Procédé d'échange isotopique
La présente invention a pour objet un procédé d'échange isotopique entre des ions d'un même élément, respectivement sous deux états de valence différents.
li a déjà été proposé, pour enrichir un mélange isotopique en un isotope déterminé, de faire appel aux phénomènes d'échange isotopique qui interviennent lorsqu'on met en présence des composés contenant des ions d'un même élément sous deux états de valence différents. On sait cependant que les facteurs de séparation sont très peu différents de l'unité, en raison des propriétés très voisines des isotopes d'un même élément.
Pour améliorer l'efficacité de la séparation, on a envisagé d'utiliser un échangeur d'ions fixant sélectivement l'élément sous l'un de ses états de valence. Un procédé connu consiste ainsi à mettre en contact une solution aqueuse contenant des ions d'un élément sous une première valence avec des particules d'une résine échangeuse d'ions ayant absorbé des ions du même élément sous une seconde valence, particules que l'on fait circuler à contre-courant de la solution aqueuse.
Toutefois, l'efficacité de ce procédé est très faible et le facteur de séparation des isotopes entre les deux valences différentes de l'élément reste très éloigné de la valeur théorique. De plus, ce procédé présente tous les inconvénients de l'utilisation de particules de résine en circulation, et en particulier la valeur très importante de la hauteur de plateau théorique qui conduit à un dimensionnement de l'installation d'échange à contrecourant absolument inacceptable sur le plan industriel, autant pour l'encombrement de l'installation que pour le temps de séjour de l'élément traité dans celle-ci.
Tout en conservant les avantages de ce procédé connu, la présente invention permet d'en éviter les inconvénients, et ceci grâce à l'utilisation d'un échangeur d'ions en lit fixe.
Elle propose un procédé d'échange isotopique entre des ions d'un même élément, respectivement à une première et à une seconde valence, qui se caractérise essentiellement en ce qu'il consiste à disposer en lit fixe un échangeur d'ions sous une forme capable de fixer sélectivement les ions dudit élément à la seconde valence, à faire circuler au travers de cet échangeur une solution à traiter, contenant ledit élément au moins sous forme d'ions à ladite première valence, à faire passer les ions dans la solution à traiter de ladite première à ladite seconde valence pour provoquer leur fixation sur l'échangeur, à faire circuler au travers dudit échangeur, après la solution à traiter, une solution d'un agent de déplacement capable de déplacer de l'échangeur les ions dudit élément, et à faire passer lesdits ions déplacés de la seconde à la première valence.
Les ions ainsi déplacés et revenus à la première valence sont entraînés par la solution au travers de l'échangeur jusqu'à ce qu'ils soient à nouveau changés de valence et fixés plus en avant (dans le sens de la circulation) dans l'échangeur. On fait ainsi apparaître dans l'échangeur en lit fixe une zone d'échange dans laquelle se produit l'échange isotopique entre les ions à la seconde valence retenus sur l'échangeur et les ions à la première valence apportés par la solution, cette zone d'échange formant une bande qui se déplace dans l'échangeur d'ions.
Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, l'élément à traiter, dissous dans la solution, est périodiquement injecté dans la bande formée dans l'échangeur, et les prélèvements d'élément enrichi ou appauvri en un isotope déterminé s'effectuent périodiquement aux extrémités de cette même bande.
Par rapport aux procédés antérieurs le procédé selon l'invention, qui utilise un échangeur d'ions en lit fixe, présente l'avantage d'une grande simplicité de mise en oeuvre. Il autorise en outre l'emploi de particules d'échangeur d'ions beaucoup plus fines, ce qui conduit à une hauteur de plateau théorique de la colonne d'échange beaucoup plus faible, et compatible avec une exploitation industrielle.
Dans le procédé selon l'invention, on assure à chaque extrémité de la bande:
¯d'une part un changement de phase de l'élément à traiter, qui passe de la phase liquide (solution aqueuse) à la phase solide (échangeur d'ions) à l'avant de la bande et de la phase solide à la phase liquide à l'arrière de la bande,
- et d'autre part un changement de valence, par oxydation ou réduction, l'élément passant de la première à la seconde valence, à l'avant de la bande et de la seconde à la première valence à l'arrière de la bande.
Changements de phase et changements de valence peuvent être concomitants ou réalisés de manière séparée dans le temps et l'espace.
Ainsi, dans le premier cas et selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, les ions qui sont déplacés de l'échangeur d'ions par l'élément traité (à l'avant de la bande) et les ions qui déplacent cet élément (à l'arrière de la bande) peuvent être accompagnés d'un réactif d'oxydation ou de réduction ou jouer eux-mêmes également le rôle d'oxydant ou de réducteur. On peut choisir par exemple, un cation capable à la fois d'oxyder et de déplacer l'élément traité en comparant ses proprié- tés à celles de cet élément, en ce qui concerne le potentiel d'oxydo-réduction et l'affinité pour l'échangeur d'ions utilisé.
Dans le second cas, et selon un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention, l'élément à traiter est réduit ou oxydé, avantageusement par électrolyse, avant d'être fixé sur l'échangeur d'ions, ou après en avoir été déplacé.
Selon une forme d'exécution de l'invention, ces deux modes de mise en oeuvre peuvent être combinés ensemble en réalisant les changement de phase et changement de valence de manière concomitante à une extrémité de la bande, et de manière séparée à l'autre extrémité.
Lorsque l'un des changements de valence s'effectue par voie électrolytique, il est avantageux, pour améliorer l'économie du procédé, d'utiliser les sous-produits de l'électrolyse pour régénérer un réactif ayant provoqué l'autre changement de valence. D'une manière analogue si les deux changements de valence s'effectuent par électrolyse, un mode de mise en oeuvre préféré du procédé consiste à faire circuler la solution, pour les deux changements de valence respectivement dans les deux compartiments, anodique et cathodique, d'une même cellule électrolytique.
L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples de mise en oeuvre décrits ci-dessous, illustrés par les fig. 1 et 2 jointes.
L'installation utilisée pour la réalisation du procédé, telle que représentée schématiquement par les fig. 1 et 2, comprend essentiellement:
¯une série de colonnes numérotées Cl, C2, C3...
Cl 0, remplies d'échangeur d'ions en lit régulièrement tassé. L'ensemble des colonnes peut être chauffé entre 20 et 1100o C, soit au moyen d'une double enveloppe sur chaque colonne, soit en plaçant toutes les colonnes dans une enceinte unique: en effet une élévation de température accélère d'une manière générale l'échange isotopique. Dans toutes les colonnes, la circulation des liquides s'effectue toujours de haut en bas.
¯des cellules d'électrolyse EL1 et EL2, constituées de façon classique en deux compartiments séparés par une cloison poreuse ou éventuellement par une membrane échangeuse d'ions. L'anode est en graphite (milieu chlorure) ou en platine (milieu sulfate), tandis que la ca thode est en titane revêtu de platine. Les deux cellules sont montées en série du point de vue électrique.
- un ensemble de vannes et de tuyalrteries permettant toutes les combinaisons possibles: isolement de n'importe quelle colonne, branchement en série de plusieurs colonnes consécutives, etc. La liaison entre deux colonnes successives comporte un robinet pour les prélèvements de solution.
- un ensemble de matériel de pompage et de st kage pour les différentes solutions utilisées ou récupérées au cours du procédé.
Exemple I
L'échangeur d'ions utilisé est un échangeur de cations de type classique, moyennement réticulé, connu sous la désignation commerciale DOWEX 50W-X8 (structure de polystyrène croisé au divinylbenzène sur laquelle sont greffés des groupes actifs sulfoniques). En présence d'une solution aqueuse de l'élément à traiter, il laisse en solution les ions de cet élément à une première de ses valences tandis qu'il fixe énergiquement les ions à la seconde valence.
En supposant que cette seconde valence corresponde à l'état le moins oxydé de l'élément traité, l'application du procédé selon l'invention, dans l'exemple particulier décrit, conduit à effectuer à l'arrière de la zone d'échange isotopique, une oxydation de l'élément avec déplacement des ions oxydés, qui sont entraînés par la solution, et à l'avant de la zone d'échange, une réduction de l'élément.
La réduction s'effectue ici par voie électrolytique et l'oxydation par un réactif approprié. Naturellement, oxydations et réductions seraient inversées si l'échangeur d'ions présentait plus d'affinité pour l'élément dans son état de valence le plus oxydé.
Dans le cas particulier décrit, le réactif d'oxydation est le fer ferrique et, l'élément traité étant de l'uranium que l'on cherche à enrichir en isotope 235, le fer ferrique joue également le rôle d'agent de déplacement, capable de se fixer sur l'échangeur d'ions à la place de l'uranium tétravalent. En variante on pourrait adjoindre au fer provoquant le changement de valence (oxydation de l'uranium tétravalent en uranium hexavalent) un autre cation tel que le calcium ou le strontium qui provoquerait le déplacement.
L'échange isotopique s'effectue dans une bande correspondant aux colonnes (ici au nombre de 2) où la solution oxydée, contenant l'uranium hexavalent, circule au contact de l'échangeur d'ions chargé en uranium tétravalent; l'isotope 235 a tendance à se rassembler dans l'uranium hexavalent. La bande se déplace dans l'échangeur, d'une colonne à l'autre, au fur et à mesure de l'introduction de l'agent de déplacement à l'arrière de la bande.
Avant la mise en route de l'installation, toutes les colonnes d'échangeur d'ions sont mises en forme hydrogène de la façon habituelle par circulation d'une solution d'acide fort au travers des colonnes d'échangeur.
On utilise ici de l'acide chlorhydrique 2 à 3 M. On termine par un bref lavage avec une solution d'acide plus dilué (0,4 à 0,5 M).
Pour constituer la bande on procède de la façon suivante:
Les colonnes Cl, C2 et C3 sont raccordées en série, la sortie inférieure de C3 étant raccordée à un bac B1, destiné au stockage de la solution chlorhydrique effluente. Les cellules d'électrolyse ELI et EL2 sont mises en route et alimentées en solution de chlorure d'uranyle en provenance d'un bac B4, au moyen d'une pompe P4. La solution réduite constitue la solution à traiter. Elle est reprise par une pompe P8 et envoyée en haut de la colonne Cl. L'uranium tétravalent se fixe aussitôt sur l'échangeur en remplacement des ions H+.
La formation de la bande est facile à suivre grâce au changement de coloration de l'échangeur: brun ambré en forme H+, vert foncé en forme U4+. On arrête l'envoi de la solution lorsque l'avant de la bande arrive à proximité du bas de la colonne C3.
La bande étant constituée, on passe à l'étape suivante, qui consiste à la faire migrer en réalisant simultanément l'oxydation et le déplacement de l'uranium fixé sur l'échangeur, et ceci, dans l'exemple décrit, en introduisant à la suite de la solution à traiter du chlorure ferrique en solution 0,1 à 0,2 M, repris dans un bac B2 par une pompe P2.
Le bas de la colonne C3 est relié au compartiment cathodique de l'électrolyseur ELI, comme illustré sur la fig. 1; la sortie du compartiment cathodique de l'électrolyseur EL2 alimente le haut de la colonne C4 par l'intermédiaire de la pompe P8. Le bas de la colonne C4 est relié au bac B1 de stockage de l'acide chlorhydrique.
Par le haut de la colonne Cl on envoie au moyen de la pompe P2 de la solution de chlorure ferrique.
Les ions ferriques Fe3+ oxydent et déplacent l'uranium suivant la réaction globale: 10FeCl3 + 3R4U + 6106H2O 4R8Fe + 3UO2C12 + 12cl + 6FeCl2 (1)
L'échangeur passe de la couleur vert foncé caractéristique des ions U4+ à une couleur brune caractéristique des ions ferriques Fe3+. Ceci permet de localiser de façon précise le a front arrière de la bande et de suivre son déplacement dans la colonne.
L'uranium déplacé sous forme d'ions uranyle Ut2+ + est entraîné, ainsi que les ions ferreux Fe++, vers l'avant de la bande. La solution de chlorure d'uranyle parvient aux électrolyseurs EL1 et EL2; elle circule successivement dans le compartiment cathodique de EL1 puis dans celui de EL2. Elle y subit une réduction électrolytique, suivant la réaction
UO2++ + 4H+ +2e- > U4+ + H20 (2)
A la sortie du second électrolyseur EL2, la solution réduite, dans laquelle l'uranium se trouve désormais à l'état tétravalent, est reprise par la pompe P8 qui l'envoie en haut de la colonne C4.
L'échangeur contenu dans cette colonne fixe aussitôt les ions uraneux U4+, ainsi que les ions ferreux Fe+ +. Etant donné les différences d'affinités respectives, il se forme à l'avant une bande verdâtre contenant exclusivement des ions ferreux Fe++ et à l'arrière une bande vert foncé de longueur sensiblement égale contenant tous les ions uraneux U4+. L'effluent de la colonne C4 est constitué par de l'acide chlorhydrique dilué qui est envoyé au bac de stockage B1.
Au fur et à mesure que les ions ferriques Fe3+ envoyés en haut de la colonne Cl oxydent et déplacent l'uranium, celui-ci est véhiculé à travers les colonnes Cl,
C2 et C3 à l'état d'ions uranyle UO++ en solution, passe dans les électrolyseurs ELI et EL2, et se refixe sur l'échangeur de la colonne C4 à l'état d'ions uraneux
U4+.
L'échangeur contenu dans la colonne C4 se sature progressivement en ions uraneux U4+ et ferreux Fie+ +.
Lorsque la saturation est atteinte, l'effluent, constitué jus- qu'alors par une solution diluée d'acide chlorhydrique HCI, devient une solution diluée de chlorure ferreux. Dès l'apparition des ions ferreux, l'effluent est dirigé vers un bac B3 qui assure le stockage du chlorure ferreux. De là, il est repris par la pompe P3 qui l'envoie dans une colonne d'oxydation C11 où il circule dans un garnissage en verre, à contre-courant du chlore dégagé dans les compartiments anodiques des électrolyseurs EL1 et EL2, ce qui permet de régénérer la partie du chlorure ferrique qui a servi à oxyder l'uranium tétravalent dans la réaction de déplacement du front arrière de la bande.
La récupération du chlorure ferreux à la sortie de la colonne C4 n'a lieu que pendant la seconde partie du cycle de chargement de la colonne C4, tandis que le dé gagement de chlore à l'anode de EL1 et EL2 est permanent. Il est donc nécessaire que le bac B3 joue le rôle de capacité tampon, pour permettre une récupération continue du chlore pendant toute la période où la colonne C4 ne produit pas de chlorure ferreux.
Le mode de fonctionnement qui vient d'être décrit est maintenu jusqu'au moment où des ions uraneux U4+ apparaissent dans l'effluent de la colonne C4. Ceci se produit lorsque la presque totalité de il'échangeur contenu dans la colonne C4 est passée en forme U4+. A cet instant, on arrête l'envoi de la solution de chlorure ferrique en haut de la colonne C1 et l'on procède aux permutations nécessaires à la réalisation du deuxième cycle.
Les permutations se décomposent ainsi:
a) la colonne Cl, qui ne contient plus d'uranium, mais uniquement des ions ferriques Fe3+, est isolée et mise en position d'attente;
b) la pompe P2, qui sert à véhiculer la solution de chlorure ferrique est raccordée en haut de la colonne
C2;
c) la sortie de la colonne C3 est raccordée directement en haut de la colonne C4.
d) les électrolyseurs EL1 et EL2 sont arrêtés momentanément et branchés entre les colonnes C4 et C5.
e) la sortie de la colonne C5 est raccordée au bac B1 de stockage d'acide chlorhydrique.
Une fois ces permutations effectuées, par voie manuelle ou éventuellement par voie automatique, on reprend l'envoi de la solution de chlorure ferrique et les électrolyseurs EL1 et EL2 sont remis en service normal.
Ce mode de fonctionnement est maintenu jusqu'au moment où du fer ferreux apparaît dans l'effluent de la colonne C5; l'effluent est alors dirigé vers le bac B3
Lorsque les ions uraneux U4+ apparaissent à leur tour, le cycle est terminé et l'on procède à nouveau à toute la série des permutations décrites plus haut avant de passer au troisième cycle.
Les cycles suivants constituent une reproduction exacte des cycles qui viennent d'être décrits et comportent tous deux temps au cours desquels l'effluent de la colonne qui sert à stocker le reflux est successive- ment une solution d'acide chlorhydrique, puis une solution de chlorure ferreux.
A chaque cycle, l'avant de la bande aborde une nou
velle colonne, qui contient de l'échangeur en forme hy
drogène H+ et l'arrière de la bande abandonne une co
lonne dontTéchangeur est saturé en ions ferriques F#+.
Pour assurer la continuité indéfinie des cycles avec un
nombre fini de colonnes, il est possible de régénérer au
fur et à mesure les colonnes saturées en ions ferriques
Fe3+, c'est-à-dire de remettre l'échangeur qu'elles con
tiennent en forme hydrogène H+. A cette fin, il est inté
ressant de récupérer le fer ferrique sous forme de chlo
rure ferrique qui sera utilisable à nouveau comme agent de déplacement de la bande.
Ainsi, sur la fig. 1, les colonnes C6, C7 et C8 sont
supposées en cours de régénération. Ces colonnes, sa
turées en ions ferriques Fe3+, sont raccordées en série, et par le haut de la colonne C6, on envoie au moyen d'une pompe Pl la solution d'acide chlorhydrique récupérée au cours des cycles précédents et stockée dans le bac
Bl. L'effluent de la colonne C8 est alors constitué par une solution de chlorure ferrique qui est envoyée dans le bac B2. On interrompt l'opération lorsque la colonne
C6 est régénérée, c'est-à-dire lorsque la solution qui passe de la colonne C6 à la colonne C7 ne contient pratiquement plus d'ions ferriques.
La colonne C7 n'est alors que partiellement régénérée, la colonne C8 est encore presque entièrement en forme ferrique Fe3+. Au cycle suivant, la colonne C9, entièrement en forme ferrique Fe3+ est branchée en série avec les colonnes C7 et
C8 et l'on envoie l'acide chlorhydrique par le haut de la colonne C7 tandis que l'on recueille dans le bac B2 la solution de chlorure ferrique qui s'écoule de la colonne
C9.
Après quelques cycles, les quantités de réactifs dans les bacs de récupération se stabilisent à un niveau sensiblement constant, et il suffit de procéder de temps à autre à quelques appoints d'acide chlorhydrique, de chlorure ferrique ou d'eau, pour compenser les pertes inévitables.
Des prélèvements d'uranium appauvri en isotope 235 sont périodiquement effectués à l'arrière de la bande et compensés par des injections d'uranium naturel.
Après une période de mise en régime, des prélèvements d'uranium enrichi sont également effectués à l'avant de la bande et ils sont de même compensés par des injections d'uranium naturel afin de conserver constante la longueur de la bande.
Les injections d'uranium naturel s'effectuent sous forme d'une solution 0,05 à 0,1 M de chlorure d'uranyle, introduite au niveau du deuxième tiers de la bande.
Entre deux cycles, la bande occupant trois colonnes suc cessives, soit CnI, Cn et Cn+, l'envoi du chlorure ferrique est différé momentanément et l'on injecte la quantité désirée de solution entre les colonnes Cn 1 et Cn, au moyen de la pompe P4.
Les prélèvements d'uranium enrichi ou appauvri en isotope 235 s'effectuent de même sous la forme d'une solution de chlorure d'uranyle, respectivement à l'avant et à l'arrière de la bande. A l'avant de la bande on peut également effectuer le prélèvement par soutirage périodique de la solution de chlorure d'uranium tétravalent, au refoulement de la pompe P8. A l'arrière, lorsque le front arrière de la bande approche du bas d'une colonne, on prélève l'uranium déplacé au lieu de l'envoyer dans la colonne suivante.
Une installation fonctionnant de la manière qui vient d'être décrite, comportant 10 colonnes de 5cm de dia
mètre intérieur et de 140 à 145 cm de hauteur utile
d'échangeur, avec une vitesse de progression de la bande d'environ 10cm par heure, a permis de recueillir, en 30
jours de fonctionnement productif:
266 g d'uranium enrichi en isotope 235, le titre moyen
s'établissant à 0,76 % d'uranium 235.
276g d'uranium appauvri en isotope 235, le titre moyen s établissant à 0,68 % d'uranium 235.
Pendant cette même période, on a introduit dans la
bande 542 g d'uranium de titre naturel, soit 0,72 % en
isotope 235. Les dépenses en réactifs, consécutives à des purges des circuits et à des pertes inévitables se sont élevées à environ 0,475 kg pour l'acide chlorhydrique (exprimées en HCI anhydre) et à 0,70 kg pour le chlorure ferrique (exprimées en Fera, anhydre). Pendant cette même période la consommation totale d'énergie des électrolyseurs a été de l'ordre de 25-26 kWh.
Exemple 2
L'installation utilisée et les principes de fonctionnement sont les mêmes que dans l'exemple 1, à ceci près que l'agent de déplacement est une solution de sulfate ferrique. De ce fait les solutions récupérées au cours de chaque temps du cycle de fonctionnement sont respectivement une solution diluée d'acide sulfurique et une solution de sulfate ferreux, tandis que les compartiments anodiques des électrolyseurs fournissent de l'oxygène.
Le bac B1 est rempli d'une solution 1 à 1,5 M d'acide sulfurique, le bac B2 d'une solution de sulfate ferrique à une concentration comprise entre 0,1 et 0,2 M.
La régénération des colonnes d'échangeur en forme
H+ est effectuée par de l'acide sulfurique du bac B1
La solution de sulfate ferrique est envoyée par la pompe P2 à l'arrière de la bande, pour provoquer le déplacement de cette dernière.
A chaque cycle, au cours du premier temps du cycle on recueille une solution diluée d'acide sulfurique qui est envoyée vers le bac B1 et qui sert à régénérer les colonnes saturées en fer ferrique; le sulfate ferrique ainsi récupéré est envoyé dans le bac B2. Au cours du second temps du cycle on recueille une solution de sulfate ferreux qui est envoyée et stockée dans le bac B3.
Pour réoxyder ce sulfate ferreux en sulfate ferrique, on dispose de l'oxygène dégagé à l'anode des électrolyseurs.
Plutôt que d'utiliser la colonne garnie Cli, il est avantageux de réaliser cette oxydation directement en faisant circuler continuellement la solution de sulfate ferreux dans les compartiments anodiques des électrolyseurs, où le diagramme qui sépare les compartiments cathodique et anodique est alors constitué par une membrane échangeuse d'ions du type anionique. La solution de sulfate ferrique ainsi récupérée est envoyée dans le bac B2 pour être utilisée à nouveau comme agent de déplacement de la bande.
On recueilli en 15 jours de fonctionnement produc tif
132,2g d'uranium enrichi en isotope 235, de titre moyen égal à 0,76 % de U 235.
131 g d'uranium appauvri en isotope 235, de titre moyen égal à 0,68 % en U 235.
Pendant cette période on a introduit dans la bande 264 g d'uranium de composition isotopique naturelle (0,72 % en U 235). Les dépenses de réactifs se sont élevées à environ 1,42 kg d'acide sulfurique (exprimées en HpSO4 anhydre) et 0,37 kg de sulfate ferrique anhydre, tandis que la dépense d'énergie pour les électrolyseurs s'est élevée à 14,5 kWh.
Exemple 3
Le mode de réalisation décrit ici, diffère essentiellement des modes de réalisation décrits précédemment, en ce que
¯d'une part l'élément sous sa forme oxydée (uranium VI) est fixé par l'échangeur tandis que la forme réduite (uranium IV) reste dans la solution;
¯d'autre part, on utilise une solution de déplacement qui n'a aucun rôle oxydant ou réducteur, les changements de valence de l'uranium étant assurés exclusivement par les électrolyseurs, soit directement, soit indirectement.
L'installation utilisée est représentée schématiquement sur la fig. 2. Elle ne diffère de l'installation précédemment décrite que par les circuits de stockage et de pompage des réactifs qui sont un peu plus simples. On y retrouve donc en particulier les colonnes d'échangeur
Cl à C10 et les électrolyseurs EL1 et EL2.
L'agent de déplacement est constitué par une solution 0,2 M environ de citrate monosodique, stockée dans un bac B7 et reprise par une pompe P5, l'expression citrate monosodique désignant le sel de l'acide citrique dans lequel le rapport Na/acide citrique est égal à 1/1 sensiblement. Un bac B8 contient une solution d'acide citrique 0,2M environ récupérée au bas de la colonne où se trouve l'avant de la bande (colonne C5 sur la figure). Cette solution d'acide citrique a deux emplois: une partie, reprise au moyen de la pompe P6, sert à faire repasser de la forme sodium Na+ à la forme hydrogène H+ les colonnes après passage de la bande, cette opération fournissant une solution de citrate monosodique qui est envoyée dans le bac B7. Une autre partie est envoyée par la pompe P7 vers le compartiment cathodique des électrolyseurs.
Les électrolyseurs EL1 et EL2, en série du point de vue électrique, sont cloisonnés par une membrane échangeuse de cations. Les compartiments anodiques sont remplis par une solution d'acide sulfurique de concentration
M à 2M, tandis que la solution à réduire circule successivement dans le compartiment cathodique de EL1 puis dans celui de EL2. L'oxygène recueilli aux anodes est dirigé vers la colonne d'oxydation C11, arrosé en continu par la solution à oxyder à l'avant de la bande.
L'élément à traiter est de l'uranium sous forme d'une solution de nitrate d'uranyle dont la concentration est de l'ordre de 0,1 M. Les ions uranyle sont fixés par l'échangeur suivant la réaction connue: UO2(NO3)3 +2 RH > UO2R2 + 2HNO3 (3) (R désigne le radical polystyrène-sulfonique)
Au cours de la période de formation de la bande, l'acide nitrique dilué produit par cette réaction est rejeté.
On arrête l'envoi de la solution de nitrate d'uranyle lorsque le front avant de la bande d'uranium arrive à quelque 10-20cm du bas de la colonne C4. On lave ensuite les colonnes par envoi d'eau dipermutée en haut de la colonne Cl, jusqu'à disparition des ions nitriques dans l'effluent de la colonne C4. La bande est alors formée et prête à être déplacée.
Pour le premier cycle de déplacement, les connexions entre les différents éléments de l'appareillage sont les suivantes:
Le refoulement de la pompe P5 qui véhicule la solution de citrate monosodique stockée dans le bac B7, est relié en haut de la colonne Cl. Le bas de la colonne Cl est relié au haut de la colonne C2 par l'intermédiaire des compartiments cathodiques, des électrolyseurs EL1 et
EL2 et de la pompe de reprise P8.
Les colonnes C2, C3 et C4 restent branchées en série.
La sortie de la colonne C4 est reliée à l'entrée de la colonne d'oxydation C11, à la sortie de laquelle la solution est reprise par la pompe P9 pour être envoyée à l'entrée de la colonne C5. La colonne d'oxydation re çoit par ailleurs l'oxygène dégagé dans les compartiments anodiques des électrolyseurs EL1 et EL2.
La sortie de la colonne C5 est reliée au bac B8 qui recueille les solutions d'acide citrique.
On met en route le déplacement de la bande, en alimentant la colonne Cl en solution de citrate monosodique, le débit de solution étant réglé de façon que la bande se déplace sensiblement de 10 cm par heure. Temporairement les électrolyseurs sont maintenus à l'arrêt.
Ils ne sont mis en route que lorsque l'uranium apparaît à la sortie de la colonne C4. Pour éviter des précipitations dans le compartiment cathodique, on y envoie au moyen de la pompe P7 un complément de solution d'acide citrique.
Dans les conditions qui viennent d'être décrites, l'uranium VI contenu dans l'échangeur est déplacé quantitativement à l'état de citrate d'uranium VI en solution, traverse la colonne Ci et parvient dans le compartiment cathodique des électrolyseurs EL1 et EL2, où se produit la réduction. La solution de citrate d'uranium IV ainsi obtenue passe successivement dans les colonnes C2, C3 et C4, où a lieu l'échange isotopique entre l'uranium IV de la solution et l'uranium VI fixé sur l'échangeur, puis dans la colonne d'oxydation où l'uranium IV est oxydé en uranium VI. L'uranium VI est alors fixé par l'échangeur de la colonne C5, à la sortie de laquelle on récupère l'acide citrique qui a servi à véhiculer l'uranium.
Lorsque la colonne C5 est pratiquement saturée en uranium, c'est-à-dire au moment où des traces d'uranium apparaissent dans la solution effluente d'acide citrique, on arrête momentanément le déplacement de la bande par interruption de l'envoi de la solution de citrate monosodique et l'on procède aux permutations nécessaires pour le cycle suivant. A l'issue de ces permutations, toutes les liaisons sont décalées d'un rang et se présentent ainsi:
La colonne Ci, dont l'échangeur est passé entièrement en forme sodium Na+, est isolée. L'alimentation en sodium de citrate monosodique est raccordée à l'entrée de la colonne C2, dont la partie est reliée aux électrolyseurs EL1 ou EL2.
La solution réduite traverse les colonnes C3, C4 et C5, puis la colonne d'oxydation Cii, tandis que la colonne C6, sert à fixer à nouveau dans l'échangeur l'uranium déplacé.
On poursuit ainsi de cycle en cycle le déplacement de la bande à travers la série des 10 colonnes. Lorsque la colonne C10 est saturée en uranium; l'avant de la bande est dirigé vers la colonne C1, et, au cours des cycles suivants, la bande traverse à nouveau la série des 10 colonnes.
Après le passage de la bande, les colonnes mises hors service sont saturées en ions sodium Na+. Leur régénération, c'est-à-dire le remplacement des ions sodium Na+ par des ions hydrogène H+, est conduite de façon à fournir une solution de citrate monosodique utilisable comme agent de déplacement. Sur la fig. 2 les colonnes C7, C8 et C9 sont en cours de régénération. Elles sont reliées en série, et par le haut de la première de ces colonnes, (C7), on envoie au moyen de la pompe P6 et pendant toute la durée d'un cycle, de la solution d'acide citrique tenue en réserve dans le bac B8, tandis que la solution de citrate de sodium recueillie au bas de la colonne C9 est dirigée vers le bac B7.
L'installation étant en fonctionnement dans les conditions décrites on poursuit le déplacement de la bande pendant 48 jours, pendant lesquels de l'uranium enrichi en isotope 235 s'accumule à l'arrière de la bande, tandis que de l'uranium appauvri en isotope 235 s'accumule à l'avant de la bande.
A partir du 49me jour on commence à soutirer de l'uranium à chacune des extrémités et à injecter de l'uranium naturel, suivant la procédure décrite dans l'exemple 1, à ceci près qu'il est préférable ici d'effectuer les injections sensiblement dans le milieu de la bande. En 24 jours de fonctionnement productif on obtient à titre d'exemple, à partir d'uranium de titre isotopique naturel (0,72 ,fio d'U 235):
210 g d'uranium enrichi, dont le titre moyen en U 235 s'établit à 0,76 %,
216g d'uranium appauvri, dont le titre moyen en
U 235 s'établit à 0,69 %.