la centrifugeuse suffisantes pour que le liquide lui-même entraîne le rotor à ladite vitesse de rotation.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.