Modélisation des transferts thermiques en parois dans un réacteur de fluoration de l'uranium


Présentation du problème :

  1.    Cycle de production :

      Il y a une augmentation de la demande en énergie et diminution des stocks en énergie fossile. L’énergie nucléaire semble être une solution à cette demande en énergie. De nombreuses étapes sont nécessaires depuis l’extraction du minerai jusqu’à son utilisation en tant qu’énergie nucléaire. Nous nous intéressons dans ce projet à l’uranium 235. Les quatre étapes de fabrication de l’uranium 235 sont :

Nous pouvons visualiser l’ensemble de ce processus sur la figure suivante :


Fig. 1  Cycle de production de l’uranium

L’uranium est présent dans des minerais à des concentrations très faibles. Les volumes traités pour trouver de l’uranium sont très importants. La plupart des mines d’uranium sont à ciel ouvert. Cette ressource est relativement rare. Des mines d’uranium sont extraites des uranates et des nitrates d'uranyle. Ces minerais sont ensuite transférés dans des installations de raffinage et de conversion.

L’étape d’épuration ou de raffinage permet de réduire les impuretés présentes dans les minerais à 0,02%. Le produit épuré est ensuite transformé en tétrafluorure d'uranium (UF4). L'UF4 est à présent prèt pour produire l’hexafluorure d'uranium (UF6).

L’enrichissement de l’uranium est une étape cruciale dans ce procédé. L’enrichissement de l’hexafluorure d'uranium (UF6) est actuellement obtenu par combustion du tétrafluorure d'uranium (UF4) avec de la fluorine gazeuse (F2). Il existe une autre technique qui utilise un lit fluidisé et qui sera développé dans la partie suivante.

  1.        La réaction de fluoration :

La réaction de production de l’hexafluorure d’uranium (UF6) se fait traditionnellement en brulant de tetrafluorure d’uranium (UF4) avec de la fluorine (F2) dans un réacteur à flamme. Cette technique provoque la création de nombreux déchets et les dépenses en énergie sont importantes. Une autre technique consiste à produire l’hexafluoride d’uranium en utilisant un lit fluidisé. Des particules réactives solides d’UF4 sont mélangées avec des particules inertes qui sont fluidisées par de la fluorine gazeuse. Cette technique a été développée en laboratoire par Vogel et al. en par Jonke et al. en 1958. En 1981, Janov et Le Page ont transposé les résultats obtenus en laboratoire à un niveau industriel. Cette technique permet d’assurer un transfert thermique important dans le réacteur. De plus, la chaleur produite par la réaction est rapidement évacuée.

Dans le procédé de fluoration, de nombreuses réactions chimiques sont mises en jeu. Nous allons nous intéresser uniquement à la réaction produisant de l’uranium hexaflorine à partir d’uranium tetrafluoride et de fluorine. L’équation bilan de la réaction de fluoration est :

UF4 + F2 --> UF6

L’enthalpie de réaction est de -234,4 kJ/mol. La réaction est donc exothermique, d’où l’importance de s’intéresser au transfert thermique à l’intérieur du lit fluidisé.

  1.       Les lits fluidisés :

       Qu’est qu’un lit fluidisé ?

Un lit fluidisé est un procédé souvent utilisé en génie des procédés. Cette opération unitaire peut avoir plusieurs utilités, il peut être utilisé pour sécher des particules ou peut être utilisé pour le craquage de certaines molécules ou encore pour une réaction de fluoration comme dans notre cas.

Un lit fluidisé est constitué de deux phases. La première phase est une phase solide composée de petites particules qui sont en suspension dans la seconde phase qui est une phase fluide en écoulement ascendant à travers le lit de particules. Dans le lit, il va alors y avoir compétition entre le poids qui tend à faire sédimenter les particules au fond du lit, la densité des particules étant plus grande que la densité du fluide et la force de trainée qu'exerce le fluide sur les particules. Lorsque la force de trainée devient supérieure au poids apparent des particules, les particules sont entrainées par le fluide et le lit devient un lit fluidisé.

Les différents états d'un lit fluidisé

Pour un lit de particules donné, l'état de la suspension change en fonction de la vitesse du fluide. Nous pouvons observer trois grandes catégories de fluidisation, qui sont représentées sur la figure suivante :

lit fluidisé

Fig. 2  Les différents types de fluidisation d’un lit fluidisé

Il existe une vitesse de gaz, appelée vitesse minimale de fluidisation (Umf), à partir de laquelle les particules commencent à bouger et à se mettre en suspension. En dessous de cette vitesse le lit de particules est immobile. Cependant aucune bulle n’apparait à cette vitesse minimale ; nous pouvons donc observer que le lit est encore très homogène.

En augmentant la vitesse du fluide, nous allons pouvoir observer l’apparition de bulles, comme nous pouvons le voir sur la figure précédente du lit bouillonnant. La vitesse à laquelle apparaissent les premières bulles est appelée la vitesse de bullage U. Nous sommes donc dans le cas d’une fluidisation bouillonnante. Dans un contexte industriel, il est considéré que le bullage commence dès la fluidisation. Pour des petites particules, la vitesse de bullage et la vitesse de fluidisation sont très proches. Ce type de fluidisation est celui le plus utilisé dans l’industrie.

Si la vitesse du fluide augmente encore, les bulles commencent à se déformer, elles deviennent plus grosses et plus nombreuses, et l'agitation dans le lit est plus violente. Nous atteignons alors l'état de fluidisation turbulente.

Enfin, lorsque la vitesse du gaz dépasse la vitesse terminale de chute des particules, elles sont entrainées dans le courant gazeux, les faisant sortir du lit.

Impact des propriétés des particules sur le lit

      La taille et la masse volumique des particules ont aussi un effet sur l'hydrodynamique du lit fluidisé, certaines particules étant plus difficilement fluidisables que d’autres. A partir de résultats empiriques, Geldart a proposé un diagramme qui classe les solides selon leur aptitude à la fluidisation (figure 3).
Il y a donc quatre catégories :

Diagramme de Geldart

Fig. 3 - Diagramme de Geldart