Le combustible nucléaire usé, constitué d’uranium, de plutonium et de produits de fission (palladium, technétium, molybdène etc.), est traité industriellement en France par le procédé PUREX. Ce procédé hydrométallurgique permet d’extraire l’uranium et le plutonium à l’aide d’une phase organique composée de tri-n-butylphosphate (TBP) dilué dans un mélange d’hydrocarbures aliphatiques (TPH). Au cours des différents cycles d’extraction, la phase organique est soumise à des phénomènes d’hydrolyse acide et de radiolyse conduisant à la formation de produits de dégradation. Afin d’assurer le recyclage du solvant organique et le bon fonctionnement du procédé industriel, un traitement approprié permet d’éliminer ces produits. Néanmoins, après plusieurs décennies de fonctionnement des usines, des encrassements de certains équipements ont été observés. Ces solides contiennent les éléments palladium, carbone, oxygène et azote. Industriellement, une solution curative a été mise en œuvre pour éliminer ces crasses. Il convient toutefois de comprendre les phénomènes qui ont conduit à leur formation. Ce travail de doctorat a pour objectif d’étudier le comportement physico-chimique du palladium dans les cycles d’extraction et les mécanismes conduisant à la formation de solides. Pour cela, un système biphasique, constitué d’une phase organique de TBP dilué dans le TPH et d’une phase aqueuse d’acide nitrique contenant du nitrate de palladium(II), a été irradié par une source externe de rayonnement gamma afin de simuler le vieillissement du solvant d’extraction. Des précipités non radioactifs contenant du palladium et représentatifs des encrassements industriels ont été obtenus. Des analyses multi-techniques de ces précipités ont montré que les solides sont constitués d’un mélange complexe de cyanure de palladium(II), de carboxylate de palladium(II) et de divers produits organiques (di-n-butylphosphate (HDBP), composés à fonctions amines et hydrazine). Les produits menant à la précipitation du palladium proviennent de la dégradation du TBP et de celle du TPH et sont présents en phase aqueuse et en phase organique.Certains produits de dégradation formés lors de l’irradiation semblent favoriser l’extraction du palladium. Pour comprendre le rôle des produits de dégradation sur l’extraction du palladium, le solvant d’extraction utilisé dans le procédé PUREX a été dopé en composés organiques. Les composés testés sont des composés commerciaux représentatifs de produits de dégradation identifiés un solvant dégradé. De plus, les espèces testées sont des composés susceptibles d’interagir avec le palladium(II) (cétone, acide carboxylique, alcool, aldéhyde et alcène). Parmi ces composés, seul le 5-dodécène conduit à une augmentation significative de l’extraction du palladium(II) par rapport à une phase organique non dopée et à la formation d’un précipité noir constitué de palladium métal. Les analyses réalisées sur la phase organique dopée en 5-dodécène ont mis en évidence la formation d’un complexe ternaire dans lequel le palladium serait entouré de molécules de TBP, de 5-dodécène et d’ions nitrate. Par ailleurs, une fraction du palladium(II) extrait dans la phase organique oxyde le 5-dodécène en cétone et est réduit en palladium métal (précipité noir). Des voies de formation des différents composés constituant les crasses ont été proposées. Les alcènes, les cétones et l’acide nitreux apparaissent comme des précurseurs dans la formation de cyanure de palladium(II). Un carboxylate de palladium(II) serait formé par réaction de palladium(II) avec l’acide carboxylique correspondant. Les amines primaires pourraient se former par hydrogénation des nitroalcanes catalysé par la présence de palladium métal tandis que l’hydrazine pourrait se former par radiolyse des amines primaires. / The spent nuclear fuel composed of uranium, plutonium and fission products (such as palladium, technetium, molybdenum, etc.) is industrially processed in France by the PUREX process. This hydrometallurgical process allows separating uranium and plutonium by using an organic phase composed of tri-n-butyl phosphate (TBP) diluted in a mixture of aliphatic hydrocarbons (TPH = tetra propylene hydrogen). During the various extraction cycles, the organic phase is subjected to acid hydrolysis and radiolysis phenomena leading to the formation of degradation products. To ensure the recycling of the organic solvent and a normal operation of the industrial process, an appropriate treatment eliminates these degradation products. Nevertheless, after several decades of industrial operation of the factories, precipitates have been observed in some equipments. These solids contain palladium, carbon, oxygen and nitrogen atoms. Industrially, a curative solution has been found and allows eliminating these cruds containing in particular palladium. However, it is important to understand the formation of palladium precipitates in the liquid-liquid extraction cycles. This thesis aims to study the behavior of palladium in the extraction cycles and the mechanisms leading to the formation of solids.For this purpose, a biphasic system containing an organic phase of TBP diluted in TPH and a aqueous phase of nitric acid containing palladium(II) nitrate has been irradiated by an external source (gamma-irradiation). This irradiation allows simulating the aging of the extraction solvent. Nonradioactive precipitates which are representative of the industrial crud were obtained. A multi-technical analysis of these inactive precipitates has shown that the solids are composed of a complex mixture: (i) palladium cyanide(II), (ii) palladium(II) carboxylate and (iii) various organic products (di-n-butyl phosphate (HDBP)), compounds with amine functions and hydrazine. Moreover, we demonstrate that the degradation products leading to the precipitation of palladium come from either TBP or TPH and are present in the aqueous phase and in the organic phase.Some degradation products formed during irradiation seem to favor the extraction of palladium(II). To understand the role of degradation products on palladium extraction, the extraction solvent used in the PUREX process was doped with organic compounds. The compounds tested are commercial compounds representative of degradation products identified a degraded solvent. In addition, the compounds tested are species which can react with palladium(II) (ketone, carboxylic acid, alcohol, aldehyde and alkene). Among these compounds, only 5-dodecene leads to a significant increase in the extraction of palladium(II) in comparison with an undoped organic phase and the formation of a black precipitate composed of palladium metal. The analyses carried out on the 5-dodecene-doped organic phase revealed the formation of a ternary complex in which the palladium would be surrounded by TBP molécules, 5-dodecene and nitrate ions. In addition, a fraction of the palladium(II) extracted in the organic phase oxidizes the 5-dodecene to ketone and is reduced to palladium metal (black precipitate).Formation pathways of the various compounds present in the nonradioactive solids have been proposed. Alkenes, ketones and nitrous acid appear as precursors in the formation of palladium cyanide(II). A palladium(II) carboxylate would be formed by reaction of palladium(II) with the corresponding carboxylic acid. Primary amines could be formed by hydrogenation of nitroalkanes catalyzed by the presence of palladium metal while hydrazine could be formed by radiolysis of primary amines.Key word: palladium, radiolysis, PUREX process, degradation products, precipitates
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2018ENCM0009 |
| Date | 09 November 2018 |
| Creators | Simon, Bénédicte |
| Contributors | Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie, Berthon, Laurence, Chagnes, Alexandre |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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