Etat de la technique antérieure De manière classique, l'uranium métal est obtenu après transformation de l'oxyde UO2 en UF4, suivie d'une étape de réduction du tétrafluorure en uranium métal. Aucun procédé industriel actuel ne permet l'obtention directe de lingot d'uranium métal massif à partir du bioxyde. En effet, l'action sur le bioxyde d'uranium d'un métal réducteur comme Ca ou Mg, malgré sa très forte exothermicité, ne permet pas d'atteindre la fusion de la chaux ou de la magnésie et l'uranium métal est obtenu divisé dans un solide infusible. La scorie peut tre dissoute dans un acide, mais le coût du traitement est prohibitif pour une production massive et le métal divisé risque d'tre attaqué. Par contre, lors de la réduction de 1'UF4 par ces métaux, la scorie constituée de fluorite ou de sellait est relativement fusible. L'uranium est rassemblé in situ sous forme de lingot. Les scories

génèrent un déchet solide, traité par voie humide avant son stockage définitif en décharge contrôlée.

Actuellement, les contraintes liées à la réduction des déchets implique la mise en oeuvre de procédés avec recyclage, par exemple par électrolyse.

Le brevet US-A-5 290 337 divulgue un procédé de réduction d'oxyde d'uranium par du magnésium permettant la récupération de l'uranium métal et la régénération du réducteur métallique. A l'instar de ce que préconisaient C. MORANVILLE et J. DUBUISSON dans Le Nouveau Traité de Chimie Minérale, publié sous la direction de P. PASCAL, Tome XV, fascicule 1,1960, Masson et Cie, page 187 et J. H. BUDDERY dans Metallurgy and Fuels, 1956, vol. 4, pages 24-32, afin d'améliorer la décantation de l'uranium métal, l'oxyde d'uranium (par exemple U02) est réduit en présence de sels fondus, par exemple MgCl2/MgF2 ou MgCl2/NdCl3. La récupération du métal a lieu dans une nappe d'alliage fondu ZnMg ou CuMg. L'U02 est ajouté dans le milieu biphasique, agité et chauffé à 750°C, constitué de l'alliage fondu (ZnMg) et du mélange de sels fondus (MgCl2/NdCl3). Une partie du magnésium réduit 1'U02 en formant U et MgO. MgO réagit ensuite avec le chlorure de néodyme en donnant du chlorure de magnésium et de l'oxyde de néodyme. Quant à l'uranium métal, il est incorporé dans la phase ZnMg. A l'arrt de l'agitation du milieu réactionnel les phases se séparent. La phase métallique, plus dense, se dépose au fond du creuset.

Après refroidissement et solidification, les phases sont séparées mécaniquement. L'uranium métal est ensuite séparé par évaporation de ZnMg. Mg est régénéré par électrolyse du sel.

Ainsi selon US-A-5 290 337, la réduction d'U02 par Mg a lieu dans un mélange biphasique sous agitation. Le principe de deux phases distinctes

n'apparaît qu'à l'issue du processus qui ne peut tre qu'un système discontinu ("batch process"). Ce procédé présente donc l'inconvénient de ne pas fournir directement et de façon continue l'uranium métal en sortie de creuset. Deux étapes supplémentaires sont nécessaires pour séparer les constituants : une séparation mécanique des phases puis une distillation.

De plus, avant électrolyse et régénération de Mg le bain est forcément refondu et il ne peut pas tre recyclé ensuite à moins d'introduire une étape de chloruration de l'oxyde de néodyme.

Depuis-les années 1960, la fusion et le tirage en continu de lingots ont fait l'objet de nombreuses études, publications et brevets. Le métal est généralement introduit directement dans le creuset de tirage. Son élaboration a lieu dans d'autres structures, par exemple par électrolyse, métallothermie, ou réduction par métalloïde (carbone, soufre).

L'article"Economically Producing Reactive Metals by Aerosol Reduction"par J. D. LELAND, paru dans la revue J. O. M., pages 52-55, octobre 1996, divulgue un procédé d'obtention de titane, hafnium, ou zirconium en semi-continu à partir de leurs sels précurseurs (chlorures). Le procédé de réduction par aérosols consiste en une réaction entre deux jets de produits.

Le métal réducteur (par exemple Na ou Mg) est sous forme d'aérosol entre 400 et 600°C et le chlorure du métal à réduire est sous forme vapeur. Grâce à l'exothermicité de la réaction, le chlorure formé est vaporisé alors que le métal solide tombe dans un pied de bain métallique liquide. La température du milieu est stabilisée aux environs du point d'ébullition du sel formé, typiquement 1100-1200°C. Le métal est rassemblé et fondu à partir du pied de bain dans un

creuset froid inductif. Ce procédé présente deux inconvénients principaux qui sont la nécessité d'avoir une réaction exothermique permettant la vaporisation de la scorie et du produit de départ n'ayant pas réagi, et la difficulté de maîtrise des débits d'alimentation. En outre, ce procédé ne serait pas applicable dans le cas de réactions exothermiques présentant le risque d'atteindre la température d'inversion thermodynamique ou dont la température d'ébullition de la scorie est supérieure à cette dernière.

Exposé de l'invention L'invention remédie aux inconvénients de l'art antérieur cité ci-dessus en proposant une solution qui permet une élaboration complète, en continu, à partir du sel ou de l'oxyde métallique jusqu'au métal préformé.

L'invention a donc pour objet un procédé de métallothermie et de tirage en continu d'un produit métallique, constitué par au moins un métal, comprenant : -une étape d'élaboration du métal dans un premier creuset froid chauffé par induction où l'on provoque la réduction d'oxyde ou de sel dudit métal dans un milieu réducteur constitué par une nappe surnageante de matière en fusion et où le métal formé décante dans un milieu solvant constitué par un bain d'au moins un sel fondu permettant d'absorber les scories résultant de la réaction de réduction, le débit maximal d'alimentation de la nappe surnageante en oxyde ou en sel dudit métal étant déterminé par l'épaisseur de la nappe surnageante et la température de sa surface supérieure afin que la réduction de l'oxyde ou du sel

dudit métal s'effectue totalement dans la nappe surnageante ; -une étape de rassemblement et de fusion du métal décantant, réalisée dans un deuxième creuset froid chauffé par induction et situé sous le premier creuset froid, permettant d'obtenir un tirage en continu du produit métallique.

Cette détermination du débit maximal d'alimentation peut tre le résultat d'essais et/ou d'une modélisation procurant des abaques. Le milieu réducteur surnageant permet de parfaitement maîtriser la température et d'éviter la réversibilité des réactions.

Le chauffage par induction du premier creuset et du deuxième creuset peut se faire à des fréquences différentes.

Le milieu réducteur peut comprendre une matière choisie parmi un métal, un mélange de métaux, un métalloïde, un mélange de métalloïdes.

L'oxyde ou le sel dudit métal à élaborer peut tre introduit dans le premier creuset froid au-dessus de la nappe si cet oxyde ou ce sel est à l'état solide ou à l'état liquide. L'oxyde ou le sel dudit métal à élaborer peut tre introduit dans le premier creuset froid sous la nappe si cet oxyde ou ce sel est à l'état gazeux.

Dans le cas où le produit métallique à élaborer est un alliage d'au moins deux métaux, le premier creuset froid peut tre alimenté par un mélange d'oxyde (s) ou de sel (s) de ces deux métaux. En variante, l'un de ces métaux est introduit dans le premier creuset froid directement sous sa forme métallique, l'autre de ces métaux étant introduit sous forme d'oxyde ou de sel.

Avantageusement, le procédé comprend en outre une étape de régénération du milieu réducteur par électrolyse de la scorie présente dans le milieu solvant. Le soutirage du milieu solvant est réalisé en continu.

L'invention a aussi pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il est constitué : -d'un premier creuset à parois froides équipé de moyens de chauffage par induction et de moyens d'introduction dans le milieu réducteur d'oxyde ou de sel dudit métal à élaborer.

-d'un deuxième creuset à parois froides équipé de moyens de chauffage par induction, situé sous le premier creuset, la partie supérieure du deuxième creuset communiquant avec la partie inférieure du premier creuset, la partie inférieure du deuxième creuset étant pourvue de moyens permettant d'évacuer en continu le produit métallique.

De préférence, le premier creuset possède une section plus importante que le deuxième creuset.

Dans ce cas, la jonction entre les deux creusets peut se faire par une plaque de matériau réfractaire, par exemple une plaque de céramique.

De préférence, les moyens de chauffage par induction sont disposés sur le premier et le deuxième creuset de façon qu'il se forme, sous l'influence des parois froides des creusets, un cône de décantation constitué de milieu solvant solide.

Avantageusement, le premier creuset est équipé de moyens de soutirage de milieu solvant, fonctionnant en continu. Il est aussi équipé de moyens d'alimentation en milieu réducteur, fonctionnant en continu. Il est encore équipé de moyens d'alimentation

en oxyde ou en sel dudit métal à élaborer, fonctionnant en continu.

Le procédé selon la présente invention s'applique particulièrement bien à l'obtention d'uranium métal.

Si le composé d'uranium que l'on réduit est l'oxyde UO2 ou l'oxyde U308, le milieu réducteur peut tre constitué de lithium, le milieu solvant peut comprendre au moins l'un des sels suivants : LiCl, KC1, BaCl2, LiF, CaF2, et BaF2. Si le composé d'uranium que l'on réduit est UF4, le milieu réducteur peut tre constitué par un métal choisi parmi Ca, Mg, Li, K, Na ou par un mélange Ca-Mg, le milieu solvant peut comprendre au moins l'un des sels suivants : MgF2, MgCl2, LiCl, KCl, BaCl2, LiF, KF, CaCl2, CaF2, NaF, NaCl et BaF2. Si le composé d'uranium que l'on réduit est un fluorure double d'uranium et d'un élément alcalin ou alcalino-terreux, le milieu réducteur peut tre un métal choisi parmi Ca, Mg, Li, Na ou K, ou un mélange d'au moins deux de ces métaux réducteurs, le milieu solvant peut comprendre au moins l'un des sels suivants : MgF2, MgCl2, LiCl, KC1, NaCl, NaF, BaCl2, LiF, KF, CaF2, CaCl2 et BaF2. Si le composé d'uranium que l'on réduit est Cs2UCl6, le milieu réducteur peut tre un métal choisi parmi Ca, Mg ou Li ou un mélange d'au moins deux de ces métaux réducteurs, le milieu solvant peut comprendre au moins l'un des sels suivants : LiCl, KC1, CsCl, BaCl2, LiF, CaF2, BaF2, MgF2 et MgCl2.

Brève description du dessin L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre

d'exemple non limitatif, accompagnée de la figure annexée qui est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif comportant deux creusets à parois froides utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention.

Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention La métallothermie et le tirage de métaux ou d'alliages selon l'invention ont lieu dans deux creusets froids inductifs de tailles différentes (hauteur, diamètre, géométrie). L'originalité réside dans le fait que les deux creusets sont superposés et qu'il y a parfaite continuité entre les deux étapes du procédé.

L'élaboration du métal a lieu par réduction d'un oxyde ou d'un sel de ce métal dans le creuset supérieur. L'agent réducteur peut tre par exemple un métal ou un mélange de métaux plus réducteurs que celui à produire, ou un métalloïde : carbone ou soufre. Un milieu solvant assure la décantation du métal formé, par exemple un sel fondu ou un métal liquide non miscible avec le réducteur et le métal formé. Le rassemblement et le tirage du lingot sont assurés par le creuset froid inductif inférieur dont le diamètre ou la section est déterminé en fonction de la mise en forme recherchée : fil, barres, etc.

Le procédé selon l'invention s'applique en particulier pour l'obtention de métal par réduction métallothermique et séparation en bain de sels fondus.

Le sel ou l'oxyde est réduit dans une nappe de métal réducteur (corps pur ou mélange) en fusion surnageant un bain de sels fondus. Le réducteur est choisi pour sa

capacité de réduction, sa densité et l'absence d'alliage avec le métal à produire. Ce dernier traverse donc la couche de métal réducteur puis décante dans le bain de sels fondus. Le sel fondu est déterminé en fonction de plusieurs critères dont sa capacité de solubilisation de la scorie, sa densité, sa stabilité par rapport aux différents métaux en présence, et ses températures de fusion et d'ébullition. La scorie étant solubilisée par le sel, le métal est obtenu pur en bas du creuset réactionnel et est fondu puis tiré dans le creuset inductif inférieur à partir d'un pied de bain liquide.

Une variante du procédé consiste à réduire un mélange de sels ou d'oxydes de métaux différents et à tirer directement un alliage de ces métaux. L'un des métaux peut tre aussi avantageusement introduit sous forme solide (poudre métallique).

Par rapport à l'art antérieur, la séparation physique des zones de réduction et de fusion par une zone tampon de sel fondu (plus dense que le métal réducteur et moins dense que le métal à récupérer), permet d'envisager des réactions pour lesquelles la température d'inversion thermodynamique serait atteinte en système"batch"du fait de l'exothermicité ou de la fusion du métal produit. Le bain de sel intermédiaire permet d'imposer un gradient thermique au système tel que la température est plus élevée en bas du premier creuset. D'autre part, la mise en oeuvre de la réaction en creuset froid inductif assure l'évacuation éventuelle du surcroit de calories générées par la réaction dans la couche de métal réducteur. L'exothermicité de la réaction envisagée est donc maîtrisable. Il est aussi important de noter que

dans ce procédé il n'est pas indispensable qu'elle soit élevée.

La figure annexée est une vue en coupe longitudinale des creusets froids utilisés pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, par exemple de réduction d'un oxyde par un métal réducteur. Elle comprend un premier creuset froid 1 de forme cylindrique surmontant un deuxième creuset froid 3 de forme également cylindrique mais de diamètre inférieur.

Les creusets 1 et 3 sont assemblés par une plaque de céramique 11 sur laquelle est posée le creuset 1. Un orifice dans la plaque 11 permet la mise en place du deuxième creuset froid 3. La proximité des systèmes de refroidissement des deux creusets froids permet la formation d'un autocône de décantation 15 constitué par du sel solide. Une bobine d'induction haute fréquence 2 est disposée autour du premier creuset 1 et une bobine moyenne fréquence 4 est disposée autour du deuxième creuset 3. Selon l'invention le premier creuset 1 est rempli de sels fondus 7 sur lesquels surnage une nappe de métal réducteur 8. Le composé métallique à traiter 12 est introduit sous forme solide (par exemple en poudre 9) ou liquide sur la nappe de métal réducteur 8.

Les particules solides de métal produites 6 décantent dans le bain de sels liquides 7 et sont rassemblées dans le deuxième creuset 3 puis fondues et tirées sous forme d'un lingot 5. Le lingot est évacué par l'orifice 16 en continu. Le bain de sels 7 solubilise la scorie (ou sous-produit) et est évacué par l'orifice 10 réalisé dans le creuset 1. La hauteur de l'orifice de soutirage doit tre calculée pour éviter d'entraîner le métal désiré. Les forces électromagnétiques de pression qui s'exercent sur le métal qui décante permettent

d'éviter ce phénomène. Cependant, un filtre 18 peut tre rajouté sur la conduite de soutirage pour retenir le métal à élaborer dans le premier creuset. Pour éviter de figer la matière dans les conduites d'évacuation du bain vers l'électrolyseur (non représenté), celles-ci sont équipées de systèmes de chauffage inductif ou résistif 17. Après l'électrolyse du bain et de la scorie (non représentée) le métal réducteur 14 d'une part et le sel 13 constitutif du bain d'autre part sont réintroduits dans le réacteur 1.

Dans le cas où le métal désiré est l'uranium, le procédé tel que décrit permet d'obtenir ce métal à partir notamment d'oxydes (U02, U03, ou U308) ou de fluorure (UF4, fluorure double). Le métal réducteur est Ca, Mg, ou Li seul ou en mélange pour les oxydes et Na, Li, K, Ca ou Mg seul ou en mélange pour le fluorure. Pour 1'UF4 ou un fluorure double d'uranium, la possibilité d'alimentation en phase liquide sera un point très avantageux par rapport à l'art antérieur. La réaction de réduction aura alors lieu dans un système monophasique, liquide-liquide.

Le choix du métal réducteur résulte, outre des impératifs de réactivité avec le composé à réduire, de sa densité en phase liquide par rapport au bain de sels fondus, et des considérations suivantes. La température de fusion du milieu réducteur doit tre aussi basse que possible pour permettre une circulation en phase liquide entre l'électrolyseur et le réacteur, et aussi éloignée que possible de la température d'inversion thermodynamique (par exemple en dessous de 850°C Li réduit U02, au delà U réduit Li20). La température d'ébullition du métal réducteur sera suffisamment élevée pour laisser un choix de sels

compatibles important. Pour les sels, les points importants sont : la température de fusion, leur absence de réactivité avec l'ensemble des métaux en présence dans le domaine de température considéré, et leur capacité à intégrer (solubilité ou mélange) une forte proportion de scories. Ce dernier point a une influence déterminante sur le dimensionnement de l'unité d'électrolyse associée dans la mesure où industriellement, il est préférable d'éviter de se situer dans un système proche de la limite diffusionnelle du composé à électrolyser. La température d'ébullition du bain de sels sera impérativement supérieure à la température de fusion du métal réducteur et du métal produit à la pression de fonctionnement envisagée.

Compte tenu de l'ensemble de ces considérations techniques, dans le cas de la réduction du bioxyde d'uranium, l'utilisation de Li comme métal réducteur est intéressante. Pour le bain de sels, divers mélanges peuvent convenir, à base de LiCl, KC1, BaCl2, BaF2, LiF ou CaF2. Les mélanges retenus, binaires ou ternaires au maximum, ont des températures de fusion inférieures à 500°C ce qui permet d'avoir une température d'interface Li-sels de l'ordre de 600°C.

Le procédé selon la présente invention peut tre mis en oeuvre pour obtenir d'autres métaux que l'uranium, seuls ou en mélange à partir de leurs oxydes ou sels. Ces métaux sont notamment Sc, Y, La, Ga, Tl, La, les terres rares (Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), Be, Ti, Zr, Hf, Si, Ge, V, Nb, Ta, Cr, Fe, Pu,... La liste n'est pas exhaustive et l'ensemble des éléments de la classification peut faire l'objet d'une application dans le cadre de l'invention.

De mme, d'autres agents réducteurs que les alcalins ou alcalino-terreux sont utilisables. Il s'agit soit de métaux plus réducteurs que celui à produire, soit des métalloïdes tels que le carbone ou le soufre.

L'alimentation du composé à traiter est possible à partir de solides ou de liquides au-dessus de la nappe métallique, ou de gaz en dessous de cette nappe.

Dans le cas d'élaboration de matériaux par des métalloïdes, le mélange de sels fondus peut jouer le rôle de solvant de la réaction. Le métalloïde est dispersé dans le bain qui se comporte alors comme un lit fluidisé.

Le procédé s'applique aussi pour l'élaboration et le rassemblement par fusion de matériaux autres que des métaux ou corps purs à partir de leurs oxydes ou sels. Par exemple récupération d'éponges de carbures de bore à partir d'oxyde de bore et de carbone.