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1 LE TRAITEMENT DES MINERAIS D’URANIUM H. KERDJOUDJ Commissariat à l’Energie At

1 LE TRAITEMENT DES MINERAIS D’URANIUM H. KERDJOUDJ Commissariat à l’Energie Atomique L’uranium constitue l’élément essentiel du cycle du combustible nucléaire comme le montre la figure 1. Figure 1 : le cycle combustible Les minerais d’uranium contiennent généralement un à quelques kilogrammes de métal par tonne de minerai brut. Il sera donc nécessaire de leur faire subir des opérations de concentration pour les amener sous une forme marchande. L’uranium étant un métal très réactif ce sont les traitements chimiques ou hydrométallurgiques (par opposition aux traitements pyrométallurgiques) qui se sont avérés les plus efficaces à cause des rendements qu’ils permettent d’obtenir. C’est d’ailleurs grâce à cela que leur importance industrielle ne cesse de s’accroître. Mine Usine d’enrichissement du minerai Extraction de l’uranium Usine d’enrichissement Fabrication d’élément combustible en Uranium enrichi ou plutonium Fabrication d’élément combustible en Uranium naturel Explosifs Nucléaires RÉACTEUR Fabrication de radioéléments Utilisation pour la production énergie électrique Usine de retraitement Dilution dans le milieu ou stockage Uranium naturel Utilisations diverses (métallurgie- chimie) Uranium naturel Appauvri en U 235 Combustible enrichi en Uranium 235 plutonium combustible épuisé Chaleur Uranium naturel Déchets radioactifs Produit de fission Le cycle du combustible Matériaux à irradier Après irradiation 2 La figure 2 montre les deux directions essentielles et qui comportent chacune d’elles plusieurs étapes. - le traitement commence par une préparation mécanique dont l’objectif est de libérer le minéral uranifère qui est souvent localisé soit dans les microfissures des roches cristallines comme les granites soit en ciment dans les roches sédimentaires comme les grès uranifères et de rendre ce minéral accessible au traitement. Cette préparation est généralement effectuée par voie humide pour éviter les risques de nuisance dus aux émanations radioactives. Le résultat final est obtenu par une série de concassages et de broyages suivis de classifications à des dimensions imposées par les autres étapes du traitement. - à de très rares exceptions (minerais canadiens ou australiens) les minerais d’uranium contrairement aux autres minerais, se prêtent mal à la concentration physique. - le minerai broyé est ensuite attaqué sélectivement par un acide (dans le cas d’une gangue peu consommatrice d’acide) ou un carbonate alcalin (dans le cas d’un minerai riche en minéraux consommateurs d’acide comme les calcaires ou les phosphates). C’est ce qu’on appelle le lessivage ou lixiviation ou en anglais « leaching ». - l’acide qui s’est imposé est l’acide sulfurique à cause de sa disponibilité, de son prix et aussi parce que les ions sulfate sont facilement éliminables en fin d’opération. Dans le cas d’une lixiviation alcaline on utilise le carbonate de sodium en utilisant la propriété qu’ont les carbonates de former avec l’uranium des complexes stables en solution aqueuse. - la forme de l’uranium la plus soluble étant la forme hexavalente, on a souvent recours à l‘emploi d’un oxydant. - en plus de l’uranium d’autres éléments comme le fer, l’aluminium, le vanadium et le molybdène sont aussi mis en solution. - la lixiviation carbonatée est généralement plus sélective que la lixiviation acide surtout vis à vis du molybdène et du vanadium mais elle exige un broyage plus poussé. - l’uranium ayant été mis en solution, il faut séparer la liqueur du résidu solide avec le plus grand rendement et le plus petit volume possible. - La solution contenant l’uranium doit être clarifiée, purifiée et concentrée. La méthode la plus répandue utilise des échangeurs d’ions soit sous forme de résines soit sous forme de solvants organiques. Les facteurs de concentration varient de 10 à 100. - L’uranium contenu dans la solution est ensuite précipité par une base qui peut être soit de soude soit de l’ammoniac. On obtient alors un concentré marchand qui titre à sec entre 65 et 75% en poids en uranium. 3 - Le concentré marchand est ensuite dirigé vers des ateliers de raffinage où il subit une purification poussée qui conduit à l’élaboration d’un composé de pureté dite nucléaire. Ce dernier peut être de l’ammonium diuranate (ADU), de l’amonium uranyl carbonate (AUC) ou du tétrafluorure d’uranium (UF4) etc. destinés à la métallurgie et à la fabrication d’éléments combustibles. Figure 2 MINERAI TOUT VENANT PREPARATION MECANIQUE TRAITEMENT PRELIMINAIRE BROYAGE LIXIVIATION SEPARATION SOLIDE-LIQUIDE CONCENTRATION PURIFICATION PRECIPITATION PURIFICATION FILTRATION SECHAGE BROYAGE CONTRÔLE DENSITE STERILES LIXIVIATION SEPARATION SOLIDE- LIQUIDE PRECIPITATION PURIFICATION FILTRATION SECHAGE CARBONATATION YELLOW-CAKE YELLOW-CAKE NH3 ou autres Eau ou solution recyclée Eau H2SO4, oxydants oxydants Eau CO2 Na OH solution solution Na2 CO3 Solution recyclée VOIE ALCALINE VOIE ACIDE so lut io n 4 LES PROCEDES TECHNOLOGIQUES Le traitement des minerais d’uranium fait appel pour toutes les étapes à des procédés de haute technologie : la lixiviation sous pression, la séparation liquide-solide, la clarification poussée des solutions. L’utilisation de ces dernières doit être justifiée par un rendement nettement plus élevé que celui obtenu par des procédés plus simples. Les voies de traitement La figure 3 illustre trois possibilités qui s’offrent aux exploitants : La voie 1 : Elle est la plus longue et la plus coûteuse mais la plus utilisée actuellement. Elle englobe toutes les étapes qui se trouvent rassemblées sur un même site à proximité de la mine. La voie 2 : Elle permet d’obtenir sur le site de la mine un préconcentré pouvant supporter les frais de transport sur de longues distances. Le préconcentré peut être considéré comme un second minerai riche dont la teneur en uranium justifierait l’utilisation de moyens de purification très sélectifs et réservés jusque-là au raffinage. La voie 3 : C’est la plus courte mais aussi la plus exigeante par la maîtrise des compositions des solutions et par la connaissance intime des espèces chimiques et de leur comportement. 5 Figure 3 Quelques aspects économiques L’évaluation du coût de traitement se fait essentiellement à l’aide de trois paramètres principaux : 1. Les quantités d’énergie consommées au niveau des différentes opérations 2. Les quantités d’eau utilisées 3. Les produits chimiques nécessaires à toutes les opérations de traitement Ces trois paramètres conditionnent le choix des technologies de traitement. Le tableau 1 donne l’énergie nette requise pour produire une tonne de U308 ainsi que la répartition sur les différents postes pour les deux types de traitement (acide et alcalin). L’énergie nécessaire par unité d’uranium produite par le procédé alcalin est proche du double de celle du procédé acide. Dans les deux procédés, près de 80% ou plus de l’énergie utilisée est directement en relation avec la quantité de minerai traité. On remarque aussi que la plus grande partie de l’énergie est consommée par la préparation mécanique et la lixiviation. Ce sont donc les postes sur lesquels les efforts de réduction des coûts doivent porter. CONCASSAGE - BROYAGE LIXIVIATION PURIFICATION – CONCENTRATION PRECIPITATION DU YELLOW CAKE REDISSOLUTION PURIFICATION OXYDE UO3 PRECIPITATION (Oxalate – diuranate d’ammonium) Voie 1 Voie 3 Voie 2 6 Tableau 1 Le tableau 2 donne les équivalents énergétiques pour les réactifs chimiques et les fournitures diverses nécessaires au traitement des minerais. Ce sont les réactifs de lixiviation et de précipitation qui viennent en tête. Tableau 2 Equivalent énergétique Unité Joules x106 H2SO4 NaOH NH3 Ca O NaClO3 Huiles et graisses Kérosène Milieux de broyage t t Kg t t l l kg 965 34.887 9.3 9884 67.158 41.8 37.6 8.4 Distribution par poste (%) -concassage- broyage -Lixiviation -Séparation solide- liquide -Extraction de l’Uranium -Réextraction – précipitation Et séchage 26 38 10 11 15 31 42 5 - 22 Énergie nette requise (j/1000kg U3O8 .103 350 à 450 700 à 800 Alcalin Acide Type de traitement 7 Le troisième aspect concerne les capitaux nécessaires et les coûts de production. Les tableaux 3 et 4 donnent la répartition par étape et pour les deux voies . Ces chiffres sont donnés à titre indicatif. Il est difficile de les généraliser mais il faut tout de même signaler que les capitaux sont en relation directe avec : - la quantité de minerai traité - les caractéristiques minéralogiques du minerai qui retentissent sur les paramètres de lixiviation (caractère réfractaire du minerai) ou la séparation solide liquide (importance de particules fines de minerai) - les infrastructures disponibles sur place et qui sont en relation avec la localisation de l’usine, le niveau de développement du pays et son environnement industriel. On ne dispose pas de beaucoup de données concernant les coûts de production. L’ordre de grandeur des coûts des diverses opérations pour une usine qui utilise la lixiviation acide, l’extraction par solvants et qui traite 2000 tonnes/jour de minerai titrant 0,2% avec un rendement d’extraction global de 95%. On remarque que près de 70% du coût total de production sont associés aux opérations de lixiviation et de séparation solide-liquide alors que plus de 70% des capitaux et des équipements concernent la préparation mécanique et la séparation solide-liquide avec une nette prépondérance pour la séparation solide-liquide. Tableau 3 29 9 44 12 6 -Concassage- broyage -Lixiviation -Séparation solide- liquide -Extraction par solvant -Précipitation- séchage Opération unitaire 28 9 46 11 6 16 46 22 11 5 Coût de production (%) Capital (%) Équipement (%) 8 Tableau 4 Les options technologiques Elles doivent prendre en considération les réductions et les économies en coûts d’équipements, uploads/Sante/ traitement-minerais-uranium.pdf