Traitement du combustible liquide dans le concept MSFR

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1 Traitement du combustible liquide dans le concept MSFR S. Delpech, G. Picard, S. Jaskierowicz et C. Slim LECIME - ENSCP

2 Rappel du schéma de traitement proposé

3 Rappel du schéma de traitement proposé ACTION Extraction sélective des actinides Extraction des lanthanides Désextraction des actinides Désextraction des lanthanides METHODE Réaction chimique par contact entre le sel fondu et un métal liquide (Bi) contenant un réducteur (Th) Mode opératoire identique à celui de l extraction des actinides (mais dans une nappe de Bismuth différente) Oxydation électrochimique dans le sel combustible fondu propre du métal liquide contenant les Ac extraits Oxydation électrochimique du métal liquide contenant les Lns dans un sel chlorure fondu

4 Analyse analytique des étapes du procédé: calcul des flux molaires ou massiques 1- Extraction d un élément M d un sel fondu dans un métal liquide Eff (MF y = (E z LM n(m) 1 ) = = n(m) + n(mfz ) y zf E MF / M )* log z 2.3RT n n LM MS log γ(mf z γ(m) ) avec E LM = E ThF4 / Th + 2.3RT 4F log x(thf 4 ) γ(thf x(th) γ(th) 4 )

5 Analyse analytique des étapes du procédé: calcul des flux molaires ou massiques 1- Désextraction d un élément M d un métal liquide dans un sel fondu Eff (MF z ) = n(mf z ) n(m) + n(mf z ) = y y = (E imposé E MF z / M )* zf 2.3RT log n n LM MS log γ(mf z γ(m) )

6 Analyse analytique des étapes du procédé: calcul des flux molaires ou massiques Paramètres expérimentaux Fraction molaire de Th dans Bi: x(th) Constantes Coefficients d activité: γ (solvatation par les deux phases) Rapport molaire des 2 phases: n(sf)/n(ml) Potentiels redox standards: E Biblio (ORNL, KYOTO): coefficient de distribution (logd) log D D log D M M n Li = log = x(m) x(mf) nf 2.3RT log D ( E E ) M Li M = nf 2.3RT ( E E ) M γ(mf) γ(li) + log γ(m) γ(lif) ML + log γ(mf) γ(m) ou Besoin de données indépendantes pour analyser le procédé (nature du métal liquide, température ): E (HSC) et γ (Lebedev)

7 Extraction dans Bi liquide: Influence de la teneur en Th T = 650 C LiF-ThF 4 (77-23mol%) γ(thf 4 ) = Eu Pu 0.8 Am n(lm)/n(ms) = 1 Efficacité Sm log x(th) Dy Nd Ce Pr Tb Gd

8 Extraction dans Bi liquide: Influence du rapport des moles des phases 1.2 T = 650 C LiF-ThF 4 (77-23mol%) γ(thf 4 ) = Pu 0.8 Eu Am x (Th) Bi = 10-3 Efficacité Sm Dy Nd Ce La Pr Tb Gd Er log(n(lm)/n(sf))

9 Désextraction en sel chlorure (LiCl-KCl) 1.2 T = 470 C 1 La Pr Ce Nd Am Efficacité Er Gd Pu Dy Tb Sm Th Eu E(V)/Cl2

10 Désextraction en sel fluorure 1.2 T = 650 C 1 Er Efficacité Gd La Tb Pr Eu Nd Dy Sm Am Pu 0.2 Th Eu 0 Bi E(V)/F2

11 Désextraction sélective? Augmenter la sélectivité en diminuant la température Exemple : Pu/Sm FLiNaK 2.2 log S(Pu/Sm) T ( C)

12 Remarque: cas de l Europium -6 T = 650 C -4.6 Sources: HSC, Lebedev log Y(M) dans Bi E (V) /F La Nd Eu Ce Sm Pr Gd Er Numéro atomique Th Pu Am -5.1

13 Composition du sel combustible à traiter DONNEES GENERALES SF LM(Bi) MM (g/mol) d(g/cm3) n(sf) ds 40l NOMBRE DE MOLES DE SF DANS 40l DE SEL 1760 PF (mol%) n(pf) Ac (mol%) n(ac) La Pu (10%) Ce Am Pr Cm Nd Pm Sm Eu Gd Tb 4.49E Dy 3.42E Er 2.36E E 06 total NOMBRE DE MOLES DE Th DANS LE METAL LIQUIDE n(lm)/n(sf) n(lm) n(th) max n(extraite) max volume SF volume LM n(étages) Sylvie Delpech Atelier GEDEPEON-PCR 40 ANSF Grenoble mars

14 Conclusion (1) - Schéma de référence - 1- Extraction sélective des actinides: n(lm)/n(sf) 1 et x(th) = Le thorium n étant pas en excès dans le bismuth, l extraction de Pu et Am est favorisée thermodynamiquement Exemple: PuF 3 + Ln(Bi) Pu(Bi) + LnF 3 (sauf Eu) Désextraction en milieu fluorure propre (E > - 4 V) Extraction des lanthanides: n(lm)/n(sf) 10 et x(th) = Désextraction des lanthanides en milieu chlorure (E > -1.5V)

15 Conclusion (2) -Alternative au schéma de référence - 1- Extraction groupée des actinides et lanthanides n(lm)/n(sf) 10 et x(th) = Désextraction sélective des lanthanides en milieu fluorure propre (E = V à 650 C) La sélectivité augmente quand la température diminue: on peut utiliser une sel fluorure avec une température de fusion inférieure à 650 C Désextraction des actinides en milieu LiF-ThF 4 propre (E > -4V) -Nécessité de connaitre les potentiels standards et les coefficients d activité pour quantifier précisément les flux de matières.