Hexafluorure d'uranium - Définition

Application industrielle

Procédé de synthèse

Deux étapes sont nécessaires à la synthèse :

• le raffinage :
  1. Le minerai d'uranium pulvérisé « yellowcake » — est dissout dans l'acide nitrique, fournissant une solution de nitrate d'uranyle UO₂(NO₃)₂.
  2. éventuellement filtration.
  3. Le nitrate d'uranyle pur est obtenu par extraction par solvant, avec une solution de TBP.

Cette étape permet d'obtenir un nitrate d'uranyle UO₂(NO₃)₂ de grande pureté (>99,95 %).

• la conversion en elle-même :
  1. précipitation du nitrate d'uranyle par l'ammoniac gazeux pour obtenir du diuranate d'ammonium (NH₄)₂U₂O₇ (DUA),
  2. calcination du diuranate d'ammonium, vers 400 °C, pour produire l'UO₃,
  3. réduction de l'UO₃ par l'hydrogène pour obtenir de l'UO₂,
  4. hydrofluoration d'UO₂ par l'acide fluorhydrique HF dans un four pour produire du tétrafluorure d'uranium UF₄,
  5. L'oxydation par le fluor de l'UF₄ dans un réacteur à flamme conduit finalement à obtenir de l'UF₆.

Yellowcake + nitrate d'uranyle

+ Diuranate

+ Dioxyde d'uranium

+ UF4

Application dans le cycle du combustible nucléaire

L'hexafluorure d'uranium est utilisé dans les deux principales méthodes d'enrichissement de l'uranium, la diffusion gazeuse et l'ultracentrifugation, car il possède un point triple à 64 °C (147 °F, 63,85 °C) et à une pression légèrement plus élevée que la pression atmosphérique. De plus, le fluor possède un seul isotope naturel stable (¹⁹F), par conséquent les poids moléculaires des isotopomères de l'UF₆ différent uniquement par l'isotope d'uranium présent.

En plus de son usage dans l'enrichissement, l'hexafluorure d'uranium a été utilisé dans un procédé de retraitement avancé développé en République tchèque. Dans ce procédé, le combustible nucléaire oxyde usagé est traité avec du fluor pour former un mélange de fluorures. Ce dernier est ensuite distillé pour séparer les différents types de matériaux.

Conversion en oxyde d'uranium

Après enrichissement, l'hexafluorure d'uranium est converti en oxyde d'uranium (UO₂) pour ses applications nucléaires.

La conversion en UO₂ peut se faire par voie sèche (le plus fréquemment) ou par voie humide.

Voie sèche

• L'UF₆ est vaporisé par chauffage dans une étuve et mis en présence de vapeur d'eau surchauffée.
• L'UF₆ s'hydrolyse en UO₂F₂ entre 250 °C et 300 °C : UF₆ + 2H₂O –––> UO₂F₂ + 4HF Dr - 113 kJ/mole
• Le composé UO₂F₂ est ensuite réduit vers 700 à 800 °C par l'hydrogène, produisant l'UO₂ sous forme de poudre : UO₂F ₂+ H₂ –––> UO₂ + 2HF + 14,2 kJ/mole

Le rendement est supérieur à 99,5 %.

Voie humide

Ce procédé présente l'inconvénient de produire plus d'effluents que la voie sèche, ce qui a un impact environnemental plus important. Plus flexible, en revanche, il est souvent utilisé pour la récupération des matières fissiles dans les rebuts et les déchets.

Les étapes consistent en un traitement de l'UF₆ à la vapeur d'eau et en l'obtention, successivement, d'UO₂F₂, sels d'uranium, diuranate d'ammonium, UO₃ et UF₄. Ce procédé enchaine dissolution en milieu nitrique, purification par solvant en colonne pulsée, précipitation ammoniacale et réduction sous hydrogène.

Entreposage et stockage

États-Unis

Cylindre de stockage ayant fui.

Aux États-Unis, environ 95 % de l'uranium appauvri produit jusqu'à présent est stocké sous forme d'hexafluorure d'uranium UF₆ dans des réservoirs en acier sur des parcs en plein air à proximité des usines d'enrichissement. Chaque réservoir contient jusqu'à 12,7 tonnes d'UF₆. L'hexafluorure d'uranium est introduit sous forme liquide dans le réservoir. Après refroidissement, la majeure partie du liquide se solidifie pour occuper environ 60 % du réservoir tandis que le reste de l'espace est occupé par de l'hexafluorure sous forme gazeuse. Ce gaz réagit avec l'acier de la surface interne du réservoir et forme une couche protectrice vis-à-vis de la corrosion.

560 000 tonnes d'UF₆ appauvri étaient stockés en 1993 et 686 500 tonnes en 2005 dans 57 122 réservoirs de stockage situés à Portsmouth dans l'Ohio, Oak Ridge dans le Tennessee et Paducah dans le Kentucky.

Cet entreposage présente des risques environnementaux, sanitaires et de sûreté à cause de son instabilité chimique. Quand l'UF₆ est en contact avec de l'air humide, il réagit avec l'eau contenue dans l'air pour produire UO₂F₂ (fluorure d'uranyle) et HF (fluorure d'hydrogène) qui sont tous deux très solubles et toxiques. Les réservoirs de stockage doivent être régulièrement inspectés pour rechercher des traces de corrosion ou des fuites. La durée de vie estimée d'un réservoir en acier se mesure en décennies.

Le gouvernement des États-Unis a commencé à convertir le UF₆ en oxyde d'uranium solide pour un stockage à long terme. Un tel stockage de l'ensemble du stock du UF₆ pourrait coûter entre 15 millions et 450 millions de dollars.

Risques industriels

Il y a eu plusieurs accidents impliquant le fluorure d'uranium aux États-Unis. Ces accidents ont causé 2 morts en 1944 et un mort en 1986.