Traitement du combustible liquide dans le concept MSFR S. Delpech, G. Picard, S. Jaskierowicz et C. Slim LECIME - ENSCP
Rappel du schéma de traitement proposé
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
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 1 + 10 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 )
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 ) = 1 1+ 10 y y = (E imposé E MF z / M )* zf 2.3RT log n n LM MS log γ(mf z γ(m) )
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)
Extraction dans Bi liquide: Influence de la teneur en Th T = 650 C LiF-ThF 4 (77-23mol%) γ(thf 4 ) = 0.02 1 Eu Pu 0.8 Am n(lm)/n(ms) = 1 Efficacité 0.6 0.4 Sm 0.2 0-6 -5.5-5 -4.5-4 -3.5-3 log x(th) Dy Nd Ce Pr Tb Gd
Extraction dans Bi liquide: Influence du rapport des moles des phases 1.2 T = 650 C LiF-ThF 4 (77-23mol%) γ(thf 4 ) = 0.02 1 Pu 0.8 Eu Am x (Th) Bi = 10-3 Efficacité 0.6 0.4 Sm Dy Nd Ce La Pr Tb 0.2 0 Gd Er -0.2-2 -1.5-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 log(n(lm)/n(sf))
Désextraction en sel chlorure (LiCl-KCl) 1.2 T = 470 C 1 La Pr Ce Nd Am Efficacité 0.8 0.6 0.4 Er Gd Pu Dy Tb Sm Th Eu 0.2 0-0.2-2.5-2.4-2.3-2.2-2.1-2 E(V)/Cl2
Désextraction en sel fluorure 1.2 T = 650 C 1 Er Efficacité 0.8 0.6 0.4 Gd La Tb Pr Eu Nd Dy Sm Am Pu 0.2 Th Eu 0 Bi -0.2-4.8-4.7-4.6-4.5-4.4-4.3-4.2-4.1-4 E(V)/F2
Désextraction sélective? Augmenter la sélectivité en diminuant la température Exemple : Pu/Sm 2.6 2.4 FLiNaK 2.2 log S(Pu/Sm) 2 1.8 1.6 1.4 400 500 600 700 800 900 1000 T ( C)
Remarque: cas de l Europium -6 T = 650 C -4.6 Sources: HSC, Lebedev -7-4.7 log Y(M) dans Bi -8-9 -10-4.8-4.9 E (V) /F2-11 -5-12 La Nd Eu Ce Sm Pr Gd Er Numéro atomique Th Pu Am -5.1
Composition du sel combustible à traiter DONNEES GENERALES SF LM(Bi) MM (g/mol) 90.86 209 d(g/cm3) 4 9.8 n(sf) ds 40l 1760.950913 NOMBRE DE MOLES DE SF DANS 40l DE SEL 1760 PF (mol%) n(pf) Ac (mol%) n(ac) La 0.0035 0.0616 Pu (10%) 0.00054 0.009504 Ce 0.01 0.176 Am 0.0003 0.00528 Pr 0.004 0.0704 Cm 0.0013 0.02288 Nd 0.0107 0.18832 Pm 0.0006 0.01056 Sm 0.0014 0.02464 Eu 0.00026 0.004576 Gd 0.00018 0.003168 Tb 4.49E 06 0.000079024 Dy 3.42E 06 0.000060192 Er 2.36E 07 4.1536E 06 total 0.53940737 0.037664 0.57707137 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) 0.01 17.6 0.000176 0.000234667 40 0.37534694 2459.11095 0.1 176 0.00176 0.002346667 40 3.75346939 245.911095 1 1760 0.0176 0.023466667 40 37.5346939 24.5911095 10 17600 0.176 0.234666667 40 375.346939 2.45911095 Sylvie Delpech 100 176000 1.76 2.346666667 Atelier GEDEPEON-PCR 40 ANSF 3753.46939 Grenoble - 25-26 mars 0.2459111 2009
Conclusion (1) - Schéma de référence - 1- Extraction sélective des actinides: n(lm)/n(sf) 1 et x(th) = 0.001 - 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) - 2 - Désextraction en milieu fluorure propre (E > - 4 V) - 3 - Extraction des lanthanides: n(lm)/n(sf) 10 et x(th) = 0.001-4 - Désextraction des lanthanides en milieu chlorure (E > -1.5V)
Conclusion (2) -Alternative au schéma de référence - 1- Extraction groupée des actinides et lanthanides n(lm)/n(sf) 10 et x(th) = 0.001-2 - Désextraction sélective des lanthanides en milieu fluorure propre (E = - 4.35V 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 - 3 - 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.