Procédé de Girdler

Le procédé Girdler de séparation isotopique repose sur l'équilibre de la réaction entre du sulfure d'hydrogène et de l'eau, en exploitant le fait que, à des températures élevées, l'atome de deutérium migre préférentiellement vers le sulfure d'hydrogène tandis qu'à basse température, il migre préférentiellement vers l'eau :

H₂O + HDS ⇌ HDO + H₂S

On fait donc barboter du sulfure d'hydrogène dans de l'eau chaude, qui s'appauvrit en deutérium au profit du gaz, puis on fait barboter le même gaz dans de l'eau froide, qui s'enrichit en deutérium tandis que le gaz revient à son état initial pour refaire le circuit. La solubilité du gaz dans l'eau et la vitesse de la réaction sont suffisantes pour ne pas être les facteurs limitants, ce qui compte c'est donc la constante d'équilibre K, qui vaut 2,33 à 30 °C, alors qu'à 130 °C, elle vaut 1,82. Cette différence est relativement faible, de sorte que l'enrichissement n'est que de 15 à 20 %. Il faut donc répéter l'opération plusieurs fois au moyen d'unités similaires (mais un peu plus petites à chaque fois) en série, chacune récupérant l'eau chaude appauvrie de l'étage suivant vers lequel elle envoie son eau froide enrichie. L'eau chaude appauvrie du premier étage est rejetée tandis que l'eau froide du dernier étage (dont la concentration en deutérium est supérieure à 99 %) est envoyée vers une unité de distillation sous vide pour l'enrichissement final, qui doit atteindre 99,75 %^[2].

Le procédé suppose de traiter des quantités considérables d'eau, avec un ratio molaire d'eau entre l'entrée et la sortie d'au moins 40 000^[2]. Cela implique que le procédé consomme des quantités énormes d'énergie (25 GJ thermiques et 700 kWh électriques pour un kilogramme de D₂O)^[2] et que chaque unité soit elle-même de grande taille. Ainsi l'usine de Glace Bay au Canada, dans ses colonnes de sept mètres de diamètre et 60 de haut, avalait 40 000 m³ d'eau par jour, pour une puissance de 300 MW^[2]. L'investissement pour de tels équipement fait que le procédé est également très intensif en capital^[2].

Une colonne appelée « tour froide » est maintenue à 30 °C et est et l'autre, appelée la « tour chaude », à 130 °C. Le sulfure d'hydrogène gazeux circule en circuit fermé entre la tour froide et la tour chaude. Les tours peuvent être séparées ou être des sections séparées d'une même tour, la section froide étant alors au-dessus.

De l'eau normale, contenant naturellement un peu de deutérium, est envoyée dans la première 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.

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