Mise au point de procédés et de molécules extractantes
Développement d’une molécule extractante : le DMDOHEMA
Des molécules extractantes ont été choisies pour les diverses étapes de la séparation des actinides. L’une d’entre elles est le DMDOHEMA qui a l’avantage, une fois dégradée, d’être facilement incinérée sans laisser de déchets minéraux. Cette molécule organique peut extraire conjointement l’américium, le curium et les lanthanides. Pour l’étape suivante de la séparation de l’américium et du curium des lanthanides, on utilise d’autres molécules organiques (HDEHP et HEDTA).
© CEA
Le bilan de la recherche sur la séparation apparaissaît en 2006 prometteur, étant donné que le domaine était quasi inexploré au départ. Les efforts ont principalement porté sur la séparation des actinides mineurs dans des solutions aqueuses d’acide nitrique. Cette voie, encore appelée hydrometallurgique, est actuellement considérée comme la voie de référence par rapport à des alternatives ambitieuses, mais moins développées comme la séparation groupée ou les procédés pyrochimiques.
Des procédés de séparation en solution des actinides mineurs et de certains produits de fission ont été mis au point, grâce notamment aux installations du laboratoire Atalante de Marcoule. Les chimistes du CEA ont trouvé des molécules extractantes, sélectives et résistantes en particulier pour l’américium, du curium ou encore pour extraire un produit de fission comme le césium.
La faisabilité scientifique de la séparation du neptunium (l’actinide mineur le plus abondant mais le moins radioactif) par adaptation du procédé industriel PUREX est acquise depuis 1995, et la faisabilité technique a été obtenue en 2003. Plus difficiles, les séparations de l’américium et du curium passent par une extraction conjointe avec des lanthanides puis par leur séparation d’avec les lanthanides.
La faisabilité scientifique de l’extraction conjointe des actinides et des lanthanides par le procédé DIAMEX est acquise depuis 1994-1995. Les recherches ont conduit à adopter en 1998 une molécule complexe, le DMDOHEMA pour séparer ensemble ces radioéléments des autres produits de fission. Le rendement obtenu est de l’ordre de 99.9 % pour les actinides.
Pour l’étape suivante (SANEX) de l’extraction des actinides des lanthanides, deux voies ont été explorées. La première alternative consistait à utiliser des extractants efficaces en milieu très acide, les Bis-Triazinyl-Pyridines (BTPs) qui se sont révélées instables. La seconde alternative était basée sur l’association de deux extractants, une diamide capable d’extraire actinides et lanthanides en milieu très acide (HDEHP), et un acide organique capable d’extraire ces ions dans un milieu de faible acidité (HEDTA). Cette association a été testée avec succès au laboratoire et à plus grande échelle.
La démonstration de la récupération sélective des actinides mineurs a été obtenue à la fin de l’année 2005, par une expérimentation dans Atalante portant sur une dizaine de kilos de combustible au lieu de quelques centaines de grammes auparavant. Cette échelle intermédiaire est encore éloignée de ce que pourrait être un procédé industriel, mais les essais de 2005 montraient qu’avec une bonne combinaison d’extractants (DMDOHEMA, HDEHP , HEDTA ) on pouvait récupérer 99,9 % de l’américium et 99,7 % du curium avec un facteur de séparation des actinides des lanthanides de 800.
Le DMDOHEMA est la molécule de référence pour le procédé DIAMEX ; HEDTA (hydroxyéthyl éthylène diamine-triacétate) et HDEP (acide di-éthylexyl phosphorique) sont les molécules utilisées pour le procédé SANEX.
Séparation du césium : les calixarènes-couronnes
Véritables pinces à césium, les calixarènes-couronnes, des molécules mises au point en particulier au CEA, ont une affinité particulière pour cet élément. Cette séparation du césium interviendrait après la séparation des actinides et du lanthanides du procédé DIAMEX. Le césium-137, qui intervient à raison de 44 % du césium dans le combustible usé, contribue beaucoup à la chaleur dégagée par les déchets à enfouir mais disparaît au bout de 300 ans. Extraire le césium de ces déchets radioactifs et le conditionner à part, réduirait la taille et le coût des installations de stockage en profondeur.
© CEA
Séparation des produits de fission
La séparation du césium peut se révéler intéressante pour le stockage des déchets, l’un des isotopes concernés le césium-137 contribuant beaucoup au départ à la chaleur dégagée mais peu au delà de 100 ans.
Les chimistes ont mis au point des molécules remarquables, les calixarènes-couronnes, qui ont une affinité particulière pour le césium. Ces molécules ont été développées, notamment du CEA, en 2001-2002. Il reste, à l’aide de ces calixarènes, à développer un procédé de séparation et à démontrer sa faisabilité technique.
Pour les autres produits de fission candidats à la séparation, les études montrent que l’on pourrait récupérer en aménageant le procédé PUREX, 99% de l’iode et 90% du technétium. Les objectifs sont de maîtriser la séparation de l’iode, acquise aujourd’hui avec un rendement de 95% à l’échelle industrielle. Il s’agit ensuite de porter à 99 % la récupération du technétium, au-delà des 90% déjà acquis pour la fraction soluble.
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