Etude du couplage ablation laser - ICP-MS pour la détection des activités nucléaires; application à l'analyse de microparticules d'uranium
Auteur / Autrice : | Anne-Laure Ronzani |
Direction : | Nicolas Dacheux, Jean Aupiais |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Chimie Séparative, Matériaux et Procédés |
Date : | Soutenance le 01/02/2019 |
Etablissement(s) : | Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Institut de Chimie Séparative de Marcoule - Institut de Chimie Séparative de Marcoule / ICSM - UMR 5257 |
Jury : | Président / Présidente : Franck Poitrasson |
Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Dacheux, Jean Aupiais, Franck Poitrasson, Thierry Loiseau, Christophe Pecheyran, Frédéric Chartier, Amélie Hubert, Fabien Pointurier | |
Rapporteur / Rapporteuse : Thierry Loiseau, Christophe Pecheyran |
Mots clés
Résumé
Le programme de la lutte contre la prolifération nucléaire repose entre autres sur l’analyse de microparticules d’uranium. Ce travail de thèse a consisté à développer et étudier les performances, les limitations et l’applicabilité à diverses matrices d’une méthodologie d’analyse directe de la composition isotopique de particules d’uranium par couplage entre un système ablation laser (LA) nanoseconde UV (213 nm) et un spectromètre de masse à source plasma créé par couplage inductif (ICP-MS). Après optimisation du montage expérimental et de la méthodologie d’analyse, plusieurs lots de particules d’uranium de tailles et compositions isotopiques différentes ont été analysées, dont des particules sphériques d’uranium naturel sub-micrométriques (415 ± 60 nm) produites en collaboration avec l’Institut de Chimie Séparative de Marcoule. Pour ces dernières, les rapports isotopiques mesurés se sont révélés en parfait accord avec les valeurs attendues. De plus, grâce à un excellent rapport signal sur bruit, des limites de détection particulièrement basses, de l’ordre de l’attogramme, ont été atteintes pour l’isotope 234U. Les incertitudes-types, de l’ordre de 1 % pour les rapports 235U/238U et de quelques pourcents pour les rapports 234U/238U, sont comparables à celles obtenues avec les autres techniques d’analyses particulaires utilisées au laboratoire. Cependant, le mode de séparation des ions (par champ magnétique) et les technologies des différents détecteurs de l’ICP-MS utilisés (cages de Faraday et compteurs d’ions) ne sont pas pleinement adaptés aux variations très rapides (de l’ordre de quelques centaines de µs) de l’intensité des signaux produits par l’ablation laser. Ceci représente une source d’erreur qui limite la répétabilité des mesures. Nous avons donc évalué le potentiel du couplage d’un dispositif d’ablation laser (ns, UV 193 nm) avec un ICP-MS à temps de vol (icpTOF, Tofwerk, Thun, Suisse) qui permet d’acquérir l’ensemble du spectre de masse en 30 µs, pour l’analyse de microparticules d’uranium. Des incertitudes-types d’environ 0,3 % et une excellente justesse ont ainsi été obtenues pour la mesure des rapports 235U/238U à partir de microparticules d’uranium enrichies. Toutefois, les performances restent insuffisantes pour la mesure des rapports isotopiques mineurs (234U/238U, 236U/238U) en raison de la sensibilité relativement faible de l’instrument et d’un effet de pied de pic très important. Enfin, la méthodologie d’analyse développée a été appliquée, pour la première fois, à l’analyse directe de particules d’uranium déposées sur une aiguille de sapin. Une perte de sensibilité considérable par rapport à un dépôt sur un disque graphite et une augmentation modérée des incertitudes ont été observées. Cependant, la justesse reste satisfaisante.