Méthodes innovantes pour la préparation et la mesure du carbone-14 dans les échantillons de l’environnement (Ref Th ENV 26-01)

La thèse se déroulera au Laboratoire d’expertise, de radiochimie et de chimie analytique (LERCA, voir le site), au sein Service d'analyse et de métrologie dans l'environnement (SAME) de l'ASNR. Celui-ci a entre autres pour missions la réalisation, selon des protocoles et des techniques ayant un niveau de référence reconnu, de traitements et d'analyses d'échantillons de l'environnement en vue d'activités d'étude, d'expertise ou de surveillance de la radioactivité dans l'environnement. Il a également pour mission l'étude et le développement de techniques métrologiques permettant d'identifier et de quantifier rapidement et avec précision les radionucléides présents dans des échantillons en situation d'urgence radiologique.

Sujet de thèse
En raison de leurs niveaux d'activité rejetés et de leur forte mobilité dans l'environnement, le carbone 14 (14C) et le tritium constituent les principaux contributeurs à l'exposition radiologique potentielle à proximité des sites nucléaires. Les teneurs en 14C sont déterminées en routine au SAME dans différentes matrices environnementales au moyen de traitements par oxidizer, précipitation en carbonate de baryum ou synthèse benzénique, suivis d'une mesure par scintillation liquide ou par spectrométrie de masse par accélération. L'objectif de cette thèse est de rationaliser et d'optimiser la chaîne analytique du 14C en développant des approches innovantes de préparation et de mesure, applicables à l'ensemble des matrices de l'environnement.

Le premier volet de la thèse portera sur la mise en place du traitement des échantillons par combustion à four tubulaire de type pyrolyser. Cet équipement permet de traiter des matrices liquides et solides en séparant les composés volatils, dont le carbone. Les travaux viseront à optimiser les paramètres de combustion et le piégeage du CO₂, puis à valider métrologiquement la méthode (rendement, incertitude, répétabilité). Cette étape constituera un socle commun aux développements ultérieurs.

Le second volet consistera à développer une méthode de séparation et de concentration du carbone plus simple, rapide et robuste que les protocoles actuels, compatible avec les solutions issues de la pyrolyse et adaptable à diverses matrices. L'objectif est d'obtenir une récupération quantitative tout en maîtrisant les contaminations et les pertes analytiques, afin de disposer d'un protocole cohérent et généralisable pour la surveillance environnementale du 14C.

Le troisième volet du projet explorera la faisabilité et les performances d'une mesure directe du carbone 14 par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif triple quadripolaire (ICP-MS/MS). La mesure simultanée de tous les isotopes du carbone (12C, 13C et 14C) offrirait la possibilité de déterminer les rapports isotopiques 14C/12C et 13C/12C et de s'affranchir ainsi de la mesure par chromatographie gazeuse de la teneur en carbone élémentaire. A ce jour, aucune étude ne décrit la détermination du 14C par ICP-MS/MS. Les travaux lors de la thèse consisteront à adapter les conditions d'ionisation et de réaction dans la cellule du spectromètre afin d'éliminer les interférences, notamment par l'utilisation de gaz réactifs tels que H₂, O₂ ou NH₃, et à explorer des voies de détection indirecte par la formation d'espèces moléculaires. L'objectif sera d'évaluer la sensibilité, la précision et la reproductibilité de cette approche pour des matrices réelles et de démontrer sa pertinence.

Le verrou scientifique réside dans l’intégration cohérente de l’ensemble de la chaîne analytique – extraction, purification et mesure – afin d’atteindre des performances compatibles avec les exigences de la surveillance environnementale du 14C.

La mesure par ICP-MS/MS permettrait de disposer, à terme, d'une méthode rapide, précise et économiquement compétitive, capable de compléter et d'enrichir le panel de techniques actuellement disponibles.

L'Autorité de sûreté nucléaire et de radioprotection est une autorité administrative indépendante créée par la loi du 21 mai 2024 relative à l'organisation de la gouvernance de la sûreté nucléaire et de la radioprotection pour répondre au défi de la relance de la filière nucléaire. Elle assure, au nom de l’État, le contrôle des activités nucléaires civiles en France et remplit des missions d'expertise, de recherche, de formation et d’information des publics.

La thèse se déroulera Unité d’expertise et de modélisation des installations de stockage (UEMIS).

Issu(e) d'une formation Master 2 ou Grandes Écoles en chimie analytique, radiochimie, ou sciences de l'environnement, le•la candidat•e montrera une forte appétence pour le travail en laboratoire et la mesure physique. Il•elle disposera de bonnes connaissances en spectrométrie de masse, ICP-MS en particulier. Une expérience dans l'analyse des radionucléides, la mesure par ICP-MS/MS, la mise en place de protocole analytique et/ou la mesure nucléaire (scintillation liquide) serait appréciée. Le•la candidat•e devra faire preuve de solides capacités d'analyse et de synthèse, d'un esprit critique et d'initiative, ainsi que de bonnes aptitudes relationnelles. Une bonne maîtrise de l'anglais (lu, parlé, écrit) est requise.