Procédé de Girdler
Le procédé de Girdler (en anglais : Girdler sulfide (GS) process) est une méthode de production industrielle d'eau lourde (oxyde de deutérium), un élément important pour les réacteurs nucléaires, car il agit comme un modérateur de neutron.
Historique
Il tire son nom de Karl-Hermann Geib (en) et Jerome S. Spevack (en), qui l'ont inventé indépendamment dans les années 1940, et de la société Girdler, première usine américaine utilisant le processus.
Jusqu'à sa fermeture en 1997, l'usine d'eau lourde de Bruce en Ontario (située à proximité de la centrale nucléaire de Bruce) était la plus grande usine au monde de production d’eau lourde, d'une capacité de sept cents tonnes par an. Elle a utilisé le procédé Girdler, exigeant 340 000 tonnes d’eau d'alimentation pour produire une tonne d’eau lourde[1].
À l’heure actuelle, l’Inde dispose de sept usines d’eau lourde. La première d’entre elles à utiliser le procédé de Girdler est située à proximité de Rawatbhata Kota, au Rajasthan.
Principe
Le procédé Girdler consiste en une séparation isotopique entre du sulfure d'hydrogène (H2S) et de l'eau (H2O) légère. Le comportement du deutérium dépend de la température : à des températures élevées, l'atome de deutérium migre préférentiellement vers le sulfure d'hydrogène ; à basse température, il migre préférentiellement vers l'eau.
Le procédé repose sur l'équilibre de la réaction :
- H2O + HDS ⇌ HDO + H2S
À 30 °C, la constante d'équilibre K vaut 2,33, alors qu'à 130 °C, elle vaut 1,82. Cette différence est exploitée pour concentrer l'eau lourde[2].
Procédé
Une colonne est maintenue à 30 °C et est appelée la « tour froide » et l'autre à 130 °C et est appelée la « tour chaude ».
Le sulfure d'hydrogène gazeux circule en circuit fermé entre la tour froide et la tour chaude (celles-ci peuvent être des tours séparées ou des sections séparées d'une même tour, avec la section froide en haut).
De l'eau normale, contenant naturellement un peu de deutérium, est envoyée dans la tour chaude avec du sulfure d'hydrogène : à cette température, le deutérium a tendance à migrer de cette eau (ainsi appauvrie) vers le sulfure d'hydrogène. Celui-ci est ensuite envoyé dans la tour froide, avec de l'eau déminéralisée et dégazéifiée : à cette température, le deutérium a tendance à migrer du sulfure d'hydrogène vers cette eau, qui est ainsi enrichie en deutérium. En répétant l'opération sur cette eau, on l'enrichit à nouveau.
Une configuration en cascade appropriée accomplit l'enrichissement. Théoriquement, l'utilisation d'une seule tour au lieu d'une configuration en cascade est possible, mais en pratique cela n'arrive jamais, la taille de la tour et le nombre d’étapes seraient beaucoup trop grands.
Normalement dans ce processus, l'eau est enrichie en deutérium de 15-20 %. L'enrichissement final (concentration du deutérium supérieure à 99 %) est fait dans une unité de distillation sous vide.