CH639352A5 - Appareillage pour augmenter la teneur en deuterium de l'eau lourde. - Google Patents

Description

La présente invention concerne un appareillage pour augmenter la teneur en deutérium de l'eau lourde.

Actuellement, l'eau lourde est produite principalement par une ou plusieurs étapes du procédé Girdler-Sulphide (GS) qui enrichit l'eau dans le domaine de 5 à 30% en D20, suivi d'un enrichissement final par une distillation de l'eau ou par un système d'électrolyses en cascade. Ces étapes finales amènent la concentration en D20 aux environs de 99,8%.

On recherche actuellement des moyens de plus en plus efficaces pour l'obtention d'eau lourde à haute teneur en deutérium, le deutérium moléculaire pouvant lui-même être converti en eau lourde par combustion. L'appareillage selon l'invention, tel que défini par la revendication 1, vise à satisfaire à cette demande. Cet appareillage peut être utilisé notamment dans une usine de production de l'eau lourde ou pour l'enrichissement en continu de l'eau lourde dans le modérateur et dans les systèmes de transfert de chaleur des réacteurs nucléaires à eau lourde, de manière à maintenir la concentration en deutérium supérieure à 99,8%.

L'appareillage selon l'invention peut être utilisé en particulier pour l'enrichissement de l'eau lourde qui a été diluée avec de l'eau naturelle (jusqu'à une concentration typique en D20 de l'ordre de 20-40%) pendant le fonctionnement du réacteur à eau lourde, afin de produire une eau lourde présentant une concentration en deutérium supérieure à 99,8%.

Dans les dessins qui illustrent l'invention à titre d'exemple:

la fig. 1 est un diagramme des flux dans un appareillage utilisé comme étage final d'enrichissement dans une usine, et la fig. 2 est un diagramme des flux dans un appareillage d'enrichissement de l'eau lourde d'un réacteur nucléaire.

Les dessins mentionnent des exemples des paramètres importants du fonctionnement, selon ce qui suit:

a) débits de liquide et de gaz en moles,

b) concentrations en D20 sous la forme d'un pourcentage,

c) débits molaires liquide/gaz (L/G) sous la forme d'un rapport,

d) température (T) en °C,

e) pression (P) en atmosphère (atm),

f) facteur de séparation du catalyseur (aj sous la forme d'un rapport,

g) facteur de séparation électrolytique (aE) sous la forme d'un rapport.

On doit remarquer que les concentrations spécifiques et les débits molaires ne sont donnés dans les figures qu'à titre d'exemples et peuvent être modifiés suivant la construction.

En se référant à la fig. 1, les éléments principaux de l'appareillage sont un enrichisseur 10 et une cellule d'électrolyse 11. L'enrichisseur est une colonne d'échange contenant un remplissage de catalyseur dans lequel passent à contre-courant suivant une relation d'échange isotopique, l'eau et l'hydrogène. Le catalyseur doit être imperméable à l'eau, hydrophobe, et il doit être actif en présence d'eau. Le catalyseur de choix est un métal du groupe VIII qui possède en surface une couche d'un polymère organique ou résine hydrophobe, qui est choisi dans le groupe des polyfluorocarbones, des polymères d'hydrocarbures, de poids moléculaire de moyen à haut, et des silicones, qui est perméable à la vapeur d'eau et à l'hydrogène. Ces types de catalyseurs sont décrits dans le brevet US N° 3981976 publié le 21 septembre 1976, et dans la demande de brevet US N° 733417 du 18 octobre 1976. Les types de catalyseurs préférés ont aussi été décrits dans un article intitulé «Novel Catalysts for Isotope Exchange between Hydrogen and Liquide Water» publié dans le «Symposium ACS», série N° 68, de l'American Chemical Society.

La cellule d'électrolyse 11 est n'importe quel type de cellule qui comprend une cloison 12 entre le compartiment anodique lia et le compartiment cathodique 1 lb. Pour des raisons économiques, il est préférable d'utiliser une cellule à faible contenu d'eau et/ou d'élec-trolyte.

L'hydrogène produit dans la cellule d'électrolyse est appauvri en deutérium en vertu d'un effet cinétique isotopique inhérent à la réaction de dégagement de l'hydrogène. Il passe en remontant (lignes traitillées) à travers la scrubber déshumidificateur 13 et à travers la colonne de catalyse 10, où il perd continûment la plupart de son

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deutérium restant lors de sa montée dans la colonne à contre-courant de l'eau d'alimentation (lignes pleines) introduite au sommet de la colonne et qui ruisselle à travers la colonne, à travers le scrubber déshumidificateur et vers la cellule d'électrolyse. Le scrubber déshumidificateur ajuste l'humidité du deutérium gazeux 5 aux conditions régnant dans les colonnes de catalyse de façon à amener la concentration en deutérium de la vapeur d'eau dans le courant gazeux en équilibre isotopique avec l'eau provenant de l'enrichisseur, et à transférer tout électrolyte entraîné par le deutérium gazeux dans le courant d'eau descendant. Après que l'hydrogène a 10 passé à travers la colonne de catalyse, il passe dans l'équilibreur vapeur-liquide 15 qui sert à amener en équilibre isotopique la concentration en deutérium de la vapeur d'eau dans le courant gazeux avec l'eau introduite (soit 100 mol, ayant une concentration en D20 de 10%). L'hydrogène provenant de l'équilibre circule vers un dispo- 15 sitif de séchage 16 qui sert à enlever la vapeur d'eau de l'hydrogène du fait que la fraction atomique D/(H+D) est plus grande dans l'eau que dans l'hydrogène, puis il arrive au brûleur 17 où il est brûlé (recombiné avec l'oxygène) pour produire de l'eau qui est renvoyée vers un étage précédent. L'eau sortant du dispositif de séchage 16 est 20 combinée avec l'eau d'alimentation et retourne dans l'équilibreur vapeur-liquide. L'oxygène gazeux 02 et la vapeur d'eau H2Ov qui sortent du côté anodique de la cellule d'électrolyse 11 sont amenés dans le dispositif de séchage 18 qui enlève l'eau, et l'eau fortement deutérée retourne dans la cellule. On en prend une fraction comme 25 produit sortant. Le dispositif de séchage peut être par exemple un condensateur à colonne remplie, un tamis moléculaire, etc. L'oxygène sortant 02 peut être utilisé à la conversion de l'hydrogène sortant en eau.

Dans la fig. 1, le produit est soutiré de la vapeur d'eau éliminée 30 de l'oxygène. Il peut aussi être soutiré de l'électrolyte après élimination du sel, par exemple KOH, ou de l'eau provenant du bas de la colonne d'échange catalysé.

La fig. 2 montre l'adaptation du procédé à l'amélioration de l'eau lourde provenant par exemple d'un réacteur nucléaire à eau lourde. L'exemple présenté se rapporte à une alimentation contenant 30% de D20. On peut aussi l'adapter à d'autres concentrations. Par exemple, une alimentation à 10% serait alors appliquée en un point intermédiaire dans la colonne du stripper 19 et, de manière semblable, une alimentation à 60% en D20 serait introduite dans la colonne de catalyse 10. Le système est essentiellement le même que celui de la fig. 1, mais il y a quand même des différences. On n'a pas besoin d'un dispositif de séchage de l'hydrogène avant le brûleur, car l'hydrogène et la vapeur d'eau ont approximativement la même concentration en deutérium.

La colonne du stripper est nécessaire lorsqu'il n'est pas pratique de ramener l'hydrogène à 11 % de deutérium ou l'eau produite à partir de cet hydrogène à l'usine de traitement de l'eau lourde. La colonne du stripper est aussi nécessaire si l'eau lourde d'alimentation contient du tritium, du fait que des considérations se rapportant à l'environnement ne permettent pas que l'on ajoute de l'eau tritiée à une usine de traitement de l'eau lourde. Le rapport L/G dans le stripper sera compris dans le domaine variant entre environ 0,3 à 0,8, la valeur exacte dépendant avant tout du rapport choisi entre la concentration en deutérium de l'hydrogène au sommet de l'enrichisseur et celle de l'eau d'alimentation. Dans l'exemple choisi, le rapport L/G dans le stripper vaut 0,36. Du fait qu'une colonne stripper est nécessaire, l'alimentation en eau lourde usée (environ 30% de D20) doit être soumise plus d'une fois à l'électrolyse et, dans l'exemple présenté, la valeur est de 1,1 environ.

Dans la description ci-dessus de l'appareillage présenté dans la fig. 1, on indique que le produit enrichi est prélevé du liquide revenant de l'appareil de séchage de l'oxygène 18. D'une autre manière, une fraction sortante peut être prise dans la cellule 11, et cela nécessite vraisemblablement un appareil d'élimination de l'électrolyte 1 le. Le produit sortant peut aussi être prélevé dans le courant d'hydrogène (ligne 21) ou le courant d'eau (ligne 22). Ces autres possibilités sont aussi indiquées dans la fig. 2.

R

2 feuilles dessins

Claims (7)

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1. Appareillage pour augmenter la teneur en deutérium de l'eau lourde, caractérisé par la présence de:

a) une colonne enrichisseuse (10), à échange isotopique catalysé pour le passage d'hydrogène gazeux et d'eau à contre-courant suivant une relation d'échange isotopique,

b) une cellule d'électrolyse (11) qui possède un côté anodique (lia) et un côté cathodique (11b) qui sont séparés par une cloison (12),

c) un scrubber déshumidificateur (13),

d) des moyens pour faire passer l'eau enrichie en deutérium provenant de la colonne de catalyse à travers le scrubber déshumidificateur et jusqu'à la cellule d'électrolyse,

e) des moyens pour faire passer l'hydrogène produit à la cathode à travers le scrubber déshumidificateur et jusqu'à la colonne de catalyse, ledit scrubber déshumidificateur étant apte à régler l'humidité de l'hydrogène gazeux appauvri en fonction des conditions régnant dans l'enrichisseur, de façon à amener la concentration en deutérium de la vapeur d'eau dans le courant gazeux en équilibre isotopique avec l'eau provenant de l'enrichisseur et à transférer tout électrolyte qui a été entraîné par l'hydrogène dans le courant d'eau descendant,

f) des moyens pour faire passer l'hydrogène gazeux provenant de la colonne de catalyse vers une sortie,

g) des moyens pour introduire de l'eau d'alimentation contenant une faible proportion d'eau lourde dans la partie supérieure de la colonne de catalyse,

h) des moyens pour recueillir l'oxygène produit à l'anode de la cellule d'électrolyse et la vapeur d'eau fortement deutérée provenant de la cellule et les faire passer à travers un dispositif de séchage (18) des gaz, de façon à en éliminer l'eau,

i) des moyens pour faire retourner cette eau dans la cellule,

j) un brûleur (17) pour recombiner l'hydrogène et l'oxygène sortants,

k) des moyens pour faire passer l'oxygène séché dans le brûleur, et 1) des moyens pour prélever du système un produit enrichi en deutérium.

2. Appareillage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens pour prélever le produit enrichi en deutérium sont agencés pour prendre une partie de l'eau provenant de l'appareil de séchage de l'oxygène.

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REVENDICATIONS

3. Appareillage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens pour prélever le produit enrichi en deutérium sont agencés pour prendre un produit dans le côté anodique de la cellule.

4. Appareillage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens pour prélever le produit enrichi en deutérium sont agencés pour prendre une partie du flux d'hydrogène qui s'écoule en direction ascendante.

5. Appareillage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens pour prélever un produit enrichi en deutérium sont agencés pour prendre une partie de l'eau qui s'écoule en direction descendante.

6. Appareillage selon la revendication 1, caractérisé par la présence supplémentaire d'un stripper (19) contenant du catalyseur, situé entre le brûleur et l'enrichisseur, de manière à réduire d'autant plus le contenu en deutérium du flux gazeux et de transférer le deutérium dans l'eau descendant à contre-courant.

7. Appareillage selon la revendication 1, caractérisé par la présence supplémentaire d'un équilibreur vapeur-liquide (15) situé entre l'enrichisseur et le brûleur, de façon à amener en équilibre isotopique la concentration en deutérium de la vapeur d'eau dans le courant gazeux avec l'eau provenant de l'alimentation ou du brûleur.