Apport de la simulation à la conduite d'un procédé de séparation d'éléments proches chimiquement

Abstract

International audienceLa récupération et la purification de métaux dans des minerais ou des matières recyclables nécessitent dans certains cas le développement de systèmes chimiques d'un haut degré de spécialisation jouant sur des différences ténues de comportement entre les éléments. Ces procédés s'avèrent donc très sensibles aux variations de paramètres opératoires et la réussite de leur mise en oeuvre dans des appareils d'extraction liquide-liquide devient très délicate. La modélisation des phénomènes physico-chimiques mis en jeu et leur simulation dans un code de calcul dédié permet de mieux maîtriser et d'anticiper le comportement du système au cours d'un essai. C'est la démarche suivie par Commissariat aux énergies atomiques et aux énergies alternatives (CEA) pour développer des procédés d'extraction liquide-liquide afin de limiter le nombre d'expériences à réaliser tant au niveau du tube en laboratoire que dans une succession d'appareillages d'extraction liquide-liquide. Dans le cadre du recyclage des actinides du combustible nucléaire irradié, le CEA envisage de récupérer l'américium, pour réduire l'emprise thermique au stockage et afin de le transmuter dans des réacteurs de génération IV. Le procédé par extraction liquide-liquide, EXAm, permet cette récupération sélective, s'avérant délicate du fait du comportement de l'américium très proche de celui d'autres éléments comme notamment le curium ou les lanthanides. Cet article montre la démarche du CEA pour développer EXAm en limitant le nombre d'essais à mettre en oeuvre, tout en atteignant les performances requises malgré la très forte sensibilité du système aux variations de certains paramètres opératoires. La démarche s'appuie sur la modélisation des phénomènes prépondérants en adéquation avec les acquisitions expérimentales, données d'extraction ou de spéciation. Pour la seule première étape du procédé EXAm où l'américium est séparé du curium, le modèle global prend en compte soixante-deux équilibres avec leurs constantes thermodynamiques associées. Ce modèle a été introduit dans le code de simulation de procédé nommé PAREX développé au CEA et cofinancé par AREVA-NC. Ce code permet de calculer, en régime stationnaire ou transitoire, les profils de concentrations des éléments modélisés, dans chaque étage du procédé (mélangeur-décanteur ou extracteur centrifuge dans le cas présent). Grâce à sa rapidité de calcul, des études de sensibilité ont été réalisées en faisant varier un grand nombre de paramètres opératoires. Ceux les plus pertinents pour piloter le procédé ont alors été choisis, et des procédures de mise en oeuvre ont pu être définies en amont puis appliquées lors d'un essai en micro-pilote, en se basant sur les analyses en ligne ou déportées, disponibles sur l'installation. L'ajustement en cours d'essai du débit permettant d'injecter le réactif complexant s'est révélé particulièrement efficace pour atteindre des performances très satisfaisantes de récupération de l'américium malgré la difficulté de séparation intrinsèque de cet élément dans le milieu considéré