Étiquette : AIEA

L’AGENCE INTERNATIONALE DE L’ÉNERGIE ATOMIQUE
VIENNE, 2025

APERÇU GÉNÉRAL

La plupart des minerais phosphatés sont d’origine sédimentaire, et c’est ce type de minerais phosphatés qui peut contenir des concentrations élevées en uranium, présentant typiquement des teneurs en uranium comprises entre 50 et 200 mg/kg [10]. Les grandes usines d’engrais phosphatés traitent entre 500 000 et 2 millions de tonnes de minerai phosphaté par an, ce qui représente un potentiel notable de récupération de l’uranium, même si celui-ci n’est présent qu’à l’état de traces dans les minerais phosphatés bruts traités. La Fig. 1, à gauche, montre un minerai phosphaté sédimentaire provenant de Floride, aux États-Unis, avant une concentration simple par flottation. Le minerai phosphaté concentré ou enrichi, également appelé concentré de roche phosphatée, issu du même minerai, est montré à la Fig. 2, à droite.

FIG. 2. Minerai de phosphate sédimentaire provenant de Floride, à gauche, et concentré obtenu à partir de ce minerai après enrichissement par flottation, à droite. Avec l’aimable autorisation de P. Zhang, Florida Polytechnic University.

Le minerai phosphaté est en grande partie insoluble et ne peut pas être directement utilisé comme engrais, sauf lorsque le sol est très acide, comme c’est le cas dans certaines régions tropicales. Le minerai phosphaté est donc transformé en engrais hydrosolubles afin que le phosphore puisse être absorbé par les plantes à travers leur système racinaire. Les usines d’acide phosphorique par voie humide — WPA, Wet Process Phosphoric Acid — constituent aujourd’hui le type d’usine d’engrais le plus courant en exploitation. Plus de 85 % des engrais phosphatés sont produits à partir de WPA, en utilisant de l’acide sulfurique pour l’attaque du minerai phosphaté.

Au cours du procédé WPA à l’acide sulfurique, représenté schématiquement à la Fig. 2, environ 80 à 90 % de l’uranium présent dans le minerai phosphaté est transféré vers l’acide phosphorique liquide WPA, à partir duquel il a historiquement été récupéré au moyen de différentes méthodes d’extraction par solvant. Les 10 à 20 % restants de l’uranium présent dans le minerai phosphaté sont généralement transférés vers le phosphogypse, un sous-produit solide du procédé de production de WPA.

Le phosphogypse peut avoir des usages bénéfiques, tels que l’application aux sols ou l’utilisation comme matériau de construction. Toutefois, ces usages sont dans certains cas limités par la présence d’isotopes radioactifs tels que le ²²⁶Ra ainsi que d’autres éléments traces toxiques. Pour traiter 1 tonne de minerai phosphaté, environ 0,6 tonne d’acide sulfurique concentré est utilisée. Le procédé génère ensuite approximativement 0,4 tonne de WPA de qualité marchande et 1,2 tonne de phosphogypse [11]. Historiquement, l’uranium était récupéré à partir du WPA de qualité marchande avant une concentration supplémentaire.

FIG. 3. Schéma simplifié du procédé de production d’acide phosphorique par voie humide (WPA) avec récupération de l’uranium, tel qu’il était historiquement mis en œuvre.

À certaines périodes où les prix de l’uranium étaient relativement élevés, la récupération des métaux lourds pendant la production d’engrais minéraux était rentable sur le plan financier pour les entreprises productrices de WPA. Les principaux facteurs qui déterminent la rentabilité économique sont, sans ordre particulier et sans tenir compte des réglementations environnementales ni des considérations stratégiques [9] :

• la concentration en uranium dans le minerai phosphaté : plus elle est élevée, mieux c’est ;
• la capacité de l’usine de traitement du minerai phosphaté : plus elle est grande, mieux c’est ;
• le procédé appliqué pour la récupération de l’uranium : moins il est coûteux, mieux c’est.

Les considérations stratégiques comprennent l’amélioration de la sécurité d’approvisionnement en uranium — approvisionnement national — et, par conséquent, la diminution de la dépendance vis-à-vis des importations d’uranium, les économies en devises étrangères, l’acquisition de technologie et la création d’emplois. Il est à noter que la majeure partie de l’uranium est transférée vers le produit fertilisant final, et que cet uranium peut provoquer une contamination des sols et des eaux souterraines. Il existe une préoccupation particulière concernant l’accumulation potentielle de l’uranium, qui peut compromettre la fertilité des sols, migrer vers les eaux souterraines, voire être absorbé par les cultures et ingéré par les membres du public [12–14].

La motivation à l’origine des premières opérations de récupération de l’uranium à partir des phosphates était d’abord stratégique, dans une première période allant des années 1950 aux années 1960, lorsque les pays exploraient différentes sources de minerais uranifères ; elle est ensuite devenue commerciale, dans une seconde période allant des années 1970 à la fin des années 1990.

Le Tableau 2 résume les anciennes activités commerciales de récupération de l’uranium menées en Belgique, au Canada, en Irak, à Taïwan et aux États-Unis. Presque toutes les usines utilisaient l’extraction par solvant, et les différents solvants employés pour récupérer l’uranium à partir de la phase inorganique ont donné leur nom aux procédés correspondants. Le solvant le plus largement utilisé était le procédé DEPA–TOPO, également connu sous le nom de procédé ORNL, d’après l’Oak Ridge National Laboratory aux États-Unis, où la technique a été initialement mise au point. TOPO signifie oxyde de tri-n-octylphosphine, et DEPA désigne l’acide bis(2-éthylhexyl)phosphorique.

TABLEAU 2. HISTORIQUE DE RÉCUPÉRATION DE L’URANIUM À PARTIR DU MINERAI PHOSPHATÉ, PAR RÉGION ET PAR USINE.

PROCÉDÉ D’EXTRACTION PAR SOLVANT ÉPROUVÉ COMMERCIALEMENT

Les procédés d’extraction par solvant ont constitué les méthodes de récupération de l’uranium déployées avec succès pour extraire l’uranium du WPA liquide à l’échelle industrielle commerciale. Beltrami et al. [15], Bunus [10] et Singh et al. [16] présentent des revues de littérature scientifique sur les procédés utilisés. La Fig. 3 fournit un bref aperçu du procédé d’extraction par solvant en deux cycles — DEPA/TOPO dans le Tableau 2 — qui s’est révélé être le plus performant par le passé.

FIG. 4. Procédé d’extraction par solvant à deux cycles, utilisé historiquement pour la récupération commerciale de l’uranium à partir de l’acide phosphorique par voie humide (WPA).

Les principes fondamentaux du procédé DEPA/TOPO présenté à la Fig. 4 sont les suivants :

1. Prétraitement acide : après refroidissement et, occasionnellement, élimination des matières organiques — ce qui entraîne une décoloration — l’acide phosphorique provenant du filtre, contenant 25 à 30 % de P₂O₅, est clarifié par élimination des solides.
2. Extraction primaire par solvant : l’acide clarifié est introduit dans un système mélangeur-décanteur à contre-courant contenant le solvant DEPA/TOPO dissous dans du kérosène. L’uranium est transféré vers la phase solvant, ou phase dite organique chargée. Le raffinat, parfois appelé acide phosphorique pauvre ou appauvri, est renvoyé vers l’usine d’acide phosphorique.
3. Désextraction primaire : un acide contenant un agent réducteur est mis en contact avec la solution organique chargée afin de favoriser le passage de l’uranium de l’état U(VI) à l’état U(IV). Ensuite, dans un second système mélangeur-décanteur, l’uranium entre en contact avec de l’acide phosphorique très concentré. À ce stade, l’uranium est retiré de la quantité relativement importante de solvant organique et transféré vers un volume plus faible d’acide de désextraction, c’est-à-dire l’acide principal de désextraction chargé. Ce procédé entraîne une augmentation significative de la concentration en uranium par rapport à l’étape précédente. Des facteurs de concentration pouvant atteindre 20 sont généralement observés à ce niveau.
4. Extraction secondaire par solvant : l’uranium est oxydé dans l’acide principal de désextraction chargé afin de le ramener à la forme U(VI). L’uranium concentré est transféré vers la phase solvant et encore davantage concentré afin de générer une phase appelée organique secondaire chargée, lorsque l’acide de désextraction entre en contact avec le solvant DEPA/TOPO dans un système mélangeur-décanteur.
5. Désextraction secondaire : dans un système mélangeur-décanteur, une solution alcaline entre en contact avec la solution organique secondaire chargée contenant l’uranium. Au cours de ce procédé, l’uranium est libéré du solvant organique et transféré sous forme concentrée vers la solution alcaline. Une solution uranifère acide est ensuite produite en traitant la solution de désextraction secondaire afin d’éliminer les alcalis et de la neutraliser. À ce stade, la teneur en uranium est d’environ 20 g/L.
6. Raffinage : la solution acide contenant l’uranium est ensuite soumise à un traitement supplémentaire afin de produire du peroxyde d’uranyle, du diuranate d’ammonium — ADU — ou du tricarbonate d’uranyle ammonium — AUT — qui est ensuite épaissi, lavé, séché et calciné afin d’obtenir de l’U₃O₈ ou yellowcake.

La Fig. 5 montre l’usine d’acide phosphorique de New Wales de la société International Minerals and Chemical Corporation (IMC) Phosphates — devenue aujourd’hui Mosaic Fertilizer Company — ainsi que les installations d’extraction des premier et second cycles, exploitées en Floride, aux États-Unis, entre 1980 et 1992.

FIG. 5. Unité de récupération de l’uranium intégrée à l’usine d’engrais phosphatés IMC New Wales, située en Floride, aux États-Unis — avec l’aimable autorisation de V. Astley, Dr. Phosphate Inc.

RETOURS D’EXPÉRIENCE ET ESTIMATIONS DES COÛTS DE LA RÉCUPÉRATION HISTORIQUE DE L’URANIUM

Le succès de l’extraction par solvant dans les années 1980 et 1990 a été porté par des intérêts commerciaux. D’excellents taux de récupération de l’uranium, dépassant 92 à 95 %, ainsi que le faible impact sur le cœur de métier des engrais, ont permis la récupération de l’uranium à l’échelle industrielle. Lorsque, à la fin des années 1990, la récupération de l’uranium a finalement cessé dans les usines de Floride et de Louisiane, les exploitants ont effectivement reconnu que la qualité de l’acide phosphorique avait été légèrement réduite.

Les usines de récupération de l’uranium les plus performantes utilisaient le même solvant — DEPA/TOPO — et chacune fonctionnait avec de l’acide phosphorique produit par le procédé dihydrate. L’acide contenait typiquement de l’uranium à une concentration d’environ 0,5 kg/t. Certaines des différences les plus significatives dans la conception des installations sont résumées dans le Tableau 3.

TABLEAU 3. DIFFÉRENCES ENTRE LES ANCIENNES USINES COMMERCIALES METTANT EN ŒUVRE L’EXTRACTION PAR SOLVANT DEPA/TOPO.

Malgré ces différences, les usines présentant les volumes de production les plus élevés ont atteint de très hauts niveaux d’efficacité opérationnelle et de récupération de l’uranium. Les paramètres économiques sous-jacents des usines les plus efficaces étaient globalement similaires. Le Tableau 4 présente certaines plages de données relatives à l’exploitation et aux coûts pour ces mêmes usines. L’hypothèse de calcul des coûts figurant dans le tableau est fondée sur une teneur en uranium dans l’acide d’environ 0,5 kg/t.

TABLEAU 4. Données économiques relatives à l’historique de la récupération de l’uranium à partir des installations d’acide phosphorique (dollars US de 1979)*

Il existait d’autres différences importantes de performance. Pour les trois usines ayant utilisé le DEPA/TOPO, les pertes de solvant auraient par exemple représenté des coûts allant de 2 à 5,50 dollars US par livre de U₃O₈. Les coûts de prétraitement variaient de 0,20 dollar US à plus de 4,00 dollars US par livre de U₃O₈. Les coûts combinés des pertes de solvant et du prétraitement variaient de 2,50 dollars US à plus de 8,00 dollars US par livre de U₃O₈.

Les pertes moyennes de solvant vers le raffinat variaient de 5 à 100 mg/kg. Les pertes de P₂O₅ variaient de moins de 0,1 % à environ 1,0 %. Les coefficients effectifs de désextraction variaient de 15 à 150 et ne présentaient aucune corrélation significative avec la concentration en P₂O₅ de l’acide de désextraction. Les pertes de solvant dues au nettoyage des décanteurs variaient de moins de 0,15 à plus de 0,5 kg/t de P₂O₅ traité. Les effets en aval du procédé de récupération de l’uranium variaient de nuls à plusieurs millions de dollars par an, principalement en raison d’une diminution de la durée de vie des revêtements en caoutchouc.

PERTINENCE DE L’URANIUM ISSU DES PHOSPHATES AUX ÉTATS-UNIS D’AMÉRIQUE

La récupération de l’uranium à partir des phosphates aux États-Unis a été particulièrement remarquable. À son apogée, cette technique a représenté jusqu’à 20 % de la production nationale d’uranium dans les années 1980, avant que la baisse des prix de l’uranium ne rende cette méthode économiquement irréalisable. Aux États-Unis, la récupération historique et prospective de l’uranium à partir des phosphates est comparée aux importations historiques d’uranium et à l’extraction minière nationale à la Fig. 6.

FIG. 6. Historique des Importations d’uranium des États-Unis, des activités d’extraction minière, de la récupération de l’uranium à partir des phosphates ainsi que sa récupération prospective

Les États-Unis, comme de nombreux autres pays qui dépendent fortement de l’énergie nucléaire pour produire de l’électricité, importent désormais la majeure partie de l’uranium dont ils ont besoin depuis l’étranger. Il est intéressant de noter que, depuis les années 1990, la quantité d’uranium susceptible d’être récupérée à partir des phosphates comme sous-produit de la fabrication des engrais a eu le potentiel de dépasser la quantité extraite sur le territoire national. À cet égard, comme le suggèrent Steiner et al. [17], les préoccupations actuelles concernant la sécurité d’approvisionnement du pays en uranium pourraient effectivement « rendre de nouveau attractive la récupération de l’uranium à partir des phosphates ».

Références

[10] BUNUS, F.T., Uranium and Rare Earth Recovery from Phosphate Fertilizer Industry by Solvent Extraction, Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review 21 (2000) 381-478, https://doi.org/10.1080/08827500008914174.

[11] BILAL, E., BELLEFQIH, H., BOURGIER, V., MAZOUZ, H., DUMITRAS, D.G., BARD, F., LABORDE, M., CASPAR, J.P., GUIHOT, B., IATAN, E.L., BOUNAKHLA, M., IANCU, M.A., MARINCEA, S., EASSKHRAOUI, M., LI, B., DIWA, R.R., RAMIREZ, J.D., CHERNYSH, Y., CHUBUR, V., ROUBIK, H., SCHMIDT, H., BENIAZZA, R., CANOVAS, C.R., NIETO, J.M., HANEKLAUS, N., Phosphogypsum circular economy considerations: A critical review from more than 65 storage sites worldwide, Journal of Cleaner Production 414 (2023) 137561, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.137561.

[12] BIGALKE, M., ULRICH, A., REHMUS, A., KELLER, A., Accumulation of cadmium and uranium in arable soils in Switzerland, Environmental Pollution 221 (2017) 85-93, https://doi.org/10.1016/j.envpol.2016.11.035.

[13] SCHNUG, E., LOTTERMOSER, B.G., Fertilizer-Derived Uranium and its Threat to Human Health, Environmental Science & Technology 47 (2013) 2433-2434, https://doi.org/10.1021/es4002357.

[14] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, The Environmental Behaviour of Uranium, Technical Reports Series No. 488, IAEA, Vienna (2023).

[15] BELTRAMI, D., COTE, G., MOKHTARI, H., COURTAUD, B., MOYER, B.A., CHAGNES, A., A Recovery of Uranium from Wet Phosphoric Acid by Solvent Extraction Processes, Chemical Reviews 114 (2014) 12002-12023, https://doi.org/10.1021/cr5001546.

[16] SINGH, D.K., MONDAL, S., CHAKRAVARTTY, J.K., Recovery of Uranium from Phosphoric Acid: A Review, Solvent Extraction and Ion Exchange 34 (2016) 201-225, https://doi.org/10.1080/07366299.2016.1169142.

[17] STEINER, G., GEISSLER, B., HANEKLAUS, N., Making Uranium Recovery from Phosphates Great Again? Environmental Science and Technology 54 (2020) 1287-1289, https://doi.org/10.1021/acs.est.9b07859.