FR2656814A1 - Appareil et procede pour separer les isotropes de zirconium en utilisant une electro-migration d'ions equilibree. - Google Patents

Abstract

Procédé et appareil pour séparer des isotopes de zirconium par une migration d'ions équilibrée dans un électrolyte à contre-courant, dans lequel on dissout du chlorure de zirconium dans une solution de HCl, et une tension comprise entre 2 et 50 volts est appliquée de part et d'autre de l'électrolyte afin de créer un écoulement d'ions zirconium vers la cathode (11), et un écoulement inverse d'ions chlore vers l'anode (13), qui sont équilibrés de telle sorte que les isotopes les plus légers du zirconium migrent vers la cathode (11) tandis que les isotopes les plus lourds du zirconium restent au voisinage de l'anode (13).

Description

"Appareil et procédé pour séparer les isotopes de

zirconium en utilisant une électro-migration d'ions équili-

brée" Cette invention concerne d'une façon générale la séparation d'isotopes, et concerne de façon spécifique un procédé et un appareil pour séparer des isotopes de zirconium

par migration d'ions équilibrés dans un électrolyte à contre-

courant.

L'utilisation du zirconium pour former des réci-

pients ou des gaines de barres combustibles pour des combus-

tibles nucléaires est bien connue dans la technique exis-

tante Le zirconium existe sous la forme d'un mélange d'isotopes qui comprennent le zirconium 90, le zirconium 91, le zirconium 92, le zirconium 94 et le zirconium 96 Parmi tous ces isotopes, le zirconium 91 est celui qu'il est le moins souhaitable d'utiliser dans ces récipients ou gaines de barres de combustible car sa section efficace de neutrons thermiques relativement élevée lui fait absorber des neutrons thermiques et, par conséquent, gêner la réaction de fission de l'uranium qui est souhaitable dans un assemblage de barres de combustible opérationnel Dans le zirconium naturel, le zirconium 91 ne constitue qu'environ 11 % de la masse totale du métal, le reste étant constitué principalement par du

zirconium 90 ( 51,5 %), du zirconium 92 ( 17 %), et du zirco-

nium 94 ( 17,5 %) Cependant, comme la section transversale de neutrons thermiques du zirconium 91 est 158 fois supérieure à celle du zirconium 90, 6 fois supérieure à celle du zirconium 92, 16 fois supérieure à celle du zirconium 96 et 18 fois supérieure à celle du zirconium 94, la proportion de 11 % en poids du zirconium 91 dans le zirconium naturel produit 73 % de la section efficace de neutrons thermiques

totale du zirconium naturel.

Le fait que le zirconium 91 produit presque les trois quarts de la section efficace de neutrons thermique totale du zirconium naturel a motivé le développement de différentes techniques de séparation isotopique conçues pour se débarasser du zirconium 91 ou au moins pour en réduire la proportion dans le zirconium naturel Dans une de ces techniques, un composé de zirconium est vaporisé et exposé à une impulsion de lumière générée par un laser au C 02 accordé sur les vibrations de la liaison existant soit entre le zirconium 90 soit entre le zirconium 91 et les autres atomes constitutifs réunis au zirconium Les impulsions de lumière accordées provoquent la résonnance de ces liaisons et leur rupture, libérant par conséquent soit le zirconium 90, soit le zirconium 91, en fonction de la fréquence de lumière qui

a été choisie.

Bien qu'une telle séparation isotopique induite par laser se soit révélée être efficace pour ce but visé, elle est malheureusement coûteuse et elle n'est capable de séparer

que des quantités relativement faibles d'isotopes de zirco-

nium en un temps donné Par conséquent, elle ne se prête pas à un processus de séparation en masse à grande échelle qui soit capable de fournir de façon peu coûteuse les grandes quantités de zirconium appauvri en zirconium 91 qui sont nécessaires chaque année pour la fabrication de nouveaux

assemblages combustibles et de récipients pour combustibles.

D'autres procédés sont connus, ceux-ci employant des forces électrolytiques pour séparer les isotopes d'autres éléments, tel que le potassium Dans ces techniques, les ions de potassium naturel sont introduits dans un électrolyte, qui peut être une solution aqueuse de H Cl L'électrolyte et les ions de zirconium dissous sont introduits dans une colonne remplie par un matériau de particules inertes qui procure un chemin d'écoulement tortueux allongé pour le passage des ions zirconium, et un potentiel électrique est appliqué de part et d'autre de la colonne La tension de ce potentiel attire les ions potassium et les ions hydrogène vers la cathode, tout en créant simultanément un contre-courant d'ions chlore en direction de l'anode La tension est suffisamment forte pour qu'une force électrolytique suffisante soit appliquée aux ions potassium plus légers de façon à provoquer une migration nette de ces ions vers la cathode, mais elle n'est pas suffisante pour appliquer un tel mouvement de migration nette aux ions les plus lourds vers la cathode Comme les ions potassium 41 sont approximativement plus lourds de 5 % que les ions potassium 39, ils ne sont pas aussi mobiles dans le milieu fluide de l'électrolyte, et la force électrolytique appliquée à ceux-ci par la cathode est insuffisante pour contre-balancer les forces de l'agitation cinétique qui provoque leur déplacement aléatoire dans l'électrolyte selon un mouvement Brownien, et le contre-courant des ions négatifs autres que ceux du potassium s'écoulant vers l'anode provoque graduellement la migration de ces ions potassium plus lourds en direction de l'anode Du fait de l'équilibre entre le

courant des ions potassium 39 vers la cathode et le contre-

courant des ions potassium 41 vers l'anode, il n'y a pas

d'écoulement net d'ions potassium dans l'électrolyte.

Eventuellement, pendant une certaine période de temps, la région de l'électrolyte au voisinage de la cathode va se trouver enrichie en potassium 39, tandis que la région de l'électrolyte au voisinage de l'anode va se trouver enrichie

en potassium 41.

Malheureusement, bien que la technique de sépara-

tion des isotopes par une migration d'ions équilibrée ait la faculté de séparer de façon peu coûteuse des quantités importantes de ces isotopes, son rendement dépend fortement des poids relatifs des isotopes séparés, car la différence de ces poids affecte la vitesse moyenne des ions d'un isotope particulier dans un milieu liquide Par conséquent, alors que la différence de poids d'environ 5 % entre le potassium 39 et le potassium 41 permet d'utiliser de façon pratique et efficace la migration équilibrée des ions pour séparer des isotopes du potassium, la différence de poids n'atteignant que 1 % entre les atomes de zirconium 90 (qui constituent un petit peu plus de 50 % du zirconium naturel) et des atomes de zirconium 91, diminue de façon significative la capacité des techniques de migration équilibrées d'ions de la technique existante à séparer de façon efficace le zirconium 91 des autres isotopes de zirconium De plus, l'efficacité d'une telle technique de migration équilibrée d'ions est très facilement diminuée par la présence de forces de mélange de fluides dans l'électrolyte, qui peuvent se produire à cause de courants de convexion générés par la chaleur rayonnée par l'une ou l'autre des électrodes, ou l'agitation du fluide

générée par les bulles de gaz produites électrolytiquement.

Finalement, ces techniques de migration équilibrée des ions

tendent à être lentes pour séparer efficacement des isotopes.

Il y a par conséquent un besoin à la fois pour un procédé et pour un appareil pour séparer des isotopes de zirconium qui soient capables de séparer efficacement des quantités relativement importantes d'atomes de zirconium des atomes de zirconium 91 De façon idéale, une telle technique devrait fonctionner rapidement, de telle sorte que des quantités commercialement significatives de zirconium appauvri en zirconium 91 puissent être produites pour être utilisées dans les gainages de barres de combustible utilisés dans les assemblages de combustible nucléaire Finalement, l'appareil utilisé pour réaliser la séparation isotopique du

zirconium devrait être simple et de construction peu coû-

teuse, et relativement facile à utiliser De façon générale, l'invention est tout à la fois un appareil et un procédé pour

séparer des isotopes du zirconium qui évitent ou qui amélio-

rent les inconvénients associés à la technique existante. Le procédé de l'invention sépare les isotopes du zirconium dans un électrolyte par migration équilibrée des ions, celle-ci comportant des étapes d'introduction d'ions d'isotopes du zirconium différents dans un électrolyte qui comporte également des ions négatifs, et l'application d'une tension comprise entre environ 2 et 50 volts de part et d'autre de l'électrolyte avec une anode et une cathode, afin de créer un courant d'ions zirconium en direction de la cathode, et un contre-courant d'ions autre que ceux du zirconium en direction de l'anode, qui réduisent le transport net des ions zirconium entre l'anode et la cathode à zéro Le procédé équilibre la tendance des ions zirconium chargés positivement à être électrolytiquement attirés vers la cathode à l'encontre de l'agitation cinétique des ions zirconium dans l'électrolyte liquide Les demandeurs ont observé que l'application d'une tension comprise entre environ 2 et 50 volts de part et d'autre d'un tel électrolyte est suffisante pour imposer un léger déplacement dans le sens normal des isotopes les plus légers du zirconium, qui vainc l'agitation cinétique de ces ions en solution, mais qui est insuffisante pour vaincre cette agitation cinétique en ce qui concerne les isotopes de zirconium les plus lourds Par conséquent, les isotopes de zirconium les plus légers migrent vers la cathode, tandis que les isotopes de zirconium les

plus lourds migrent au voisinage de l'anode.

Pour accélérer le procédé de séparation, le procédé comporte également de préférence l'étape de polarisation du déplacement de ces ions zirconium dans l'électrolyte le long de la direction du courant et du contrecourant des ions

positifs et négatifs par rapport à l'anode et à la cathode.

Comme on va le voir plus en détail ci-après, cette étape peut être réalisée au moyen d'une pluralité de tubes capillaires parallèles ayant des diamètres intérieurs très faibles, qui

gênent le déplacement de translation des ions dû à l'agita-

tion cinétique dans toutes les directions sauf dans la direction entre l'anode et la cathode, ce qui accélère

considérablement le processus de séparation.

L'électrolyte est caractérisé par un p H sélec-

tionné, et le procédé peut également comporter l'étape de maintien de ce p H durant l'écoulement et le contre-écoulement des ions dans l'électrolyte de telle sorte que le courant électrique induit dans l'électrolyte par la tension reste substantiellement constant Dans la réalisation préférée, l'électrolyte est une solution aqueuse de H Cl ayant une molarité comprise entre environ 0,5 et 3, qui est maintenue par des additions constantes de H Cl additionnel afin de compenser l'hydrogène et le chlore qui sont dégagés à la cathode et à l'anode La conservation d'un p H constant dans l'électrolyte génère un contre- courant d'ions chlore qui appliquent une résistance constante et uniforme au courant d'ions zirconium vers la cathode, et qui maintient de plus la conductivité électrique de l'électrolyte à un niveau qui évite la génération de chaleur excessive, ce qui du même coup peut produire le mélange indésirable de l'électrolyte en

conséquence des courants de convexion générés par la chaleur.

Dans les étapes finales du procédé de l'invention, l'électrolyte au voisinage de l'anode et de la cathode est évacué soigneusement de façon à minimiser l'agitation du fluide, et les ions zirconium contenus à l'intérieur de celui-ci sont précipités hors de la solution avec un composé d'ammoniac. L'appareil de l'invention comporte de façon générale une colonne pour contenir un électrolyte qui comporte des ions zirconium de différents isotopes ainsi que des ions chargés négativement, comme par exemple des ions chlore, une anode et une cathode disposées à différentes extrémités de la colonne La cathode et l'anode appliquent, de part et d'autre de l'électrolyte, une tension qui est suffisante pour provoquer la migration des ions zirconium les plus légers vers la cathode et pour générer un contre-courant d'ions autres que le zirconium qui soit suffisant pour provoquer la migration des ions zirconium les plus lourds vers l'anode L'appareil comporte de plus un ensemble polarisant pour polariser le déplacement moléculaire des ions zirconium entre l'anode et la cathode de telle sorte que le

déplacement de ces ions soit empêché dans toutes les direc-

tions sauf entre l'anode et la cathode Dans la réalisation préférée, l'ensemble de polarisation est un faisceau de tubes capillaires, chacun d'entre eux ayant un diamètre intérieur de l'ordre de 0,5 mm environ, dont les extrémités ouvertes sont disposées en alignement avec l'anode et la cathode de l'appareil. L'appareil peut comporter de plus des première et deuxième séparations perméables aux liquides, comme par exemple en fritté de verre, disposées dans la colonne entre l'anode et l'ensemble de polarisation et la cathode et l'ensemble de polarisation pour séparer les régions de l'électrolyte qui sont riches en certains isotopes de zirconium, et également pour empêcher le mélange en masse de se produire dans l'électrolyte enfermé à l'intérieur de la colonne en conséquence de la chaleur des bulles de gaz générées par les électrodes L'anode et la cathode peuvent être formées au moins en partie par un métal inerte, tel que le platine, afin de minimiser la corrosion Finalement, l'appareil peut comporter un ensemble d'évacuation ayant un orifice de retrait situé entre l'anode et la cathode et l'ensemble de polarisation pour retirer un électrolyte riche

en un isotope de zirconium particulier sans agiter l'élec-

trolyte. Le procédé et l'appareil procurent tous deux un moyen pour séparer de grandes quantités d'isotopes de zirconium plus lourd et des isotopes plus légers d'une façon

qui est relativement rapide et peu coûteuse.

Les réalisations préférées de l'invention vont maintenant être décrites, à titre d'exemple, en se référant aux dessins joints dans lesquels:

La Figure 1 est une vue en perspective semi-

schématique de l'appareil de séparation isotopique de la présente invention; La Figure 2 est une vue en coupe de la partie tubulaire centrale de l'appareil de séparation illustré en Figure 1 le long de la ligne 2-2, montrant la façon dont l'ensemble de polarisation de l'appareil est formé à partir d'un faisceau de tubes capillaires en verre densément réunis; La Figure 3 est un agrandissement de la vue en coupe illustrée en Figure 2 à l'intérieur du cercle en tirets; et La Figure 4 est une vue latérale en coupe de l'un

des tubes capillaires utilisé dans l'ensemble de polarisa-

tion, montrant comment ils guident le déplacement aléatoire

d'un ion zirconium caractéristique vers un électrode.

Si l'on se référe maintenant à la Figure 1, l'appareil de séparation isotopique 1 de l'invention comporte de façon générale un ensemble de colonne 3 ayant une partie centrale tubulaire 5 qui est flanquée par une partie 7 d'enceinte de cathode et une partie 9 d'enceinte d'anode Les parties d'enceinte de cathode et d'anode 7 et 9 renferment une cathode 11 et une anode 13, respectivement Dans la réalisation préférée, la cathode 11 et l'anode 13 sont toutes

deux formées en un métal non corrodable, tel que le platine.

La cathode 11 est connectée au pôle négatif d'une source de tension 14, tandis que l'anode 13 est connectée au pôle popstiif de la source 14 Comme cela va être décrit en détail ci-après, la source de tension 14 applique un potentiel électrique compris entre 2 et 25 volts entre la cathode 11 et l'anode 13, et égal de préférence à 5 volts dans le procédé de l'invention Une telle plage de tension génère le courant

d'ions zirconium désiré vers la cathode 11 et le contre-

courant d'équilibre d'ions chlore vers l'anode 13 nécessaire

pour effectuer la séparation isotopique.

La partie 7 d'enceinte de cathode et la partie 9

d'enceinte d'anode comportent toutes deux un fritté d'isole-

ment d'électrodes 15 et 17, respectivement, pour définir une chambre de cathode séparée 19 dans la partie 7 d'enceinte de

cathode, et une chambre d'anode 21 dans la partie 9 d'en-

ceinte d'anode Chacun de ces frittés d'isolement 15 et 17 a, de préférence, une porosité moyenne, qui permet elle-même aux ions dans l'électrolyte contenue à l'intérieur de l'ensemble de colonnes 3 de s'écouler relativement facilement entre les chambres de cathode et d'anode 19 et 21 sans qu'il y ait

conduction d'une quantité significative de courant de fluide.

La chambre de cathode 19 et la chambre d'anode 21 comportent toutes deux un orifice de sortie d'évacuation 23 a, 23 b afin de permettre l'évacuation de gaz réduits par la cathode 11 et

l'anode 13 De façon spécifique, l'orifice de sortie d'éva-

cuation 23 a au sommet de la chambre de cathode 19 permet l'évacuation de gaz hydrogène réduit électrolytiquement, tandis que l'orifice de sortie d'évacuation 23 b exposé au sommet de la chambre d'anode 21 permet l'évacuation de gaz chlore réduit électrolytiquement La chambre de cathode 19 et la chambre d'anode 21 comportent de plus chacune un orifice d'entrée de remplissage en H Cl 25 a et 25 b pour recevoir une solution aqueuse de chlorure d'hydrogène à partir d'un

ensemble de remplissage en H Cl 46 (exposé plus en détail ci-

après). Les frittés d'isolement d'électrode 15 et 17 isolent efficacement l'électrolyte contenue dans le reste de l'ensemble de colonne 3 de l'agitation du fluide générée par les bulles de gaz hydrogène et de chlore en formation constante qui montent vers le haut le long des faces de la cathode et de l'anode 11 et 13 Ces frittés 15 et 17 isolent de plus le reste de l'électrolyte des courants de convexion thermiques réduits mais tout de même significatifs générés par l'anode et la cathode en conséquence du passage d'un courant électrique à travers elle à partir de la source de tension 14 Finalement, ces frittés 15 et 17 isolent le reste de l'électrolyte dans l'ensemble de colonne 3 de l'agitation de fluide provoquée par l'introduction constante d'une

solution aqueuse de chlorure d'hydrogène à partir de l'ensem-

ble de remplissage en H Cl 46 à travers les orifices 25 a et b, qui est réalisée durant le processus de séparation de

l'invention afin de compenser les pertes constantes d'hydro-

gène et de chlore qui se produisent en conséquence de l'électrolyse et de maintenir le p H de l'électrolyte à un

niveau constant.

La partie 7 d'enceinte de cathode et la partie 9 d'enceinte d'anode comportent de plus toutes deux un deuxième fritté d'isolement de colonne 27 et 29, respectivement Ces frittés d'isolement 27 et 29 définissent des chambres d'évacuation 31 et 33 dans les parties d'enceinte 7 et 9, comme représenté Chacune de ces chambres d'évacuation comporte elle-même un orifice d'évacuation 35 a, 35 b pour évacuer l'électrolyte qui a été enrichie en Zr 90, en Zr 92, en Zr 94 ou en Zr 96 A cette fin, chacun des orifices d'évacuation

a et 35 b est connecté à un tube d'évacuation 37 a et 37 b.

Chacun de ces tubes d'évacuation 37 a et 37 b comporte un bouchon d'arrêt 39 a et 39 b du type burette pour permettre l'évacuation de la solution isotopique contenue à l'intérieur des chambres d'évacuation 31 et 33 d'une façon lente et contrôlée On peut évidemment remplacer les vannes 39 a et 39 b du type burette par des microvannes commandées de façon électronique, disponibles dans le commerce Les extrémités de sortie de chacun des tubes d'évacuation 37 et 39 sont

disposées sur les cuves de collecte 42 et 44, comme repré-

sentë. Comme cela a été indiqué précédemment, l'appareil de séparation 1 comporte un ensemble de remplissage en H Cl 46 pour rétablir la quantité d'ions hydrogène et chlore dans l'électrolyte, pour remplacer ceux qui ont été réduits en gaz par la cathode 11 et l'anode 13 Pour permettre cela, l'ensemble de remplissage 46 comporte un réservoir 48 de H Cl aqueux ayant une paire de conduits 50 a et 50 b qui sont connectés aux orifices d'entrée de remplissage précédemment mentionnés 25 a et 25 b situés au sommet des chambres de cathode et d'anode 19 et 21 Le courant de H Cl aqueux à travers chacun des conduits 50 a et 50 b est commandé par des microvannes actionnées électroniquement 52 a et 52 b Durant le

fonctionnement de l'appareil 1, la modulation de ces micro-

vannes 52 a et 52 b est elle-même commandée par la combinaison d'un détecteur de courant sous la forme d'un ampèremètre 54 et d'un microprocesseur 56 Comme cela est illustré de façon schématique en Figure 1, l'ampèremètre 54 est connecté entre la cathode 11 et l'anode 13 Lorsque le gaz hydrogène et le gaz chlore se dégagent à la cathode et à l'anode 11, 13, durant le fonctionnement de l'appareil 1, le p H change, et, par conséquent, la conductivité électrique de l'électrolyte

contenu à l'intérieur de l'ensemble de colonne 3 augmente.

Comme la source de tension 14 applique une tension constante entre la cathode et l'anode 11 et 13, cette augmentation de

résistance électrique réduit la quantité de courant s'écou-

lant entre ces électrodes Cette diminution du courant électrique est détectée par l'ampèremètre 54, dont la sortie est elle-même connectée à l'entrée du microprocesseur 56 Le microprocesseur 56 est programmé pour maintenir l'écoulement du courant entre la cathode et l'anode 11 et 13 entre certaines limites Par conséquent, lorsque le courant détecté

par l'ampèremètre 54 descend au-dessous de la limite infé-

rieure de ce programme, le microprocesseur 56 va transmettre des signaux de commande électrique par les câbles de sortie 58 a et 58 b, provoquant par conséquent l'ouverture des microvannes actionnées électroniquement 52 a et 52 b, et, par conséquent, la conduction d'une quantité suffisante de la solution aqueuse concentrée de H Cl contenue dans le réservoir 48 pour que le courant circulant entre la cathode et l'anode 11 et 13 augmente jusqu'à la limite supérieure du programme du microprocesseur 56, après quoi le microprocesseur 56 va

fermer les vannes 52 a et 52 b.

Comme on le voit au mieux dans les Figures 2 et 3, la partie tubulaire 5 de l'ensemble de colonne 3 comporte un ensemble de polarisation 60 formé à partir d'un faisceau de tubes capillaires individuels 62 Dans la réalisation

préférée, chacun des tubes 62 est un tube capillaire disponi-

ble dans le commerce du type utilisé dans l'instrumentation pour la résonnance magnétique nucléaire Ces tubes ont un diamètre intérieur d d'approximativement 0,5 mm, et une épaisseur de paroi de tube t d'approximativement 0,1 mm Ces tubes 62 sont de préférence regroupés dans une disposition dense à intervalle triangulaire Les tubes 62 ont une longueur comprise de préférence entre 12 et 20 cm, et le faible diamètre intérieur de ces tubes exerce des forces

capillaires sur les ions présents dans l'électrolyte, celles-

ci retardant leur mouvement Brownien dans toutes les direc-

tions et améliorant par conséquent la séparation De plus, comme on le voit le mieux en Figure 3, les interstices entre les tubes individuels 62 sont de préférence complètement remplis par un matériau de remplissage 64 qui peut être un verre fusible ou une matière plastique durcissable Le matériau de remplissage 64 peut être, par exemple, l'une quelconque d'un certain nombre de matières plastiques acryliques Le remplissage des interstices par un matériau de

remplissage 64 garantit qu'aucune accélération de l'écoule-

ment ni aucun autre écoulement de fluide non uniforme ne se produira en aucun point de la section de l'ensemble de

polarisation 60.

Le fonctionnement de l'ensemble de polarisation 60 peut être compris au mieux si on se reporte à la Figure 4, qui illustre comment le mouvement Brownien d'un ion zirconium caractéristique est efficacement gêné dans toutes les directions sauf dans la direction entre la cathode 11 et l'anode 13 de l'ensemble de colonne 3 Le retard sélectionné de ce déplacement cinétique aléatoire des ions zirconium procure une colonne de séparation qui est exactement aussi efficace que les colonnes employant des amas de particules inertes pour augmenter la distance de déplacement moyenne des ions zirconium de façon à améliorer la séparation isotopique de ceux-ci, mais augmente considérablement la séparation obtenue pendant une unité de temps donnée car le déplacement axial entre la cathode et l'anode 11 et 13 reste relativement

non gêné.

Dans le procédé de l'invention, l'ensemble de colonne 3 est rempli par un électrolyte formé par dissolution

d'une quantité maximale d'un sel de zirconium, tel que Zr C 14.

Autrement, on peut utiliser Zr(NO 3)4 De préférence, la

solution 0,10 M d'H Cl est saturée en sel de zirconium.

Lorsque l'on utilise Zr C 14, l'électrolyte résultant a une

concentration en Zr C 14 de 1,67 % environ.

Ensuite, la source de tension 14 est électriquement connectée entre la cathode 11 et l'anode 13 Bien que l'on puisse utiliser des tensions quelconques comprises entre 2 et volts, la source de tension 14 applique de préférence une tension d'environ 5 volts Peu de temps après que la source de tension 14 ait été connectée à la cathode et à l'anode 11 et 13, l'ampèremètre 54 et le microprocesseur 56 sont tous deux actionnés Le microprocesseur est programmé pour interpréter la première lecture qu'il reçoit de l'ampèremètre 54 comme étant le courant "de base" qu'il essaiera de maintenir durant le fonctionnement de l'appareil 1 Bien que le courant mesuré par l'ampèremètre 54 dépende des dimensions spécifiques de l'ensemble de colonne 3 et de la molarité spécifique de la solution aqueuse d'H Cl dans le type de sel de zirconium qui y est dissout, le demandeur s'est aperçu que des densités de courant de l'ordre d'approximativement milliampères par cm 2 de surface de section transversale de la colonne devraient être des densités caractéristiques. L'opérateur de l'appareil 1 devra maintenir l'application d'un potentiel de 5 volts entre la cathode 11 et l'anode 13 pendant au moins 96 heures, et de préférence

pendant environ 360 heures avant d'essayer d'évacuer l'élec-

trolyte hors des chambres d'évacuation 31 et 33 Bien que les résultats puissent dépendre des caractéristiques de courant et de contre-courant obtenues entre les ions zirconium et chlore dans l'électrolyte, les demandeurs pensent que la concentration la plus élevée en zirconium autre que le zirconium 91 sera obtenue dans la partie 9 d'enceinte d'anode de l'ensemble de colonne car la différence de poids est substantiellement supérieure entre le zirconium 94 et le zirconium 96 et le zirconium 91 qu'entre le zirconium 90 et

le zirconium 91.

Après que les isotopes de zirconium séparés aient été évacués dans les cuves de collecte 42 et 44, le zirconium est précipité à partir de la solution par l'addition d'une solution aqueuse d'ammoniac Les précipités sont alors récupérés, évacués, séchés, et le nitrate de zirconium résultant est à nouveau raffiné sous forme de zirconium

métallique par les techniques de raffinement classiques.

Claims (24)

REVENDICATIONS

1 Procédé pour séparer des isotopes de zirconium

par migration d'ions équilibrés dans un électrolyte à contre-

courant, caractérisé par les étapes suivantes: introduction d'isotopes de zirconium diffé- rents dans un électrolyte qui comporte des ions autres que les ions zirconium, et application d'une tension comprise entre environ 2 et environ 50 volts, de part et d'autre dudit électrolyte, avec une anode ( 13) et une cathode ( 11) afin de créer un écoulement d'ions zirconium vers ladite cathode ( 11), et afin de créer un écoulement inverse desdits ions autres que les ions zirconium en direction de ladite anode ( 13), qui réduise le transport net des ions zirconium entre ladite anode ( 13) et ladite cathode ( 11) à zéro, grâce auquel les isotopes les plus légers du zirconium migrent en direction de la cathode ( 11) tandis que

les isotopes les plus lourds du zirconium migrent en direc-

tion de l'anode ( 13).

2 Procédé pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit électrolyte est défini par un p H sélectionné, et en ce qu'il comporte de plus l'étape de maintien dudit p H sélectionné durant ledit écoulement inverse d'ions autres que les ions zirconium dans ledit électrolyte de telle sorte que le courant électrique induit dans l'électrolyte par ladite

tension reste substantiellement constant.

3 Procédé pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 1, caractérisé de plus par l'état de polarisation du déplacement cinétique desdits ions zirconium

dans ledit électrolyte le long de la direction dudit écoule-

ment et dudit écoulement inverse.

4 Procédé pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits ions des différents isotopes du zirconium sont introduits dans ledit électrolyte en dissolvant un composé de zirconium dans

ledit électrolyte.

Procédé pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit composé

du zirconium est un sel du zirconium.

6 Procédé pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit composé

du zirconium est du Zr C 14.

7 Procédé pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite

tension est comprise entre environ 2 et environ 25 volts.

8 Procédé pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 1, caractérisé de plus par l'étape de séparation de différentes sections de l'électrolyte entre ladite anode ( 13) et ladite cathode ( 11) afin de définir des régions dudit électrolyte qui sont enrichies en différents isotopes desdits ions zirconium et afin d'empêcher le mélange

en masse.

9 Procédé pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 8, caractérisé de plus par l'étape de retrait de l'électrolyte dans au moins l'une desdites régions et par la réduction et par la réduction et le retrait des ions zirconium de l'électrolyte de ladite région afin de produire du zirconium qui soit enrichi en un ou en plusieurs

des isotopes sélectionnés.

Procédé pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 9, caractérisé en ce que les ions zirconium présents dans ledit électrolyte retiré sont réduits par l'intermédiaire d'une précipitation à l'aide d'un composé basique. 11 Procédé pour séparer les isotopes du zirconium

par migration d'ions équilibrés dans un électrolyte à contre-

courant, caractérisé par les étapes suivantes: dissolution d'un composé de zirconium dans un électrolyte, caractérisé par un p H sélectionné qui comporte des ions autres que des ions zirconium, afin d'introduire des

ions de différents isotopes du zirconium dans ledit élec-

trolyte; application d'une tension comprise entre environ 2 et environ 25 volts de part et d'autre dudit électrolyte avec une anode ( 13) et une cathode ( 11) afin d'attirer un écoulement d'ions zirconium vers ladite cathode ( 11) et de créer un écoulement inverse desdits ions autres que les ions zirconium vers ladite anode ( 13) qui soit suffisant pour gêner la migration des isotopes les plus lourds du zirconium vers la cathode ( 11) mais qui ne soit pas suffisant pour gêner l'écoulement des isotopes les plus légers du zirconium vers la cathode ( 11), grâce à quoi le transport net desdits ions zirconium entre ladite anode ( 13) et ladite cathode ( 11) est égal à zéro, et maintien du p H sélectionné dudit électrolyte durant l'écoulement inverse des ions autres que les ions zirconium dans ledit électrolyte de telle sorte que la résistance électrique dudit électrolyte et, par conséquent, ledit courant électrique induit par ladite tension, restent

substantiellement constants.

12 Procédé pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit électrolyte est une solution aqueuse de H Cl avec un p H

sélectionné compris entre 0,5 et 3,0.

13 Procédé pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 11, caractérisé en ce que le p H dudit électrolyte est sélectionné de telle sorte que la résistance électrique dudit électrolyte soit suffisante dans ladite plage de tension comprise entre 2 et 25 volts pour limiter le courant à un niveau tel que la chaleur généré par ledit courant à l'intérieur dudit électrolyte n'agite pas de façon

significative ledit électrolyte.

14 Procédé pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 11, caractérisé de plus par l'étape de séparation de différentes sections de l'électrolyte entre ladite anode ( 13) et ladite cathode ( 11) pour définir des régions dudit électrolyte qui sont enrichies en différents isotopes desdits ions zirconium, et pour empêcher le mélange

en masse de se produire dans ledit électrolyte.

Procédé pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 11, caractérisé de plus par l'étape d'empêchement du déplacement desdits ions zirconium à l'intérieur dudit électrolyte dans toutes les directions sauf

entre ladite anode ( 13) et ladite cathode ( 11).

16 Procédé pour séparer les isotopes les plus lourds et les plus légers du zirconium grâce à une migration d'ions déséquilibrés dans un électrolyte à contre-courant, caractérisé par: des moyens ( 3) formant colonne pour contenir un électrolyte qui comporte des ions zirconium de différents isotopes ainsi que les ions autres que les ions zirconium; une anode ( 13) et une cathode ( 11) disposées aux différentes extrémités desdits moyens ( 3) formant colonne

pour appliquer une tension de part et d'autre dudit élec-

trolyte qui soit suffisante pour attirer un écoulement d'ions

zirconium vers ladite cathode ( 11) et pour créer un écoule-

ment inverse d'ions autre que les ions zirconium vers ladite anode ( 13) qui soit suffisant pour gêner la migration des ions des isotopes plus lourds du zirconium mais qui soit insuffisant pour gêner la migration des ions des isotopes plus légers du zirconium; et des moyens ( 60) pour polariser le mouvement moléculaire des ions zirconium le long de la direction dudit

écoulement et dudit écoulement inverse.

17 Appareil pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 16, caractérisé en ce que lesdits moyens de polarisation ( 60) comportent une pluralité de tubes ( 62) de conduction de l'écoulement disposés à l'intérieur desdits moyens ( 3) formant colonne, dans lequel l'extrémité ouverte de chaque tube ( 62) communique avec ladite anode ( 13)

et ladite cathode ( 11).

18 Appareil pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 17, caractérisé en ce que le diamètre intérieur de chacun desdits tubes ( 62) est compris entre 0,25

et 1,5 mm.

19 Appareil pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 17, caractérisé en ce que chacun

desdits tubes ( 62) a une longueur comprise entre 15 et 30 cm.

Appareil pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens ( 15, 17; 27, 29) de séparation perméables aux liquides disposés dans lesdits moyens ( 3) formant colonne

pour empêcher le mélange en masse dudit électrolyte.

21 Appareil pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des premiers ( 17, 15) et des deuxièmes ( 29, 27) moyens de séparation perméables aux liquides disposés dans lesdits moyens ( 3) formant colonne entre ladite anode ( 13) et lesdits moyens de polarisation ( 60) et ladite cathode ( 11) et

lesdits moyens de polarisation ( 60), respectivement.

22 Appareil pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 21, caractérisé en ce que chacun desdits moyens ( 15, 17; 27, 29) de séparation perméables aux

liquides comportent un fritté de verre.

23 Appareil pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 16, caractérisé en ce que ladite anode ( 13) et ladite cathode ( 11) sont formées au moins en partie

par un métal inerte.

24 Appareil pour séparer les isotopes du zirconium selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens ( 35 b, 37 b, 39 b; 35 a, 37 a, 39 a) pour évacuer l'électrolyte hors de ladite colonne avec une agitation minimale, comportant un orifice de retrait ( 35 b, a) situé entre ladite anode ( 13) et ladite cathode ( 11) et

lesdits moyens ( 17, 29; 15, 27) de séparation.

Appareil pour séparer les isotopes les plus lourds et les plus légers du zirconium par une migration d'ions équilibrés dans un électrolyte à contre-courant, caractérisé par: des moyens ( 3) formant colonne pour contenir un électrolyte ayant un p H sélectionné qui comporte des ions zirconium de différents isotopes ainsi que des ions chargés négativement; une anode ( 13) et une cathode ( 11) disposées aux différentes extrémités desdits moyens ( 3) formant colonne afin d'appliquer une tension de part et d'autre desdits moyens ( 3) formant colonne qui soit suffisante pour attirer un écoulement d'ions zirconium vers ladite cathode ( 11) et pour créer un écoulement inverse d'ions chargés négativement vers ladite anode ( 13) qui soit suffisant pour gêner la migration d'ions des isotopes les plus lourds du zirconium mais qui soit insuffisant pour gêner la migrations d'ions des isotopes les plus légers du zirconium de façon telle que l'écoulement net des isotopes du zirconium entre ladite anode ( 13) et ladite cathode ( 11) soit substantiellement égal à zéro; des moyens ( 46; 48; 50 b, 50 a; 52 b, 52 a;

25 b, 25 a) pour maintenir le p H dudit électrolyte substantiel-

lement audit p H sélectionné; et des moyens ( 60) pour polariser le mouvement

moléculaire desdits atomes de zirconium dans ledit élec-

trolyte le long de la direction dudit écoulement et dudit écoulement inverse, comportant une pluralité de tubes ( 62) conducteurs d'écoulement disposés à l'intérieur desdits moyens ( 3) formant colonne, à l'intérieur desquels les extrémités ouvertes desdits tubes ( 62) communiquent avec

ladite anode ( 13) et ladite cathode ( 11).

26 Electrolyte comportant des ions zirconium et des ions autres que des ions zirconium produits par le procédé défini dans la revendiation 1, caractérisé en ce que les proportions des différents isotopes du zirconium contenus dans l'électrolyte sont différentes des proportions des différents isotopes du zirconium initialement introduits dans l'électrolyte.

27 Electrolyte selon la revendication 26, caracté-

risé en ce que le zirconium naturel est utilisé pour produire

les ions zirconium initialement introduits dans l'élec-

trolyte, qui comportent une moindre proportion en zirconium

91 que le zirconium naturel.

28 Electrolyte comportant des ions zirconium et des ions autres que les ions zirconium produits par le procédé défini dans la revendication 12, caractérisé en ce que les proportions des différents isotopes du zirconium dans la solution d'H Cl sont différentes des proportions des différents isotopes du zirconium initialement introduits dans l'électrolyte.