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Mise au point d’une méthode d’analyse en ligne des actinides en solution

ABG-94138 Stage master 2 / Ingénieur 5 mois 700 à 1300 € selon selon cursus
21/10/2020
CEA
Bagnols sur cèze Occitanie France
  • Chimie
  • Sciences de l’ingénieur
dissolution, actinides, analyse en solution, spectrophotométrie UV-Vis-NIR, décomposition spectrale
15/12/2020

Établissement recruteur

Organisme public de recherche, le CEA intervient dans quatre domaines : la défense et la sécurité, les énergies bas carbone (nucléaire et renouvelables), la recherche technologique pour l'industrie et la recherche fondamentale (sciences de la matière et sciences de la vie).

Au sein du CEA, la Direction des Energies (DES) apporte aux pouvoirs publics et aux industriels les éléments d’expertise et d’innovation pour la mise en œuvre d’un système énergétique bas carbone, pour aujourd’hui et pour demain.

La DES est divisé en plusieurs instituts, dont l’Institut des Sciences et technologies pour une Economie Circulaire des énergies bas carbone (ISEC). Situé à Marcoule, l'ISEC est positionné sur le cycle des matières. Ses activités couvrent un large domaine de compétences : physicochimie, matériaux, développement & génie des procédés, modélisation & simulation, écoconception, analyse du cycle de vie, etc.

Au sein de l’ISEC, le Département de recherche sur les procédés pour la Mine et le Recyclage du Combustible est notamment chargé de piloter les activités de recherche pour concevoir, développer et qualifier les procédés et les technologies mis en œuvre dans l'amont et l'aval du cycle du combustible nucléaire, en particulier dans le domaine du recyclage du combustible.

Dans ce cadre, le DMRC développe des procédés de dissolution des matériaux, de séparation des éléments d'intérêt, de conversion ainsi que des procédés de fabrication adaptés aux matériaux recyclés. Ces compétences sont avant tout appliquées aux actinides au sein de l’INB Atalante à Marcoule.

Description

Mise au point d’une méthode d’analyse en ligne des actinides en solution

(English version below)

Mots clés : dissolution, actinides, analyse en solution, spectrophotométrie UV-Vis-NIR, décomposition spectrale

Afin d’économiser les ressources en uranium, et dans le souci de réduire encore l’empreinte écologique des déchets radioactifs ultimes, l’emploi généralisé des combustibles MOX (à base d’oxyde mixte d’uranium et de plutonium (U,Pu)O2) apparaît comme une solution d’avenir. Cet objectif ambitieux implique un multi-recyclage du plutonium, c’est-à-dire de retraiter les combustibles MOX usés, ce qui n’est pas le cas à l’heure actuelle. Un des défis associés réside dans la capacité à dissoudre complètement ces combustibles pour en extraire quantitativement le plutonium. Relever ce défi passe par une meilleure connaissance des mécanismes mis en jeu au cours de leur dissolution, et des cinétiques associées.

L’acquisition des cinétiques de dissolution des combustibles dans l’acide nitrique concentré est à l’heure actuelle réalisée via des prélèvements périodiques de solution, qui sont ensuite analysés a posteriori pour déterminer l’évolution temporelle des concentrations (i) en actinides d’intérêt (U, Pu, Am, Np) et (ii) en acide nitrique car l’acidité des solutions varie au cours de la dissolution. L’objectif du stage proposé est de mettre au point une méthode d’analyse qui permette d’acquérir les cinétiques de dissolution des actinides en continu et in situ, mais aussi de distinguer pour l’U et le Pu les différents degrés d’oxydation présents en solution. Pour ce faire, la technique d’analyse retenue est la spectrophotométrie UV-visible et proche infrarouge (UV-Vis-NIR). Cette méthode permettra l’acquisition de spectres à intervalles de temps réguliers, chaque spectre devant faire l’objet d’une décomposition pour déterminer la nature et la quantité des différentes espèces présentes en solution (U4+, UO22+, Pu3+, Pu4+, PuO22+, Am3+ et NpO2+).

L’étudiant(e) retenu(e) devra dans un premier temps préparer des solutions de référence en milieu nitrique pour chacun des cations et des degrés d’oxydation listés précédemment, et cela pour des acidités variant de 1 mol.L-1 à 9 mol.L-1. Il réalisera également l’acquisition des spectres UV-Vis-NIR (entre 350 nm et 2000 nm) de l’ensemble de ces solutions sur les différents spectromètres disponibles au laboratoire. L’acquisition de ces données lui permettra (i) de conclure quant à l’impact du montage expérimental sur les spectres obtenus, (ii) d’étudier l’influence de l’acidité sur l’évolution des spectres de référence de chacun des cations d’intérêt et (iii) de constituer une base de données de spectres de référence pour l’ensemble de ces cations et sur toute la gamme d’acidité investiguée.

La deuxième partie de ce travail aura pour objectif de mettre au point une méthode numérique de décomposition spectrale, qui s’appliquera au cas des mélanges d’actinides en solution. Cette méthode devra permettre la quantification des différents cations d’actinides lorsqu’ils sont présents simultanément au sein de la solution à doser, à partir d’un spectre UV-Vis-NIR acquis sur cette solution et de la base de données constituées dans la première partie de ce travail de stage. Pour parvenir à ce résultat, le/la stagiaire s’appuiera sur une routine de calcul existante qui permet de réaliser cette décomposition pour une acidité donnée, et devra la généraliser à une acidité quelconque dans la gamme investiguée. Il/elle testera le fonctionnement de la routine développée via l’analyse de solutions incorporant des mélanges des cations d’intérêt, et cela pour différentes acidités.

Le/La stagiaire aura accès à l’ensemble des moyens de préparation et d’analyse, ainsi qu’aux outils numériques nécessaires pour réaliser cette étude. Le stage se déroulera au sein de l’installation ATALANTE (CEA Marcoule), dans des laboratoires dotés de boites-à-gants dédiées à la manipulation des solutions d’actinides.

Development of an automated method for analyzing actinides in solution

Keywords: dissolution, actinides, solution analysis, UV-Vis-NIR spectrophotometry, spectral decomposition

In order to keep a low-carbon energy production while saving natural resources and further reducing the ecological footprint of ultimate radioactive waste, the widespread use of MOX nuclear fuels (based on (U,Pu)O2 mixed oxide) is the best option. To fulfil this ambitious goal, the multi-recycling of plutonium is mandatory. This implies the reprocessing of MOX spent fuels, which is not currently carried out. One of the associated challenges lies in achieving a complete dissolution of these fuels to extract all the plutonium they contain. A thorough knowledge of the mechanisms involved during MOX fuel dissolution, as well as the related kinetics, is therefore necessary.

The dissolution kinetics of nuclear fuels in concentrated nitric acid are currently measured via periodic sampling of solution, which are then analyzed to determine the evolution of (i) actinides (U, Pu, Am, Np) and (ii) nitric acid concentrations over time. The aim of the study proposed here is to develop an analysis method which makes it possible to record the kinetics of actinides dissolution continuously and in situ, but also to distinguish between the different oxidation states of U and Pu present in solution. To do this, the analysis method adopted is UV-visible and near infrared spectrophotometry (UV-Vis-NIR). This method will allow the acquisition of spectra at regular time intervals, which will have to be decomposed to determine the nature and quantity of the different species present in solution (U4+, UO22+, Pu3+, Pu4+, PuO22+, Am3+ et NpO2+).

The selected student will first have to prepare reference solutions in a nitric medium for each of the cations and oxidation states listed above and this for acidities ranging from 1 mol.L-1 à 9 mol.L-1. He will also record the UV-Vis-NIR spectra (ranging from 350 nm to 2000 nm) for all of these solutions on the different spectrometers available in the laboratory. This will allow him (i) to conclude about the impact of the experimental set-up on the recorded spectra, (ii) to study the role of acidity on the reference spectra for each of the cations studied and (iii) to build a database of reference spectra for all of these cations over the entire range of acidity investigated.

The second part of this work will aim to develop a numerical method of spectral decomposition, which will apply to the case of mixtures of actinides in solution. This method should allow the quantification of actinide concentrations when they are present simultaneously in the solution, from (i) the UV-Vis-NIR spectrum recorded on this solution and (ii) the database built in the first part of this internship. To do this, the trainee will rely on an existing calculation routine that allows this decomposition to be carried out for a given acidity. He should generalize it to any acidity in the range investigated. He will test the routine he has developed through the analysis of solutions incorporating mixtures of actinide cations at different nitric acid concentrations.

To carry out this work, the student will join the CEA's “Research Department of Mining and Fuel Recycling” (DMRC) at ATALANTE facility (Marcoule, France). He will thus have access to laboratories equipped with glove boxes dedicated to the handling and analysis of actinides containing solutions, as well as the IT tools necessary to carry out this study.

Profil

Le (la) candidat(e) devra préparer un Master 2 ou un diplôme d’ingénieur en chimie. Une première expérience des expérimentations en environnement nucléaire acquise au cours d’un stage précédent serait également appréciée, tout comme des compétences en développement informatique. Doté(e) d’une grande curiosité scientifique, et de bonnes capacités de synthèse, le (la) candidat(e) sera force de proposition, et capable de travailler de manière autonome mais aussi de collaborer avec les différents acteurs impliqués dans ce projet.

Prise de fonction

01/02/2021
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