Electrochemical Preparation of UCl3 -LiCl-KCl Molten Salt in a Frit-Separated Cell
Cet article démontre une méthode électrochimique efficace et sans réactif pour la préparation de sels fondus UCl₃-LiCl-KCl dans une cellule à filtre séparateur utilisant une cathode en bismuth, laquelle parvient avec succès à des rendements de courant élevés et un contrôle précis de la concentration sans introduire d'impuretés métalliques ou de gaz corrosifs.
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Dans la quête pour alimenter le futur, les scientifiques se tournent vers un type spécifique de réacteur nucléaire qui fonctionne avec du métal liquide plutôt que de l'eau. Ces machines, connues sous le nom de réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium, offrent un moyen de réutiliser le combustible nucléaire usé, transformant ce qui est habituellement considéré comme un déchet en une ressource. Cependant, pour que ce recyclage fonctionne, les ingénieurs doivent séparer les parties utiles du combustible de ses parties inutiles. Ce processus, appelé pyrotraitement, se déroule dans un bain de sel fondu, qui agit comme une éponge chimique liquide. Pour que cette éponge fonctionne efficacement, elle doit être préchargée avec un composé chimique spécifique appelé trichlorure d'uranium. Traditionnellement, la fabrication de ce composé est une affaire complexe et dangereuse, nécessitant souvent des gaz toxiques ou des métaux lourds qui peuvent contaminer le produit final. Le défi consiste à trouver un moyen de créer cet ingrédient essentiel de manière propre, sûre et sans introduire de nouvelles impuretés dans le système délicat.
Une équipe de chercheurs de l'Université d'ingénierie de Harbin et de l'Institut chinois d'énergie atomique a développé une nouvelle méthode pour résoudre ce problème. Au lieu d'utiliser des gaz dangereux ou d'ajouter des produits chimiques supplémentaires, ils ont construit une cellule spéciale qui utilise l'électricité pour transformer directement le métal uranium solide en le composé salin requis. L'installation est divisée en deux chambres distinctes par une barrière de verre poreux, semblable à un tamis très fin. Dans une chambre, ils ont placé un morceau de métal uranium solide. Dans l'autre, ils ont placé un bassin de bismuth liquide, un métal argenté qui fond à des températures relativement basses. L'ensemble du système a été rempli d'un mélange fondu de chlorure de lithium et de chlorure de potassium, chauffé à une température de 773 Kelvin, assez chaud pour maintenir le sel liquide mais pas assez pour qu'il s'évapore.
Le processus fonctionne en faisant passer un courant électrique à travers le système. Lorsque le courant circule, l'uranium solide de la première chambre commence à se dissoudre, libérant des particules d'uranium chargées dans le sel fondu. Simultanément, l'électricité provoque la formation de lithium dans la seconde chambre. Si ce lithium était laissé seul, il réagirait violemment ou flotterait simplement, ruinant l'équilibre. Pour éviter cela, le bismuth liquide agit comme une éponge, absorbant le lithium nouvellement formé et le verrouillant dans un alliage stable. La barrière de verre poreux entre les deux chambres joue un rôle critique ; elle permet aux ions nécessaires de passer pour compléter le circuit électrique, mais bloque l'uranium dissous pour l'empêcher de dériver vers l'autre côté, où il serait gaspillé. Cette séparation garantit que l'uranium reste exactement là où il est nécessaire, augmentant sa concentration au sein du bain de sel.
Les chercheurs ont testé cette méthode en effectuant l'expérience dix fois de suite, en utilisant deux niveaux différents de courant électrique. Ils ont constaté que la concentration du composé d'uranium dans le sel augmentait de manière constante et prévisible à chaque cycle. À la fin de la série, le sel contenait près de 12,5 % du composé souhaité, un niveau suffisant pour une utilisation industrielle. Le processus était remarquablement efficace, convertissant plus de 95 % de l'énergie électrique en le produit chimique souhaité. De manière cruciale, l'équipe a confirmé que le bismuth capturait avec succès le lithium. En examinant le bismuth après l'expérience, ils ont constaté qu'il avait pris une couleur pourpre distincte, signe qu'un nouveau composé chimique s'était formé à l'intérieur. Une analyse plus approfondie a révélé que le bismuth et le lithium s'étaient effectivement liés, prouvant que le métal liquide faisait exactement ce qu'il était censé faire : retenir le lithium pour qu'il ne puisse pas s'échapper.
Cette nouvelle approche offre une amélioration significative par rapport aux anciennes méthodes. Les techniques précédentes reposaient souvent sur le cadmium, un métal lourd toxique, ou sur des gaz corrosifs qui pouvaient endommager l'équipement et laisser derrière eux des impuretés indésirables. En utilisant l'électricité et un éponge de métal liquide, cette méthode ne nécessite aucun produit chimique externe pour piloter la réaction. La quantité de composé d'uranium produite est contrôlée simplement par la quantité d'électricité qui traverse le système, permettant une gestion précise du produit final. Bien que la barrière poreuse ait ajouté une légère résistance, nécessitant un peu plus de puissance pour faire fonctionner le système, le compromis valait la peine pour la pureté et la sécurité du résultat. L'étude démontre qu'il est possible de créer les ingrédients essentiels pour le recyclage du combustible nucléaire à l'aide d'un processus électrochimique propre et autonome, ouvrant la voie à des systèmes d'énergie nucléaire plus efficaces et plus sûrs.
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