WO2016198654A1 - Installation, procédé de dénitration thermique, utilisation d'une telle installation et produit obtenu par un tel procédé - Google Patents

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chamber
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Alex Jourdan
Marc DUPOIZAT
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Areva Nc
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Definitions

  • the present invention relates to a thermal denitration plant of uranyl nitrate hydrate to obtain uranium trioxide, the uranium dioxide being in the form of particles.
  • the invention also relates to a use of such an installation for carrying out a thermal denitration of a hydrated uranyl nitrate, in particular the thermal denitration of uranyl nitrate hexahydrate.
  • the present invention also relates to a method of thermal denitration of uranyl nitrate hydrate to uranium trioxide, as well as to uranium trioxide obtained directly by this thermal denitration process, this uranium dioxide occurring in the form of particles.
  • the uranium trioxide UO3 obtained can then be reduced to uranium dioxide U0 2 .
  • this uranium dioxide UO2 can then be converted into uranium tetrafluoride UF 4 which plays a major role in various processes of the nuclear industry.
  • the document [2] describes, moreover, a thermal denitration plant uranyl nitrate suitable for carrying out the above process.
  • This plant shown schematically in Figure 1 attached and described in connection with the thermal denitration of uranyl nitrate hexahydrate, comprises:
  • reaction chamber 1 disposed at the outlet of the burner 4 and comprising an uranyl nitrate hexahydrate inlet and configured to perform a thermal denitration of the uranyl nitrate hexahydrate and to form uranium trioxide UO3 in the form of particles ,
  • a separation chamber 8 adapted to separate a part of the U03 particles from the gases resulting from the thermal denitration carried out in the reaction chamber 1, and
  • the reaction chamber 1 is delimited by a cylindrical envelope extended at each end by a cone reducing the inlet 2 and outlet 3 sections of the reaction chamber 1.
  • the inlet 2 is connected to a burner 4 fed with air through line 5 and with fuel gas via line 6.
  • a line 7 supplies the reaction chamber 1 with uranyl nitrate hexahydrate.
  • the outlet 3 of the reaction chamber 1 is connected, via a pipe 9, to the separation chamber 8 which is constituted by a cyclone.
  • the particles of U03 formed in the reaction chamber 1 those having an average particle diameter of at least 15 ⁇ are recovered by the pipe 10 connected to the low output of the cyclone 8.
  • the other particles, of average diameter lower particles, called fine particles, are conveyed by the gaseous vents at the top of the cyclone 8 and are sent through the pipe 11 to the filter 12 which is a bag filter.
  • the fine particles are recovered by the pipe 13.
  • the dust-free gases are sucked, by means of a fan situated at the outlet of the filter 12, via a pipe 14.
  • U03 particles are collected by means of, not just a single pipe, but two pipes, in this case pipes 10 and 13.
  • the UO3 particles obtained by this method have an average particle diameter not exceeding 5 ⁇ , the separation yield obtained by means of the cyclone 8 is low, typically of the order of 30%, the major part of the U03 particles being collected by the bag filter 12 and collected at the level of the pipe 13. Consequently, the implementation of an installation such as that described in the document [2] leads to a permanent overload of the bag filter 12. It should also be noted that the overload occurs, even in the case where the bag filter 12 is equipped with a continuous declogging device. Such an overload of the bag filter 12 generates a pressure drop which can be detrimental in the case of a facility for the treatment of nuclear material.
  • the material constituting the sleeves of the bag filter 12 degrades from operating temperatures of the order of 200 ° C. Knowing that the denitration reaction temperature is between 350 ° C and 500 ° C, it is therefore imperative to cool the gas stream flowing in the pipe 11 by a complementary fresh air circulation device whose flow is typically of the order of 300 kg / h.
  • the U03 particles collected at the pipe 10 connected to the cyclone 8 have a BET specific surface area of the order of 20 to 25 m 2 / g. These UO 3 particles thus have a very good reactivity with a view to their subsequent conversion to uranium dioxide U0 2 and uranium tetrafluoride UF 4 .
  • the U03 particles collected at the pipe 13 connected to the bag filter 12 have, for their part, a BET specific surface area of less than 12 m 2 / g.
  • the particles of U03 collected at the pipe 13 thus have a less efficient reactivity for their transformation in U0 2 then in UF 4 than those collected at the level of the pipe 13.
  • the object of the invention is, therefore, to overcome the disadvantages of the prior art installation and to propose a thermal denitration plant uranyl nitrate hydrate uranium trioxide that allows to obtain with a high yield, uranium trioxide particles having morphological characteristics superior to the morphological characteristics exhibited by the mixture of the uranium trioxide particles collected at the line 10 disposed at the outlet of the separation chamber or cyclone 8, on the one hand, and those collected at the line 13 disposed at the outlet of the baghouse 12 of the installation described in document [2].
  • the installation according to the invention must, in addition, have a configuration simplified compared to that of the installation described in document [2], avoiding in particular the implementation of complementary devices for cooling some of the gas flows.
  • reaction chamber disposed at the outlet of the burner and comprising a hydrated uranyl nitrate inlet, said reaction chamber and the burner being configured to carry out a thermal denitration of the uranyl nitrate hydrate and to form uranium trioxide UO3; presenting in the form of particles,
  • a separation chamber adapted to separate a part of the U03 particles from the gases resulting from the thermal denitration carried out in the reaction chamber
  • At least one filter configured to separate the other part of the U03 particles from said gases and thus purify said gases.
  • the separation chamber of the installation is a settling chamber into which the reaction chamber directly opens and the filter is able to perform the separation at a temperature above 350 ° C.
  • settling chamber an enclosure having defined dimensions and a volume in which is introduced a mixture immiscible, such as solid particles contained in a carrier gas, and which uses the effect of gravity to separate the different phases, that is to say to separate the particles of the carrier gas.
  • a mixture immiscible such as solid particles contained in a carrier gas
  • gravity uses the effect of gravity to separate the different phases, that is to say to separate the particles of the carrier gas.
  • a settling chamber as a separation chamber allows a particularly efficient separation of the U03 particles formed in the reaction chamber by thermal denitration of uranyl nitrate hydrate from the reaction gases. Indeed, the majority of the UO3 particles are collected at the outlet of the settling chamber, typically with a yield of at least 65%, a yield well above that of 30% obtained by the cyclone 8 of the installation described in document [2]. As a result, overloading of the filter or filters is avoided, which makes it possible to overcome all the disadvantages associated with the pressure drop generated by the overloading of the bag filter described in document [2].
  • the inventors have also observed that, unexpectedly and surprisingly, the UO3 particles collected at the outlet of the settling chamber have morphological characteristics greater than those of the mixture of UO3 particles collected by means of the described installation. in document [2].
  • these particles may have the following characteristics:
  • the UO3 particles collected at the outlet of the settling chamber have a reactivity that is perfectly adapted for their subsequent conversion into uranium dioxide UO 2 and uranium tetrafluoride UF 4 .
  • the upper part of the separation chamber may comprise at least one gas outlet equipped with the filter to evacuate the gases after their separation from the particles.
  • the separation chamber may comprise at least one gas outlet in the direction of the filter.
  • the plant may further include a gas deflection means for diverting gases from the mouth of the reaction chamber into the separation chamber at a settling location of the separation chamber having a lower vertical dimension. to that of the exit of gases.
  • Such a deflection means makes it possible to optimize the separation efficiency of the separation chamber. Indeed, since the gases and particles are deflected by the deflection means on the deflection location having a vertical dimension lower than that of the filter, only the finest particles entrained by the hot gases are likely to reach the filter and not to be separated from the gases.
  • separation chamber and "settling chamber” are used in turn to designate the separation chamber of the installation according to the invention and are therefore interchangeable, without changing the meaning.
  • the vertical dimension of the settling place may be smaller than that of the gas outlet of a height h, the separation chamber having a height H.
  • the ratio h on H may be between 0.1 and 0.5.
  • h / H is between 0.2 and 0.3, and preferably between 0.23 and 0.27.
  • the separation efficiency of U03 particles gases is optimal. Indeed, for a h / H ratio of less than 0.1 or even 0.2, a part of the U03 particles can be directly entrained in the filter. This results in a decrease in the separation efficiency and a sharp increase in the risk of clogging of the filter. For a h / H ratio greater than 0.5 or even 0.3, it is the thermal stresses on the walls of the separation chamber that become significant, which can then cause damage to the latter.
  • the means for deflecting the gas can be provided by a partial housing of the reaction chamber in the separation chamber, the mouth of the reaction chamber in the separation chamber defining the settling location.
  • the gas deflecting means may include a deflecting wall separating the mouth of the reaction chamber from the gas outlet, the lower end of said deflecting wall defining the settling location.
  • An installation according to the invention comprising such a deflection means is particularly advantageous for allowing maintenance of the separation chamber without its separation efficiency being affected. Indeed, the separation chamber has no area whose access would be limited by the presence of the separation chamber.
  • the side walls of the separation chamber may have only wall sections forming an angle with the vertical which is less than 60 °, preferably 45 °.
  • the filter is advantageously made of a material allowing filtration in an environment whose temperature is greater than or equal to 300 ° C.
  • the filter can thus be a filter comprising a material such as a wire cloth or be a filter type candle ceramic or sintered metal.
  • the filter may advantageously be a sintered metal type filter.
  • the burner and the reaction chamber may be configured to provide, at the outlet of the reaction chamber, a gas velocity of between 1 m / s and 2 m / s and, advantageously, between 1.4 m / s and 1, 7 m / s.
  • the installation may comprise at least two sintered metal type filters connected in parallel, the installation preferably comprising four sintered metal type filters connected in parallel.
  • the invention relates, secondly, to a use of an installation for thermal denitration of a hydrated uranyl nitrate corresponding to the formula ⁇ 2 ( ⁇ 3) 2, ⁇ 2 0 with 2 x x 6 6.
  • the installation whose use is the subject of the invention is the installation as defined above, the advantageous features of this installation can be taken alone or in combination.
  • the uranyl nitrate hydrate may be uranyl nitrate hexahydrate of formula UO2 (NO3) 2,6H20.
  • the invention relates, thirdly, to a thermal denitration process of a uranyl nitrate hydrate having the formula U02 (NO3) 2, xH20 with 2 ⁇ x ⁇ 6.
  • this method comprises:
  • a filtration step for separating the other part of the U03 particles from said gases and thus purifying said gases, said step being carried out at a temperature greater than or equal to 350 ° C, and
  • This method also makes it possible to overcome all the disadvantages associated with the pressure drop generated by the overloading of the bag filter 12 described in document [2].
  • the inventors have also observed that, unexpectedly and surprisingly, the UO3 particles collected at the outlet of the settling chamber exhibit morphological characteristics that are much greater than those of the UO3 particles collected by means of the process described in the document [2].
  • Such a method is particularly adapted to be implemented by means of an installation according to the invention.
  • the step of separating part of the U03 particles from the gases may comprise the following substeps:
  • the gases resulting from the thermal denitration can be introduced into the separation chamber with a gas velocity of between 1 m / s and 2 m / s and, advantageously, between 1.4 m / s and 1.7 m / s.
  • the invention relates, fourthly, to UO3 particles. According to the invention, these particles are obtained directly by the process as described above, the advantageous characteristics of this process can be taken alone or in combination, the UO3 particles having the following characteristics:
  • Such UO3 particles have a reactivity that is perfectly adapted for their subsequent conversion into uranium dioxide UO 2 and uranium tetrafluoride UF 4 .
  • the BET specific surface area of the UO3 particles is between 17 m 2 / g and 21.5 m 2 / g, advantageously between 17.5 m 2 / g and 21 m 2 / g and preferably between 18 m 2 / g and 20 m 2 / g.
  • FIG. 1 schematically illustrates the installation described for the implementation of the process for obtaining uranium trioxide UO3 by thermal denitration of uranyl nitrate taught by document [2].
  • FIG. 2 illustrates a thermal denitration plant of hydrated uranyl nitrate according to the invention in a sectional view along the axis A-A of FIG. 3.
  • FIG. 3 illustrates a view from above of an installation according to the invention in which a single filter is mounted on the four filters of the installation and in which the manhole is not closed.
  • Figures 4a and 4b schematically illustrate two alternative arrangements of the reaction chamber and the separation chamber for an installation according to the invention.
  • FIG. 2 illustrates a plant 1 according to the invention for carrying out a thermal denitration of a hydrated uranyl nitrate corresponding to the formula ⁇ 2 ( ⁇ 3) 2, ⁇ 2 0 with 2 x x 6 6, in uranium trioxide UO3 .
  • Such an installation 1 comprises:
  • reaction chamber 110 disposed at the outlet of the burner 114 and having a hydrated uranyl nitrate inlet, said reaction chamber 110 and the burner being configured to perform thermal denitration of the uranyl nitrate hydrate and form uranium trioxide UO3 being in the form of particles, a separation chamber 120 adapted to separate a portion of the U03 particles from the gases resulting from the thermal denitration carried out in the reaction chamber 110, the separation chamber 120 being a settling chamber, and
  • each of these filters 130 being connected to an outlet of the gases 131 of the separation chamber 120.
  • the burner 114 and the reaction chamber 110 are in accordance with the burner 4 and the reaction chamber 1 described in document [2], with the difference that the reaction chamber 110 opens directly into the separation chamber 120. Thus, it is not provided for the present pipe 1 installation 9 connecting the reaction chamber 110 to the separation chamber 120.
  • the reaction chamber 110 has no end extended by a cone reducing the outlet section.
  • the burner 114 comprises:
  • a line 117 for supplying hydrated uranyl nitrate said line 117 being connected to the inlet of the reaction chamber 110,
  • the outlet of the burner 114 is connected to the reaction chamber 110.
  • the latter comprises an inlet cone through which the combustion gases and the hydrated uranyl nitrate 117, a cylindrical envelope and an outlet 113 are introduced.
  • the outlet 113 of the reaction chamber 110 extends the cylindrical envelope with a cross section, that is to say substantially constant.
  • the outlet 113 of the reaction chamber 110, or mouthpiece, opens directly into the separation chamber 120.
  • the reaction chamber 110 is partly housed in the separation chamber 120. In this way, the reaction chamber 110 opens into the separation chamber 120 at a lower vertical dimension than that of the gas outlet 131 of the filters 130.
  • the burner 114 and the reaction chamber 110 are configured to provide, at the outlet of the reaction chamber 110, a gas velocity of between 1 m / s and 2 m / s and, advantageously, between 1.4 m / s and 1.7 m / s.
  • the mouth 113 of the reaction chamber 110 defines a settling location 121 in the separation chamber 120.
  • gases and U03 particles leave the reaction chamber 110 after the thermal denitration reaction, they are
  • the vertical dimension of the settling place 121 corresponds, as illustrated in FIG. 2, to the vertical dimension of the mouth 113 of the reaction chamber 110.
  • Such a partial housing of the reaction chamber 110 in the separation chamber 120 forms a deflection means for deflecting the gases and the UO3 particles at the settling location 121.
  • the separation chamber 120 has, as shown in Figures 2 and 3, a circular horizontal section and a triangular vertical section. In this way, the separation chamber 120 has a generally conical shape with the apex facing downwards.
  • the side walls 122 of the separation chamber 120 have an angle vis-à-vis the vertical which is between 0 ° and 45 °.
  • the side walls 122 of the separation chamber 120 therefore have only wall sections forming an angle with the vertical which is less than 60 °, and more particularly 45 °.
  • the side wall 122 at the mouth 113 has an angle relative to the vertical which is close to 0 °. This eliminates the deposits of particles that could take place on the side walls 122 of the separation chamber 120.
  • the lower part of the separation chamber 120 comprises, as shown in FIG. 2, an output of particles 123 for recovering the U03 particles after their separation from the gases.
  • the upper part of the separation chamber 120 comprises, as illustrated in FIG. 3, four gas outlets 131 each equipped with a filter 130 for evacuating the gases after their separation from the particles.
  • the outputs of each of the gases 131 defines a vertical gas outlet dimension.
  • the outputs of the gases 131 define the same vertical gas outlet dimension, which corresponds to the vertical dimension of the gas outlet.
  • the vertical dimension of the gas outlet corresponds, of course, to the lowest vertical output of the gases.
  • the vertical dimension of the gas outlet 131 is greater than that of the mouth 113 of the reaction chamber 110 by a height h.
  • the upper part of the separation chamber 120 can also be provided, as illustrated in FIG. 2, with a manhole 140 to allow inspection and maintenance of the separation chamber 120.
  • the separation chamber 120 has a height H.
  • This height H of the separation chamber 120 is defined in relation to the height h which corresponds to the difference in vertical dimension between the settling location 121 and that of the outlet of the gases 131. from a height h.
  • the ratio h to H denoted h / H, is between 0.1 and 0.5, advantageously between 0.2 and 0.3, and preferably between 0.23 and 0.27.
  • the h / H ratio is set at 0.25.
  • the separation chamber 120 may have a maximum lateral dimension of between 3 m and 8 m, advantageously between 4.5 m and 6.5 m.
  • the height H of the separation chamber 120 may be between 5 m and 12 m, preferably between 6 m and 9 m.
  • the filters 130 are sintered metal type filters, as illustrated in FIGS. 2 and 3, a single filter 130 being shown in FIG. 3, three of the outputs of the gases 131 being shown without a filter 130. These filters make it possible to separate the Another part of the U03 particles from the gases, particles that were not particles during the separation by settling. In doing so, the gases are purified.
  • each filter 130 may have a diameter of between 0.7 m and 1.7 m, preferably between 1.0 m and 1.4 m.
  • the installation comprises four filters 130
  • the installation comprises a different number of filters.
  • the installation can be equipped as a variant with only two filters 130, or even a single filter or six filters, as long as these or the latter are suitably sized.
  • the arrangement of the filters 130 as described in this embodiment is perfectly compatible with these variants if the distribution of the filters on the upper part of the separation chamber 120 is adapted to the number of filters present.
  • FIGS. 4a and 4b schematically illustrate two other possible arrangements between the reaction chamber 110 and the separation chamber 120 for an installation 1 according to the invention.
  • An installation 1 according to the first variant shown diagrammatically in FIG. 4a differs from the installation illustrated in FIG. 2 in that the reaction chamber 110 is not housed in the separation chamber 120, with nevertheless a mouth 113 of the chamber 110 in the separation chamber 120 whose vertical dimension remains lower than that of the gas outlet 131.
  • the 120 has a portion of its upper part, the one accommodating the mouth 113 of the reaction chamber 110, lowered relative to the remainder of the upper part which accommodates the filters 130.
  • Such a lowering of a portion of the upper part of the separation chamber 120 forms a deflection means for diverting gases and particles to the settling location 121. Indeed, in this first variant, it is this lowering which makes it possible to position the mouth 113 of the reaction chamber 110, and thus the settling location 121, in the separation chamber 120 with respect to the gas outlet. 131.
  • An installation 1 according to the second variant is shown schematically in Figure 4b.
  • Such an installation 1 differs from the installation 1 illustrated in FIG. 3 in that the reaction chamber 110 opens into the separation chamber 120 at substantially the same vertical dimension as the exit of the gases 131 and in that it is provided a deflection wall 124 separating the mouth 113 from the reaction chamber 110 in the separation chamber 120 of the gas outlet 131.
  • the lower end of the deflection wall 124 defines the settling location 121 and allows divert the gases and particles leaving the mouth 113 of the reaction chamber 110 to the settling location 121.
  • the deflection wall 124 forms a deflection means for deflecting the gases and the particles at the decantation location 121.
  • An installation 1 according to the invention can be implemented to carry out a method of thermal denitration of a uranyl nitrate hydrate having the formula U0 2 (NO 3 ) 2, xH 2 0 with 2 x x 6 6 in order to obtain particles of U0 3 .
  • Such a method comprises:
  • a filtration step for separating the other part of the U03 particles from said gases and thus purifying said gases, said step being carried out at a temperature greater than or equal to 350 ° C .;
  • the step of the U03 particle separation step comprises the following substeps:
  • the first synthesis denoted SI, was performed in a comparative installation, in accordance with the teaching of document [2] and illustrated in FIG.
  • the second synthesis denoted S2 was carried out in an installation according to the invention and illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • the burner 4, 114 ensures the combustion of natural gas in the supercharged air by excitation of a spark plug not shown in FIGS. 1 to 3.
  • the combustion being entirely carried out in the burner 4, 114, the nitrate of uranyl hexahydrate injected is never in contact with the flame.
  • the gases resulting from the combustion a temperature of about 1400 ° C, are accelerated in the burner 4, 114 to reach a speed of about 300 m / s in the upper conical portion of the reaction chamber 1, 110 or reaction zone in which the hot combustion gases and the uranyl nitrate hexahydrate sprayed into fine droplets are brought into contact.
  • the U03 particles obtained at the end of the first synthesis S1 were collected, on the one hand by the pipe 10 and on the other hand by the pipe 13.
  • the U03 particles obtained at the end of the second synthesis S2 were collected by the single outlet 123 of the settling chamber 120.
  • Table 1 The ranges of specific surface values and mass percentages of water and NO 3 - as obtained over several tests are given in Table 1. Below, Table 1 also shows the U03 particle collection efficiencies. .
  • the U03 particles as obtained by the implementation of the thermal denitration process in an installation according to the invention therefore have a BET specific surface area which is greater than that of the mixture of UO3 particles collected by lines 10 and 13.
  • the U03 particles obtained by the second synthesis S2 have very low levels of contamination of water and nitrate ions, respectively less than 0.4% m and 0.7% m. Such percentages further favor the reactivity of the UO3 particles for their subsequent conversion into U0 2 and then to UF 4 .
  • the purified gases were sucked out of the filters 130 by means of fans providing a suction flow rate of 185 kg / h, which is much lower. than the previous one, and this, in the absence of additional cooling device.

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Abstract

L'invention concerne une installation (1) de dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté en trioxyde d'uranium UO3. L'installation (1) comporte un brûleur (114) et une chambre de réaction (110) configurés pour réaliser une dénitration thermique du nitrate d'uranyle hydraté et former du trioxyde d'uranium UO3 se présentant sous la forme de particules. L'installation comporte en outre une chambre de séparation (120) adaptée pour séparer des particules d'UO3 des gaz issus de la dénitration thermique réalisée dans la chambre de réaction (110), et au moins un filtre (130) configuré pour épurer les gaz. La chambre de séparation (120) est une chambre de décantation dans laquelle débouche directement la chambre de réaction (110). Le filtre (130) est apte à réaliser la séparation à une température supérieure ou égale à 350 °C. L'invention concerne également une utilisation d'une telle installation, un procédé de dénitration thermique et des particules d'UO3 obtenues par un tel procédé.

Description

INSTALLATION, PROCÉDÉ DE DÉNITRATION THERMIQUE, UTILISATION D'UNE TELLE INSTALLATION ET PRODUIT OBTENU PAR UN TEL PROCÉDÉ
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte à une installation de dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté pour l'obtention de trioxyde d'uranium, ce dioxyde d'uranium se présentant sous la forme de particules.
L'invention se rapporte également à une utilisation d'une telle installation pour réaliser une dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté, en particulier la dénitration thermique du nitrate d'uranyle hexahydraté.
La présente invention se rapporte enfin à un procédé de dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté en trioxyde d'uranium, ainsi qu'au trioxyde d'uranium obtenu directement par ce procédé de dénitration thermique, ce dioxyde d'uranium se présentant sous la forme de particules.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
L'obtention de trioxyde d'uranium UO3 par dénitration thermique du nitrate d'uranyle hexahydraté U02(N03)2,6H20 est bien connue et s'effectue selon la réaction suivante : U02(N03)2,6H20 UO3 + 2 N02 + 1/2 02 + 6 H20
Le trioxyde d'uranium UO3 obtenu peut alors être réduit en dioxyde d'uranium U02. Par réaction avec l'acide fluorhydrique, ce dioxyde d'uranium UO2 peut être ensuite transformé en tétrafluorure d'uranium UF4 qui joue un rôle majeur dans divers procédés de l'industrie nucléaire.
Comme enseigné par le document WO 84/02124 Al, ci-après référencé
[1], le rendement de la réaction de fluoruration de UO2 en UF4 est directement lié à la réactivité du dioxyde d'uranium UO2 et, partant, à celle du trioxyde d'uranium UO3 obtenu en amont par dénitration thermique. Le document [1] précise que cette réactivité du trioxyde d'uranium UO3 est directement corrélée à sa surface spécifique qui, mesurée selon la méthode BET, doit présenter une valeur au moins égale à 15 m2/g-
Le document US 5,628,048, référencé [2], confirme qu'un trioxyde d'uranium UO3 est considéré comme très réactif s'il présente une surface spécifique BET comprise entre 12 m2/g et 15 m2/g- Plus particulièrement, le procédé qui est décrit dans ce document [2] pour obtenir, à partir d'une solution de nitrate d'uranyle, un trioxyde d'uranium présentant une telle surface spécifique, consiste à réaliser, dans une zone d'une chambre de réaction dite zone de contact, un contact thermomécanique entre la solution de nitrate d'uranyle, pulvérisée en fines gouttelettes selon un axe donné dans la zone de contact, et un fluide gazeux introduit dans la zone de contact, le fluide gazeux étant à une température suffisamment élevée et possédant une énergie mécanique suffisamment élevée pour réaliser, dans la zone de contact, la déshydratation et la calcination du nitrate d'uranyle.
Le document [2] décrit, par ailleurs, une installation de dénitration thermique du nitrate d'uranyle convenant pour la mise en œuvre du procédé ci-dessus.
Cette installation, représentée schématiquement sur la figure 1 annexée et décrite en relation avec la dénitration thermique du nitrate d'uranyle hexahydraté, comprend :
- un brûleur 4,
- une chambre de réaction 1 disposée en sortie du brûleur 4 et comportant une entrée en nitrate d'uranyle hexahydraté et configurée pour réaliser une dénitration thermique du nitrate d'uranyle hexahydraté et former du trioxyde d'uranium UO3 se présentant sous la forme de particules,
- une chambre de séparation 8 adaptée pour séparer une partie des particules d'U03 des gaz issus de la dénitration thermique réalisée dans la chambre de réaction 1, et
- un filtre 12 configuré pour séparer l'autre partie des particules d'U03 desdits gaz et ainsi épurer lesdits gaz. Dans le document [2], la chambre de réaction 1 est délimitée par une enveloppe cylindrique prolongée à chaque extrémité par un cône réduisant les sections d'entrée 2 et de sortie 3 de la chambre de réaction 1. L'entrée 2 est reliée à un brûleur 4 alimenté en air par la canalisation 5 et en gaz combustible par la canalisation 6. Une canalisation 7 permet d'alimenter la chambre de réaction 1 en nitrate d'uranyle hexahydraté. La sortie 3 de la chambre de réaction 1 est connectée, par l'intermédiaire d'une conduite 9, à la chambre de séparation 8 qui est constituée par un cyclone.
Parmi les particules d'U03 formées dans la chambre de réaction 1, celles qui présentent un diamètre moyen de particules d'au moins 15 μιη sont récupérées par la conduite 10 connectée à la sortie basse du cyclone 8. Les autres particules, de diamètre moyen de particules inférieur, dites fines particules, sont véhiculées par les évents gazeux en haut du cyclone 8 et sont envoyées par l'intermédiaire de la conduite 11 vers le filtre 12 qui est un filtre à manches. Les fines particules sont récupérées par la conduite 13. Les gaz dépoussiérés sont aspirés, grâce à un ventilateur situé en sortie du filtre 12, par une conduite 14.
La mise en œuvre d'une installation telle que celle décrite dans le document [2] présente toutefois un certain nombre d'inconvénients.
Parmi ces inconvénients, certains sont directement liés aux modalités de collecte des particules d'U03 formées dans la chambre de réaction 1.
En premier lieu, la collecte des particules d'U03 s'effectue par le biais, non pas d'une seule conduite, mais de deux conduites, en l'espèce les conduites 10 et 13.
Par ailleurs, comme les particules d'U03 obtenues par ce procédé présentent un diamètre moyen de particules n'excédant pas 5 μιη, le rendement de séparation obtenu au moyen du cyclone 8 est faible, typiquement de l'ordre de 30 %, la majeure partie des particules d'U03 étant collectée par le filtre à manches 12 et recueillie au niveau de la conduite 13. En conséquence, la mise en œuvre d'une installation telle que celle décrite dans le document [2] conduit à une surcharge permanente du filtre à manches 12. Il y a d'ailleurs lieu de noter que la surcharge survient, même dans le cas où le filtre à manches 12 est équipé d'un dispositif de décolmatage continu. Une telle surcharge du filtre à manches 12 engendre une perte de charge qui peut être préjudiciable s'agissant d'une installation destinée à traiter des matières nucléaires. En effet, les règles de sûreté appliquées dans le domaine du traitement des matières nucléaires imposent qu'une telle installation soit maintenue en dépression par rapport à l'atmosphère environnante de manière à constituer une barrière de confinement dynamique, notamment dans l'hypothèse d'une fuite sur un des équipements de ladite installation. Aussi, des difficultés de maintien d'une perte de charge faible sur le filtre à manches 12 peuvent se répercuter sur la maîtrise de la dépression globale de l'installation correspondante.
De surcroît, le matériau constituant les manches du filtre à manches 12 se dégrade à partir de températures d'utilisation de l'ordre de 200 °C. Sachant que la température de réaction de dénitration s'établit entre 350 °C et 500 °C, il est donc impératif de refroidir le flux gazeux circulant dans la conduite 11 par un dispositif complémentaire de circulation d'air frais dont le débit est typiquement de l'ordre de 300 kg/h.
L'accroissement du débit global de gaz à traiter en sortie d'installation, débit qui s'établit autour de 460 kg/h à 500 kg/h en sortie de conduite 14, a une incidence négative sur le coût global du procédé de dénitration thermique, par l'augmentation de la taille des équipements et la consommation énergétique accrue qu'il impose.
En outre, on observe qu'en fonction de leur lieu de collecte, les particules d'U03 présentent des caractéristiques morphologiques bien distinctes.
Ainsi, les particules d'U03 collectées au niveau de la conduite 10 reliée au cyclone 8 présentent une surface spécifique BET de l'ordre de 20 à 25 m2/g- Ces particules d'U03 présentent donc une très bonne réactivité en vue de leur transformation ultérieure en dioxyde d'uranium U02 puis en tétrafluorure d'uranium UF4.
Les particules d'U03 collectées au niveau de la conduite 13 reliée au filtre à manches 12 présentent, quant à elles, une surface spécifique BET inférieure à 12 m2/g- Les particules d'U03 collectées au niveau de la conduite 13 présentent donc une réactivité moins performante pour leur transformation en U02 puis en UF4 que celles collectées au niveau de la conduite 13.
La solution retenue à ce jour pour obtenir, avec un bon rendement, des particules d'U03 présentant des caractéristiques morphologies compatibles avec la réactivité requise pour leurtransformation ultérieure en U02 puis en UF4, consiste à opérer le mélange des particules d'U03 qui sont respectivement collectées au niveau des conduites 10 et 13 de l'installation décrite dans le document [2]. On obtient ainsi un mélange de particules d'U03 présentant une surface spécifique BET moyenne, typiquement comprise entre 12 m2/g et 15 m2/g- D'autres inconvénients sont liés à la configuration de la chambre de réaction 1 de l'installation décrite dans le document [2]. En effet, les particules d'U03 formées par dénitration thermique dans la zone de contact de la chambre de réaction 1 se projettent sur la paroi inférieure conique de cette chambre 1 et provoquent une érosion et donc une usure dans le temps de cette paroi inférieure. En outre, la géométrie conique de l'extrémité inférieure de cette chambre de réaction 1 favorise l'accumulation des particules d'U03 et donc le bouchage de la sortie 3, nécessitant des opérations de nettoyage rendant l'installation indisponible durant ces opérations.
Le but de l'invention est, par conséquent, de pallier les inconvénients de l'installation de l'art antérieur et de proposer une installation de dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté en trioxyde d'uranium qui permette d'obtenir, avec un haut rendement, des particules de trioxyde d'uranium présentant des caractéristiques morphologiques supérieures aux caractéristiques morphologiques présentées par le mélange des particules de trioxyde d'uranium collectées au niveau de la conduite 10 disposée à la sortie de la chambre de séparation ou cyclone 8, d'une part, et de celles collectées au niveau de la conduite 13 disposée à la sortie du filtre à manches 12 de l'installation décrite dans le document [2].
De manière complémentaire, cette installation doit également permettre de résoudre un ou plusieurs des problèmes que l'on peut observer lors de la mise en œuvre de l'installation décrite dans le document [2], en particulier ceux qui sont liés :
- à la perte de charge observée en raison de la surcharge du filtre à manches 12,
- à l'usure de la paroi inférieure de la chambre de réaction 1, ou encore
- au bouchage de la sortie 3 de la chambre de réaction 1.
L'installation selon l'invention doit, en outre, présenter une configuration simplifiée par rapport à celle de l'installation décrite dans le document [2], en évitant notamment la mise en œuvre de dispositifs complémentaires visant à refroidir certains des flux gazeux.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Les buts précédemment énoncés ainsi que d'autres sont atteints, en premier lieu, par une installation de dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté, répondant à la formule υθ2(Νθ3)2,χΗ20 avec 2≤x≤6, en trioxyde d'uranium UO3, cette installation comportant :
- un brûleur,
- une chambre de réaction disposée en sortie du brûleur et comportant une entrée en nitrate d'uranyle hydraté, ladite chambre de réaction et le brûleur étant configurés pour réaliser une dénitration thermique du nitrate d'uranyle hydraté et former du trioxyde d'uranium UO3 se présentant sous la forme de particules,
- une chambre de séparation adaptée pour séparer une partie des particules d'U03 des gaz issus de la dénitration thermique réalisée dans la chambre de réaction, et
- au moins un filtre configuré pour séparer l'autre partie des particules d'U03 d'avec lesdits gaz et ainsi épurer lesdits gaz.
Selon l'invention, la chambre de séparation de l'installation est une chambre de décantation dans laquelle débouche directement la chambre de réaction et le filtre est apte à réaliser la séparation à une température supérieure à 350 °C.
Conformément à l'entendement de l'homme du métier, il doit être entendu, ci-dessus et dans le reste de ce document, par « chambre de décantation », une enceinte présentant des dimensions et un volume définis dans laquelle est introduite un mélange non-miscible, tel que des particules solides contenues dans un gaz vecteur, et qui utilise l'effet de la pesanteur pour séparer les différentes phases, c'est-à-dire pour séparer les particules du gaz vecteur. Dans une telle chambre de décantation, sous l'effet de la gravité, les particules de grosse et moyenne taille chutent vers le bas et sont récupérées dans le fond de la chambre de décantation, les plus fines et le gaz vecteur restent dans la partie supérieure en continuant leur trajectoire vers le ou les filtres.
La présence d'une chambre de décantation en tant que chambre de séparation permet une séparation particulièrement efficace des particules d'U03 formées dans la chambre de réaction par dénitration thermique du nitrate d'uranyle hydraté des gaz de réaction. En effet, la majeure partie des particules d'U03 sont collectées en sortie de chambre de décantation, typiquement avec un rendement d'au moins 65 %, soit un rendement bien supérieur à celui de 30 % obtenu par le cyclone 8 de l'installation décrite dans le document [2]. De ce fait, on évite une surcharge du ou des filtres, ce qui permet de pallier l'ensemble des inconvénients liés à la perte de charge engendrés par la surcharge du filtre à manches décrit dans le document [2].
De plus, avec un ou plusieurs filtres aptes à réaliser la séparation à une température supérieure à 350 °C, il n'est pas nécessaire de prévoir un dispositif complémentaire de circulation d'air frais. Contrairement à l'installation décrite dans le document [2], il n'est donc pas indispensable d'augmenter la taille des équipements et donc la consommation énergétique que cela engendrerait. L'installation selon l'invention est ainsi de configuration simplifiée par rapport à celle décrite dans le document [2].
Par la terminologie "débouche directement" ci-dessus et dans le reste de ce document, il doit être entendu que la sortie de la chambre de réaction est en communication fluidique directe avec la chambre de séparation, en l'absence de toute conduite ou canalisation les connectant l'une à l'autre. De cette manière, la sortie de la chambre de réaction peut être considérée comme étant comprise dans la chambre de séparation.
Les Inventeurs ont par ailleurs observé que, de manière inattendue et surprenante, les particules d'U03 collectées à la sortie de la chambre de décantation présentent des caractéristiques morphologiques supérieures à celles du mélange de particules d'U03 collectées au moyen de l'installation décrite dans le document [2].
En particulier, et comme illustré dans la partie expérimentale ci-après, ces particules peuvent présenter les caractéristiques suivantes :
- une surface spécifique BET supérieure ou égale à 17 m2/g, - un pourcentage massique d'eau inférieur ou égal à 0,4 %m, et
- un pourcentage massique d'ions nitrate NO3" inférieur ou égal à 0,8 %m.
Ainsi, les particules d'U03 collectées à la sortie de la chambre de décantation présentent une réactivité parfaitement adaptée pour leur transformation ultérieure en dioxyde d'uranium U02 puis en tétrafluorure d'uranium UF4.
Il semblerait, en effet, que la filtration réalisée à des températures supérieures ou égales à 350 °C, et typiquement comprises entre 350 °C et 500 °C, permette de limiter la réhydratation des particules d'UO3 formées et donc d'améliorer significativement leur surface spécifique.
La partie supérieure de la chambre de séparation peut comporter, au moins une sortie de gaz équipée du filtre pour évacuer les gaz après leur séparation d'avec les particules.
La chambre de séparation peut comporter au moins une sortie des gaz en direction du filtre.
L'installation peut, en outre, comporter un moyen de déviation des gaz pour dévier les gaz sortant de l'embouchure de la chambre de réaction dans la chambre de séparation en un emplacement de décantation de la chambre de séparation dont la cote verticale est inférieure à celle de la sortie des gaz.
Un tel moyen de déviation permet d'optimiser le rendement de séparation de la chambre de séparation. En effet, les gaz et les particules étant déviés par le moyen de déviation sur l'emplacement de déviation présentant une cote verticale inférieure à celle du filtre, seules les particules les plus fines entraînées par les gaz chauds sont susceptibles d'atteindre le filtre et de ne pas être séparées des gaz.
Une telle différence de cote verticale permet de fournir un seuil de taille de particules à partir duquel les particules sont séparées d'avec les gaz par décantation, le reste des particules étant récupéré par décolmatage au niveau du ou des filtres se trouvant à la sortie des gaz. De cette manière, il est donc possible d'optimiser la récupération des particules d'U03 au niveau de la sortie de la chambre de décantation et de limiter les risques de colmatage du ou des filtres. Les termes d'orientation, tels que "cote verticale", "hauteur", "extrémité inférieure", utilisés ci-dessus ainsi que dans le reste de ce document s'entendent bien entendu pour une installation en fonctionnement ou prête à fonctionner et relativement à la pesanteur. Ainsi, la cote verticale correspond à la distance relativement au sol selon la direction de pesanteur, la hauteur est la dimension selon cette même direction de pesanteur et l'extrémité inférieure est l'extrémité la plus proche du sol.
Dans ce document, en ce qui concerne l'invention, les termes de "chambre de séparation" et "chambre de décantation" sont utilisés tour à tour pour désigner la chambre de séparation de l'installation selon l'invention et sont donc interchangeables, sans que cela n'en modifie la signification.
La cote verticale de l'emplacement de décantation peut être inférieure à celle de la sortie des gaz d'une hauteur h, la chambre de séparation présentant une hauteur H.
Le rapport h sur H, noté h/H, peut être compris entre 0,1 et 0,5.
Avantageusement, h/H est compris entre 0,2 et 0,3, et, préférentiellement, entre 0,23 et 0,27.
Avec un tel rapport h/H, le rendement de séparation des particules d'U03 des gaz est optimal. En effet, pour un rapport h/H inférieur à 0,1, voire à 0,2, une partie des particules d'U03 peut être directement entraînée dans le filtre. Il en résulte une baisse du rendement de séparation et une augmentation forte des risques de colmatage du filtre. Pour un rapport h/H supérieur à 0,5, voire à 0,3, ce sont les contraintes thermiques sur les parois de la chambre de séparation qui deviennent significatives, pouvant alors entraîner un endommagement de ces dernières.
Le moyen de moyen de déviation des gaz peut être fourni par un logement partiel de la chambre de réaction dans la chambre de séparation, l'embouchure de la chambre de réaction dans la chambre de séparation définissant l'emplacement de décantation.
Une installation selon l'invention, avec un tel moyen de déviation, est particulièrement compacte, tout en gardant un haut rendement de séparation de sa chambre de séparation. Le moyen de déviation des gaz peut comporter une paroi de déviation séparant l'embouchure de la chambre de réaction de la sortie de gaz, l'extrémité inférieure de ladite paroi de déviation définissant l'emplacement de décantation.
Une installation selon l'invention comportant un tel moyen de déviation est particulièrement avantageuse pour autoriser l'entretien de la chambre de séparation sans que son rendement de séparation ne soit affecté. En effet, la chambre de séparation ne présente pas de zone dont l'accès serait limité par la présence de la chambre de séparation.
Les parois latérales de la chambre de séparation peuvent présenter uniquement des sections de parois formant un angle avec la verticale qui est inférieur à 60°, préférentiellement à 45°.
Ainsi, on limite les risques de dépôt des particules d'U03 sur les parois latérales de la chambre de séparation. Le temps de séjour dans la chambre de séparation de ces particules d'U03 s'en trouve réduit, diminuant d'autant les risques de réhydratation desdites particules.
Le filtre est avantageusement réalisé en un matériau permettant une filtration dans un environnement dont la température est supérieure ou égale à 300 °C. Le filtre peut ainsi être un filtre comprenant un matériau tel qu'une toile métallique ou encore être un filtre du type bougie en céramique ou à métal fritté.
Le filtre peut avantageusement être un filtre du type à métal fritté.
Ainsi, grâce à la mise en œuvre de filtres tels que mentionnés ci-dessus, on pallie de manière encore plus performante le problème de résistance thermique du filtre à manches 12 de l'installation décrite dans le document [2].
Le brûleur et la chambre de réaction peuvent être configurés pour fournir, en sortie de la chambre de réaction, une vitesse des gaz comprise entre 1 m/s et 2 m/s et, avantageusement, entre 1,4 m/s et 1,7 m/s.
On optimise ainsi la récupération des particules d'U03 au niveau de la sortie de la chambre de décantation, tout en limitant les risques de colmatage du ou des filtres. L'installation peut comporter au moins deux filtres du type à métal fritté mis en parallèle, l'installation comportant préférentiellement quatre filtres du type à métal fritté mis en parallèle.
L'utilisation de plusieurs filtres de type métal fritté permet de diminuer le dimensionnement et le poids de chacun des filtres. Les opérations de maintenance de l'installation s'en trouvent facilitées.
L'invention se rapporte, en deuxième lieu, à une utilisation d'une installation pour réaliser une dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté répondant à la formule υθ2(Νθ3)2,χΗ20 avec 2≤x≤6.
L'installation dont l'utilisation fait l'objet de l'invention est l'installation telle que définie ci-dessus, les caractéristiques avantageuses de cette installation pouvant être prises seules ou en combinaison.
L'utilisation d'une telle installation bénéficie des avantages précités.
Dans une variante avantageuse, le nitrate d'uranyle hydraté peut être le nitrate d'uranyle hexahydraté de formule U02(N03)2,6H20.
L'invention se rapporte, en troisième lieu, à un procédé de dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté répondant à la formule U02(NO3)2,xH20 avec 2≤x≤6.
Selon l'invention, ce procédé comprend :
- une étape de dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle dans une chambre de réaction au moyen d'un brûleur, la chambre de réaction étant disposée en sortie dudit brûleur, moyennant quoi on obtient des particules d'U03 en mélange avec des gaz,
- une étape de séparation d'une partie de ces particules d'U03 d'avec les gaz réalisée dans une chambre de décantation dans laquelle débouche directement la chambre de réaction,
- une étape de filtration pour séparer l'autre partie des particules d'U03 d'avec lesdits gaz et ainsi épurer lesdits gaz, ladite étape étant réalisée à une température supérieure ou égale à 350 °C, et
- une étape de récupération des particules d'U03. Grâce au procédé selon l'invention, et comme indiqué précédemment, la séparation des particules d'U03 formées dans la chambre de réaction par dénitration thermique est particulièrement efficace.
On notera de plus qu'un tel procédé consistant en ces seules étapes permet d'obtenir des particules d'U03 présentant des caractéristiques parfaitement adaptées pour leur transformation ultérieure en dioxyde d'uranium U02 puis en tétrafluorure d'uranium UF4.
Ce procédé permet également de pallier l'ensemble des inconvénients liés à la perte de charge engendrée par la surcharge du filtre à manches 12 décrit dans le document [2].
Les Inventeurs ont par ailleurs observé que, de manière inattendue et surprenante, les particules d'U03 collectées à la sortie de la chambre de décantation présentent des caractéristiques morphologiques bien supérieures à celles des particules d'U03 collectées au moyen du procédé décrit dans le document [2].
Un tel procédé est particulièrement adapté pour être mis en œuvre au moyen d'une installation selon l'invention.
L'étape de séparation d'une partie des particules d'U03 d'avec les gaz peut comprendre les sous-étapes suivantes :
- déviation des particules et des gaz issus de l'étape de traitement thermique en un emplacement de décantation présentant une cote verticale inférieure à celle de la sortie des gaz du filtre utilisé lors de l'étape de filtration,
- décantation d'une partie des particules d'U03 collectée dans la chambre de décantation.
Une telle déviation des particules en un emplacement de décantation permet d'optimiser le rendement de séparation de l'étape de décantation.
Lors de l'étape de séparation, les gaz issus de la dénitration thermique peuvent être introduits dans la chambre de séparation avec une vitesse des gaz comprise entre 1 m/s et 2 m/s et, avantageusement, entre 1,4 m/s et 1,7 m/s.
L'invention se rapporte, en quatrième lieu, à des particules d'UÛ3. Selon l'invention, ces particules sont obtenues directement par le procédé tel que décrit ci-dessus, les caractéristiques avantageuses de ce procédé pouvant être prises seules ou en combinaison, les particules d'U03 présentant les caractéristiques suivantes :
- une surface spécifique BET supérieure ou égale à 17 m2/g,
- un pourcentage massique d'eau inférieur ou égal à 0,4 %m, et
- un pourcentage massique d'ions nitrate NO3" inférieur ou égal à 0,8 %m.
De telles particules d'U03 présentent une réactivité parfaitement adaptée pour leur transformation ultérieure en dioxyde d'uranium U02 puis en tétrafluorure d'uranium UF4.
Dans une variante de l'invention, la surface spécifique BET des particules d'U03 est comprise entre 17 m2/g et 21,5 m2/g, avantageusement entre 17,5 m2/g et 21 m2/g et, préférentiellement, entre 18 m2/g et 20 m2/g.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation, donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux figures annexées suivants.
La figure 1 illustre schématiquement l'installation décrite pour la mise en œuvre du procédé d'obtention de trioxyde d'uranium UO3 par dénitration thermique du nitrate d'uranyle enseigné par le document [2].
La figure 2 illustre une installation de dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté selon l'invention suivant une vue en section selon l'axe A-A de la figure 3.
La figure 3 illustre une vue de dessus d'une installation selon l'invention dans laquelle un seul filtre est monté sur les quatre filtres de l'installation et dans laquelle le trou d'homme n'est pas refermé. Les figures 4a et 4b illustrent schématiquement deux variantes d'agencement de la chambre de réaction et de la chambre de séparation pour une installation selon l'invention.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La figure 2 illustre une installation 1 selon l'invention pour réaliser une dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté répondant à la formule υθ2(Νθ3)2,χΗ20 avec 2≤x≤6, en trioxyde d'uranium UO3.
Une telle installation 1 comporte :
un brûleur 114,
une chambre de réaction 110 disposée en sortie du brûleur 114 et comportant une entrée en nitrate d'uranyle hydraté, ladite chambre de réaction 110 et le brûleur étant configurés pour réaliser une dénitration thermique du nitrate d'uranyle hydraté et former du trioxyde d'uranium UO3 se présentant sous la forme de particules, une chambre de séparation 120 adaptée pour séparer une partie des particules d'U03 des gaz issus de la dénitration thermique réalisée dans la chambre de réaction 110, la chambre de séparation 120 étant une chambre de décantation, et
quatre filtres 130, comme illustré sur la figure 3, configurés pour séparer l'autre partie des particules d'U03 d'avec lesdits gaz et ainsi épurer lesdits gaz, chacun de ces filtres 130 étant connecté à une sortie des gaz 131 de la chambre de séparation 120.
Le brûleur 114 et la chambre de réaction 110 sont conformes au brûleur 4 et la chambre de réaction 1 décrite dans le document [2], à la différence près que la chambre de réaction 110 débouche directement dans la chambre de séparation 120. Ainsi, il n'est pas prévu pour la présente installation 1 de conduite 9 reliant la chambre de réaction 110 à la chambre de séparation 120. En outre, la chambre de réaction 110 ne comporte pas d'extrémité prolongée par un cône réduisant la section sortie.
Ainsi, en ce qui concerne le principe de fonctionnement et les caractéristiques structurelles de la chambre de réaction 110 et du brûleur 114 autres que celles de la section de sortie de la chambre de réaction 110, il est renvoyé à la description du document [2].
Le brûleur 114 comprend :
- une conduite 117 pour l'amenée en nitrate d'uranyle hydraté, ladite conduite 117 étant connectée à l'entrée de la chambre de réaction 110,
- une alimentation en gaz combustible 116, et
- une alimentation en air 115.
La sortie du brûleur 114 est reliée à la chambre de réaction 110. Cette dernière comporte un cône d'entrée par lequel sont introduits les gaz de combustion et le nitrate d'uranyle hydraté 117, une enveloppe cylindrique et une sortie 113.
Contrairement à la chambre de réaction 1 du document [2], la sortie 113 de la chambre de réaction 110 prolonge l'enveloppe cylindrique avec une section droite, c'est-à-dire sensiblement constante. La sortie 113 de la chambre de réaction 110, ou embouchure, débouche directement dans la chambre de séparation 120.
La chambre de réaction 110 est en partie logée dans la chambre de séparation 120. De cette manière, la chambre de réaction 110 débouche dans la chambre de séparation 120 à une cote verticale inférieure à celle de la sortie des gaz 131 des filtres 130. Le brûleur 114 et la chambre de réaction 110 sont configurés pour fournir, en sortie de la chambre de réaction 110, une vitesse des gaz comprise entre 1 m/s et 2 m/s et, avantageusement, entre 1,4 m/s et 1,7 m/s.
L'embouchure 113 de la chambre de réaction 110 définit un emplacement de décantation 121 dans la chambre de séparation 120. Ainsi, lorsque des gaz et des particules d'U03 sortent de la chambre de réaction 110 après la réaction de dénitration thermique, ils sont déviés par l'embouchure sur l'emplacement de décantation 121. La cote verticale de l'emplacement de décantation 121 correspond donc, comme illustré sur la figure 2, à la cote verticale de l'embouchure 113 de la chambre de réaction 110.
Un tel logement partiel de la chambre de réaction 110 dans la chambre de séparation 120 forme un moyen de déviation pour dévier les gaz et les particules d'U03 en l'emplacement de décantation 121.
La chambre de séparation 120 présente, comme montré sur les figures 2 et 3, une section horizontale circulaire et une section verticale triangulaire. De cette manière, la chambre de séparation 120 possède une forme générale conique dont le sommet est tourné vers le bas. Les parois latérales 122 de la chambre de séparation 120 présentent un angle vis-à-vis de la verticale qui est compris entre 0° et 45°. Les parois latérales 122 de la chambre de séparation 120 présentent donc uniquement des sections de paroi formant un angle avec la verticale qui est inférieur à 60°, et plus particulièrement à 45°.
On notera que la paroi latérale 122 au niveau de l'embouchure 113 présente un angle par rapport à la verticale qui est proche de 0°. On supprime, ainsi, les dépôts de particules qui pourraient avoir lieu sur les parois latérales 122 de la chambre de séparation 120.
La partie inférieure de la chambre séparation 120 comporte, comme montré sur la figure 2, une sortie de particules 123 pour récupérer les particules d'U03 après leur séparation d'avec les gaz. La partie supérieure de la chambre de séparation 120 comporte, comme illustré sur la figure 3, quatre sorties de gaz 131 équipées chacune d'un filtre 130 pour évacuer les gaz après leur séparation d'avec les particules. Les sorties des gaz 131 définissent chacune une cote verticale de sortie des gaz. Dans le présent mode de réalisation, les sorties des gaz 131 définissent une même cote verticale de sortie des gaz qui correspond donc à la cote verticale de la sortie des gaz. Dans le cas où il serait prévu plusieurs filtres 130 avec des sorties de gaz 131 présentant des cotes verticales de sortie des gaz différentes, la cote verticale de la sortie des gaz correspond bien entendu à la cote verticale de sortie des gaz la plus faible.
La cote verticale de la sortie des gaz 131 est supérieure à celle de l'embouchure 113 de la chambre de réaction 110 d'une hauteur h.
La partie supérieure de la chambre de séparation 120 peut également être munie, comme illustré sur la figure 2, d'un trou d'homme 140 pour permettre l'inspection et l'entretien de la chambre de séparation 120.
La chambre de séparation 120 présente une hauteur H. Cette hauteur H de la chambre de séparation 120 est définie en relation avec la hauteur h qui correspond à la différence de cote verticale entre l'emplacement de décantation 121 et celle de la sortie des gaz 131 d'une hauteur h. En effet le rapport h sur H, noté h/H, est compris entre 0,1 et 0,5, avantageusement entre 0,2 et 0,3, et, préférentiellement, entre 0,23 et 0,27.
On notera que plus préférentiellement le rapport h/H est fixé à 0,25.
Ainsi, typiquement, la chambre de séparation 120 peut présenter une dimension latérale maximale comprise entre 3 m et 8 m, avantageusement entre 4,5 m et 6,5 m. De même, la hauteur H de la chambre de séparation 120 peut être comprise entre 5 m et 12 m, avantageusement entre 6 m et 9 m.
Les filtres 130 sont des filtres du type à métal fritté, comme illustré sur les figures 2 et 3, un seul filtre 130 étant représenté sur la figure 3, trois des sorties des gaz 131 étant représentées sans filtre 130. Ces filtres permettent de séparer l'autre partie des particules d'U03 d'avec les gaz, particules qui ne l'ont pas été lors de la séparation par décantation. Ce faisant, les gaz sont épurés.
Lors de cette séparation au niveau des filtres 130, les particules d'U03 non séparées des gaz par décantation s'accumulent sur les filtres 130. Il est donc prévu, dans l'installation 1, un moyen de décolmatage en continu (non représenté) pour collecter ces particules d'U03. Lors de cette collecte, les particules d'U03 tombent, sous l'effet de la gravité, dans la chambre de séparation 120, pour être récupérées au niveau de la sortie de particules 123 de la chambre de séparation 120.
Typiquement, chaque filtre 130 peut présenter un diamètre compris entre 0,7 m et 1,7 m, avantageusement entre 1,0 m et 1,4 m.
II est à noter que si dans ce mode de réalisation l'installation comporte quatre filtres 130, il est également envisageable, sans que l'on sorte du cadre de l'invention, que l'installation comporte un nombre de filtres différent. Ainsi l'installation peut être équipée en variante d'uniquement deux filtres 130, voire un seul filtre ou encore six filtres, tant que ceux-ci, ou celui-ci, sont dimensionnés de manière adéquate. Bien entendu, l'agencement des filtres 130 tel que décrit dans ce mode de réalisation est parfaitement compatible avec ces variantes si tant est que la répartition des filtres sur la partie supérieure de la chambre de séparation 120 est adaptée au nombre de filtres présents.
En variante à un tel agencement de la chambre de réaction 110 en partie logée dans la chambre de séparation 120, les figures 4a et 4b illustrent schématiquement deux autres agencements possibles entre la chambre de réaction 110 et la chambre de séparation 120 pour une installation 1 selon l'invention.
Une installation 1 selon la première variante schématisée sur la figure 4a se différencie de l'installation illustrée sur la figure 2 en ce que la chambre de réaction 110 n'est pas logée dans la chambre de séparation 120 avec néanmoins une embouchure 113 de la chambre de réaction 110 dans la chambre de séparation 120 dont la cote verticale reste inférieure à celle de la sortie des gaz 131.
Selon cette première variante de l'invention, la chambre de séparation
120 présente une portion de sa partie supérieure, celle accueillant l'embouchure 113 de la chambre de réaction 110, abaissée par rapport au reste de la partie supérieure qui accueille les filtres 130. Un tel abaissement d'une portion de la partie supérieure de la chambre de séparation 120 forme un moyen de déviation pour dévier les gaz et les particules en l'emplacement de décantation 121. En effet, dans cette première variante, c'est cet abaissement qui permet de positionner l'embouchure 113 de la chambre de réaction 110, et donc l'emplacement de décantation 121, dans la chambre de séparation 120 par rapport à la sortie des gaz 131.
Une installation 1 selon la deuxième variante est schématisée sur la figure 4b. Une telle installation 1 se différencie de l'installation 1 illustrée sur la figure 3 en ce que la chambre de réaction 110 débouche dans la chambre de séparation 120 sensiblement à la même cote verticale que la sortie des gaz 131 et en ce qu'il est prévu une paroi de déviation 124 séparant l'embouchure 113 de la chambre de réaction 110 dans la chambre de séparation 120 de la sortie de gaz 131. L'extrémité inférieure de la paroi de déviation 124 définit l'emplacement de décantation 121 et permet de dévier les gaz et les particules en sortie de l'embouchure 113 de la chambre de réaction 110 jusqu'à l'emplacement de décantation 121.
Ainsi, selon cette deuxième variante de l'invention, la paroi de déviation 124 forme un moyen de déviation pour dévier les gaz et les particules en l'emplacement de décantation 121.
Une installation 1 selon l'invention peut être mise en œuvre pour réaliser un procédé de dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté répondant à la formule U02(NO3)2,xH20 avec 2≤x≤6 afin d'obtenir des particules d'U03.
Un tel procédé comprend :
- une étape de dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle dans la chambre de réaction 110 au moyen d'un brûleur 114, la chambre de réaction 110 étant disposée en sortie dudit brûleur 114, moyennant quoi on obtient des particules d' UÛ3 en mélange avec des gaz,
- une étape de séparation de ces particules d'UÛ3 des gaz réalisée dans la chambre de décantation 120 dans laquelle débouche directement la chambre de réaction 110,
- une étape de filtration pour séparer l'autre partie des particules d'U03 d'avec lesdits gaz et ainsi épurer lesdits gaz, ladite étape étant réalisée à une température supérieure ou égale à 350 °C,
- une étape de récupération des particules d'UÛ3. L'étape de l'étape de séparation des particules d'U03 comprend les sous- étapes suivantes :
- déviation des particules et des gaz issus de l'étape de traitement thermique en un emplacement de décantation présentant une cote verticale inférieure à celle du filtre 130 utilisé lors de l'étape de filtration,
- décantation d'une partie des particules collectée dans la chambre de décantation 120.
Deux synthèses de particules de trioxyde d'uranium UO3 ont été réalisées par dénitration thermique de nitrate d'uranyle hexahydraté U02(N03)2,6H20.
La première synthèse, notée SI, a été réalisée dans une installation comparative, conforme à l'enseignement du document [2] et illustrée à la figure 1.
La seconde synthèse, notée S2, a été réalisée dans une installation conforme à l'invention et illustrée aux figures 2 et 3.
II est rappelé que les brûleurs 4 et 114 ainsi que la partie supérieure de chacune des chambres de réaction 1 et 110, ou zone de réaction dans laquelle a lieu la réaction de dénitration thermique et la formation des particules d'U03, sont identiques.
Les conditions opératoires d'introduction des gaz de réaction et du nitrate d'uranyle hexahydraté dans la chambre de réaction 1, ou 110, via le brûleur 4, ou 114, ont également été identiques pour les deux synthèses SI et S2 :
- débit d'introduction d'U02(N03)2,6H20 dans la canalisation 7 et la conduite 117 : 70 kg/h,
- débit d'introduction du gaz naturel dans la canalisation 6 et l'alimentation 116 : 5 kg/h, et
- débit d'introduction de l'air dans la canalisation 5 et l'alimentation
115 : 150 kg/h.
Le brûleur 4, 114 assure la combustion du gaz naturel dans l'air surpressé par excitation d'une bougie d'allumage non représentée sur les figures 1 à 3. La combustion étant entièrement réalisée dans le brûleur 4, 114, le nitrate d'uranyle hexahydraté injecté n'est jamais en contact avec la flamme. Les gaz résultant de la combustion, d'une température d'environ 1400 °C, sont accélérés dans le brûleur 4, 114 pour atteindre une vitesse d'environ 300 m/s dans la partie conique supérieure de la chambre de réaction 1, 110, ou zone de réaction dans laquelle s'effectue la mise en contact des gaz de combustion chauds et du nitrate d'uranyle hexahydraté pulvérisé en fines gouttelettes.
Les particules d'U03 obtenues à l'issue de la première synthèse SI ont été collectées, d'une part par la conduite 10 et, d'autre part, par la conduite 13.
Les particules d'U03 obtenues à l'issue de la seconde synthèse S2 ont été collectées par l'unique sortie 123 de la chambre de décantation 120.
Ces différentes particules d'U03 ont été analysées de manière à définir leur surface spécifique BET ainsi que leurs pourcentages massiques d'eau, d'une part, et d'ions nitrate NO3", d'autre part.
Dans le cadre de la première synthèse SI, ces mêmes analyses ont été conduites sur le mélange formé par les particules d'U03 collectées par les conduites 10 et 13 (noté 10 + 13).
Les intervalles des valeurs de surfaces spécifiques et de pourcentages massiques en eau et en NO3" tels qu'obtenus sur plusieurs essais sont reportés dans le tableau 1 ci-dessous. Dans ce tableau 1, figurent également les rendements de collecte des particules d'U03.
Figure imgf000023_0001
Tableau 1
Les particules d'U03 telles qu'obtenues par la mise en œuvre du procédé de dénitration thermique dans une installation conforme à l'invention (synthèse S2) présentent donc une surface spécifique BET qui est supérieure à celle du mélange des particules d'U03 collectées par les conduites 10 et 13.
De surcroît, les particules d'U03 obtenues par la seconde synthèse S2 présentent de très faibles taux de contamination en eau et en ions nitrates, respectivement inférieurs à 0,4 %m et à 0,7 %m. De tels pourcentages favorisent encore la réactivité des particules d'U03 pour leur transformation ultérieure en U02 puis en UF4.
En outre, il y a lieu de noter que l'installation de l'art antérieur mise en œuvre lors de la première synthèse SI a nécessité le refroidissement du flux circulant par la conduite 11 au moyen d'un dispositif complémentaire de refroidissement assurant un débit de 300 kg/h d'air. Les gaz épurés ont, quant-à-eux, été aspirés en sortie du filtre à manches 12 au moyen d'un ventilateur assurant un débit d'aspiration de 485 kg/h, d'où la nécessité d'utiliser des équipements de plus grosse taille et à la consommation énergétique plus élevée que dans la configuration de la synthèse S2.
Dans l'installation conforme à l'invention mise en œuvre lors de la seconde synthèse S2, les gaz épurés ont été aspirés en sortie des filtres 130 au moyen de ventilateurs assurant un débit d'aspiration de 185 kg/h, soit bien plus faible que le précédent et ce, en l'absence de dispositif complémentaire de refroidissement.
BIBLIOGRAPHIE
[1] WO 84/02124 Al
[2] US 5,628,048

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation (1) de dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté, répondant à la formule U02(N03)2,xH20 avec 2≤x≤6, en trioxyde d'uranium UO3 comportant :
un brûleur (114),
une chambre de réaction (110) disposée en sortie du brûleur (114) et comportant une entrée en nitrate d'uranyle hydraté, ladite chambre de réaction (110) et le brûleur étant configurés pour réaliser une dénitration thermique du nitrate d'uranyle hydraté et former du trioxyde d'uranium UO3 se présentant sous la forme de particules, une chambre de séparation (120) adaptée pour séparer une partie des particules d'U03 des gaz issus de la dénitration thermique réalisée dans la chambre de réaction, et
- au moins un filtre (130) configuré pour séparer l'autre partie des particules d'U03 d'avec lesdits gaz et ainsi épurer lesdits gaz, l'installation (1) étant caractérisée en ce que la chambre de séparation (120) est une chambre de décantation dans laquelle débouche directement la chambre de réaction (110),
et en ce que le filtre (130) est apte à réaliser la séparation à une température supérieure ou égale à 350 °C.
2. Installation (1) selon la revendication 1, dans laquelle la chambre de séparation (120) comporte au moins une sortie des gaz (131) en direction du filtre (130), et dans laquelle l'installation (1) comprend en outre au moins un moyen de déviation des gaz pour dévier les gaz et les particules d'U03 sortant de l'embouchure (113) de la chambre de réaction (110) dans la chambre de séparation (120) en un emplacement de décantation (121) de la chambre de séparation (120) dont la cote verticale est inférieure à celle de la sortie des gaz (131). 3. Installation (1) selon la revendication 2, dans laquelle la cote verticale de l'emplacement de décantation (121) est inférieure à celle de la sortie des gaz (131) d'une hauteur h, la chambre de séparation (120) présentant une hauteur H,
et dans laquelle, le rapport h sur H est compris entre 0,1 et 0,5, avantageusement entre 0,2 et 0,
3, et, préférentiellement, entre 0,23 et 0,27.
4. Installation (1) selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle le moyen de moyen de déviation des gaz est fourni par un logement partiel de la chambre de réaction (110) dans la chambre de séparation (120), l'embouchure (113) de la chambre de réaction (110) dans la chambre de séparation (120) définissant l'emplacement de décantation (121).
5. Installation (1) selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle le moyen de déviation des gaz comporte une paroi de déviation (124) séparant l'embouchure (113) de la chambre de réaction (110) de la sortie de gaz (131), l'extrémité inférieure de ladite paroi de déviation (124) définissant l'emplacement de décantation (121).
6. Installation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les parois latérales (122) de la chambre de séparation (120) présentent uniquement des sections de paroi formant un angle avec la verticale qui est inférieur à 60°, préférentiellement à 45°.
7. Installation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le filtre (130) est un filtre du type à métal fritté.
8. Installation (1) selon la revendication 7, comportant au moins deux filtres (130) du type à métal fritté mis en parallèle, l'installation comportant préférentiellement quatre filtres (130) du type à métal fritté mis en parallèle.
9. Installation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le brûleur (114) et la chambre de réaction (110) sont configurés pour fournir, en sortie de la chambre de réaction (110), une vitesse des gaz comprise entre 1 m/s et 2 m/s et, avantageusement, entre 1,4 m/s et 1,7 m/s.
10. Utilisation d'une installation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour réaliser une dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté répondant à la formule υθ2(Νθ3)2,χΗ20 avec 2≤x≤6.
11. Utilisation selon la revendication 10, dans laquelle le nitrate d'uranyle hydraté est le nitrate d'uranyle hexahydraté de formule U02(N03)2,6H20.
12. Procédé de dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle hydraté répondant à la formule U02(NO3)2,xH2Û avec 2≤x≤6, caractérisé en ce qu'il comprend:
- une étape de dénitration thermique d'un nitrate d'uranyle dans une chambre de réaction (110) au moyen d'un brûleur (114), la chambre de réaction (110) étant disposée en sortie dudit brûleur (114), moyennant quoi on obtient des particules d'UÛ3 en mélange avec des gaz,
- une étape de séparation d'une partie de ces particules d'UÛ3 d'avec les gaz réalisée dans une chambre de décantation (120) dans laquelle débouche directement la chambre de réaction (110),
- une étape de filtration pour séparer l'autre partie des particules d'U03 d'avec lesdits gaz et ainsi épurer lesdits gaz, ladite étape étant réalisée à une température supérieure ou égale à 350 °C, et une étape de récupération des particules d'UÛ3.
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel l'étape de séparation d'une partie des particules d'UÛ3 d'avec les gaz comprend les sous-étapes suivantes :
- déviation des particules et des gaz issus de l'étape de traitement thermique en un emplacement de décantation (121) présentant une cote verticale inférieure à une sortie des gaz (131) du filtre (130) utilisé lors de l'étape de filtration,
- décantation d'une partie des particules d'U03 collectée dans la chambre de décantation (120).
14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, dans lequel, lors de l'étape de séparation, les gaz issus de la dénitration thermique sont introduits dans la chambre de séparation avec une vitesse des gaz comprise entre 1 m/s et 2 m/s et, avantageusement, entre 1,4 m/s et 1,7 m/s.
15. Particules d'U03 obtenues directement par un procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, les particules d'U03 présentant les caractéristiques suivantes :
- une surface spécifique BET supérieure ou égale à 17 m2/g,
- un pourcentage massique d'eau inférieur ou égal à 0,4 %m, et
- un pourcentage massique d'ions nitrate NO3" inférieur ou égal à 0,8 %m.
16. Particules d'U03 selon la revendication 15, dans lesquelles la surface spécifique BET est comprise entre 17 m2/g et 21,5 m2/g, avantageusement entre 17,5 m2/g et 21 m2/g et, préférentiellement, entre 18 m2/g et 20 m2/g.
PCT/EP2016/063377 2015-06-12 2016-06-10 Installation, procédé de dénitration thermique, utilisation d'une telle installation et produit obtenu par un tel procédé WO2016198654A1 (fr)

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