Un nouveau concept de séparation actinides-lanthanides en milieu sel fondu : mise en oeuvre d'une cathode liquide à surface renouvelée

par Anne Huguet

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Jacques Fouletier.

Soutenue en 2009

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015) .

mots clés

• Électrolyse en milieu sels fondus
• Électrochimie
• Polarographie
• Actinides
• Métaux des terres rares

Résumé

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre des recherches menées sur l'évaluation des procédés pyrochimiques pour la séparation actinides-lanthanides. Ils concernent plus précisément un coeur de procédé consistant en la réduction sur cathode liquide, des actinides dissous en milieu sel fondu porté à haute température. La technique présente un certain potentiel pour un scénario de "gestion groupée". L'objectif de ces travaux est de proposer un procédé de séparation électrolytique qui améliorerait les performances d'extraction des An, et celles de séparation An-Ln. L'amélioration de la sélectivité passe par la mise en oeuvre d'autres solvants que ceux explorés jusqu'à présent. Une étude méthodologique et thermodynamique nous a conduit à sélectionner une combinaison solvant/substrat cathodique prometteuse : fluorures fondus et bismuth miquide. Cette étape a été suivie d'une validation expérimentale (sur néodyme), permettant de s'assurer aussi bien de la faisabilité de mise en oeuvre des systèmes, que de la pertinence de nos prédictions. Les performances d'extraction pourraient, quant à elles, se voir améliorées par la mise en oeuvre d'un renouvellement de l'interface sel/cathode liquide. Il s'agit de répondre à la faisabilité d'une électrolyse dynamique sur gouttes de métal liquide. L'étude de la transposition d'une telle technologie aux milieux présélectionnés nous a conduit à mettre au point un petit dispositif dédié aux études d'écoulement, ainsi qu'une méthode de détermination des tensions interfaciales à haute température. Ces travaux montrent que le principe de séparation sur cathode liquide à surface renouvelée ne présente pas de point rédhibitoire. Néanmoins, une validation en actif et une optimisation technologique sont nécessaires pour compléter l'évaluation de cette technique séparative innovante.

Titre traduit

Actinide-Lanthanide separation by an electrolytic method in molten salt media : feasability assessment of a renewed liquid cathod

Résumé

This study is part of a research program concerning the assessment of pyrochemical methods for the nuclear waste processing. The An-Ln partitioning could be achieved by an electrolytic selective extraction in molten salt media. It has been decided to focus on liquid reactive cathode which better suits to a group actinides co-recycling. The aim of the study is to propose, define and initiate the development of an electrolytic pyroprocess dedicated to the quantitative and selective recovery of the actinides. Quantitativity is related to technology, whereas selectivity is governed by chemistry. The first step consisted in selecting the adequate operating conditions, which enables a sufficient An-Ln separation. The first step consisted, by means of thermodynamic calculi and electrochemical investigations, in selecting a promising combination between molten electrolyte and cathodic material, regarding the process constraints. To improve the recovery yield, it is necessary to develop a disruptive technology : here comes the concept of a dynamic electrodeposition carried out onto liquid metallic drops. The next step consisted in designing and manufacturing a lab-scale device which enables dropping flow studies. Since interfacial phenomena are of primary meaning in such a concept, it has been decided to focus on high temperature liquid-liquid interfacial measurements.