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Étude de la spéciation exhaustive des lanthanides et des actinides pour les procédés de traitement du
combustible nucléaire : approche intégrée par spectrométries de masse
E. Blanchard, Anthony Nonell, Carole Bresson
To cite this version:
E. Blanchard, Anthony Nonell, Carole Bresson. Étude de la spéciation exhaustive des lanthanides et des actinides pour les procédés de traitement du combustible nucléaire : approche intégrée par spectrométries de masse. Journée des doctorants LAMBE, Nov 2015, Évry, France. �hal-03155557�
• Développer des méthodes de mesure en ligne des compositions isotopiques des Ln contenus dans les complexes préalablement séparés
• Mettre au point des méthodes de quantification précise par dilution isotopique des Ln contenus dans les complexes par HILIC ESI-MS et HILIC ICP-MS et comparer les performances des différentes approches [4] :
Dilution isotopique spécifique
Dilution isotopique non spécifique
• Les performances des différents types de spectrométries de masse seront évaluées et comparées
Etude de la spéciation exhaustive des lanthanides et des actinides pour les
procédés de traitement du combustible nucléaire : approche intégrée par
spectrométries de masse
Journée des doctorants LAMBE -13 Novembre 2015
[1] L. Beuvier, C. Bresson, A. Nonell, L. Vio, N. Henry, V. Pichon and F. Chartier, « Simple separation and characterization of lanthanide–polyaminocarboxylic acid complexes by HILIC ESI-MS », RSC Adv. 5 (2015) 92858–92868 [2] H. Shaaban, T. Górecki, « Current trends in green chromatography for the analysis of pharmaceutically active compounds in the environmental water compartments », Talanta 132 (2015) 739-752
[3] D. Guillarme, J. Ruta, S. Rudaz, J-L. Veuthey, « New trends in fast and high-resolution liquid chromatography: a critical comparison of existing approaches », Anal Bioanal Chem 397 (2010) 1069-1082 [4] F. Chartier, H. Isnard, A. Nonell, « Analyses isotopiques par spectrométrie de masse – Méthodes et applications », Techniques de l’ingénieur, p3740 (2014) 1-28
Ces développements analytiques permettront de déterminer la spéciation exhaustive des éléments d’intérêt dans le domaine du nucléaire, en particulier pour les procédés de traitement des combustibles usés actuels ou futurs. Une des perspectives de ce projet est de miniaturiser puis d’intégrer les méthodes séparatives sur microsystèmes, type laboratoire sur puce, afin de diminuer davantage les volumes d’échantillons et d’effluents radioactifs générés. Cette approche méthodologique est applicable à des domaines variés, comme les géosciences, les sciences du vivant, la criminalistique …
Dans le cadre des recherches sur la gestion durable des matières et déchets radioactifs, des procédés de séparation par extraction liquide-liquide ont été développés afin d’extraire les actinides mineurs (AM) des solutions de combustibles usés, dans une stratégie de séparation-transmutation. Ces recherches sont également menées en lien avec le multirecyclage plutonium, pour le développement de réacteurs
de 4ème génération. La mise au point de dispositifs d’analyse de spéciation de radioéléments d’intérêt, à différents points clefs des procédés de traitement de combustibles usés, est essentielle pour évaluer/améliorer leurs performances et pour l’acquisition de données fondamentales. Ces données doivent permettre d’identifier les principales réactions de formation des espèces à considérer lors de la modélisation des procédés et d’approfondir la compréhension des mécanismes fondamentaux les régissant.
Radioéléments d’intérêt susceptibles d’être présents sous de multiples espèces couplage simultané de la séparation chromatographique des espèces avec la spectrométrie de masse à source d’ionisation
électrospray (ESI-MS) et la spectrométrie de masse à source plasma à couplage inductif (ICP-MS) identification structurale des espèces (ESI-MS) et caractérisation élémentaire et isotopique des
radioéléments complexés (ICP-MS) analyse de spéciation exhaustive des radioéléments
DTPA
Mise au point de la séparation de complexes Lanthanides (Ln)-acides polyaminocarboxyliques par chromatographie d’interaction hydrophile (HILIC) couplée à l’ESI-MS [1]
Couplage simultané HILIC ESI-MS/ICP-MS :
Agents de désextraction dans de nombreux procédés
Séparation des espèces : réduction du temps d’analyse, des volumes
d’échantillons et d’effluents générés
Développement de méthodes de caractérisation isotopique et de quantification des
complexes
Transposition de l’approche à l’analyse d’échantillons réels radioactifs
ESI-MS ICP-MS
HILIC HILIC ESI-MS
ICP-MS Transposition en boîte à gants
Directrice de thèse
Carole BRESSON
CEA/DEN/DANS/DPC/SEARS/LANIE
Evelyne BLANCHARD
CEA/DEN/DANS/DPC/SEARS/LANIE
evelyne.blanchard@cea.fr
Encadrant CEA
Anthony NONELL
CEA /DEN/DANS/DPC/SEARS/LANIE
Détermination de la spéciation exhaustive des éléments par HILIC-ESI-MS/ICP-MS :
Plusieurs approches peuvent être envisagées [2-3] :
• Diminution des paramètres géométriques des colonnes : longueur et diamètre interne
• Taille et nature des particules :
- Diminution de la taille des particules entièrement poreuses ( < 2 µm)
- Utilisation de colonnes remplies de particules superficiellement poreuses
Les approches précédentes sont de plus susceptibles d’améliorer l’efficacité de séparation
• Analyses chromatographiques à haute température (HTLC)
Meilleure efficacité de séparation et consommation de solvants
• Supports monolithiques
Séparations rapides sans perte d’efficacité
Développement de supports monolithiques adaptés
• Adapter les développements méthodologiques et instrumentaux aux conditions nucléarisées
• Comparer les performances des instruments ESI-MS/ICP-MS/MC-ICP-MS pour la caractérisation isotopique et la quantification par dilution isotopique
Vanne d’injection EDTA
2
3
1
Séparation des espèces : réduction du
temps d’analyse
, des
volumes
d’échantillons
et
d’effluents générés
Développement de méthodes de
caractérisation isotopique
et de
quantification
des complexes Ln-acides polyaminocarboxyliques
Transposition
de l’approche à l’analyse d’
échantillons réels radioactifs
Temps (min) RT: 0.00 - 20.00 SM: 15G 0 5 10 15 Time (min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Re lat ive A bu nd an ce Abon da nce r el at ive (%) Colonne amide 100 x 2,1 mm 1,7 µm [Eu-DTPA+H] -[Gd-DTPA+H] -[Er-EDTA] -[Nd-DTPA+H] -[Er-DTPA+H] -[Gd-EDTA] -[Eu-EDTA] -[Nd-EDTA] -Séparation des complexes de Ln HILIC ESI-MS Identification structurale Quantification ICP-MS Analyse élémentaire Caractérisation isotopique Quantification HNO3 Diviseur de flux En amont de la séparation En aval de la séparation Vanne d’injection Pompes HPLC Séparation chromatographique ICP-MS
Echantillon + Traceurs spécifiques
marqués isotopiquement ESI-MS
Pompes HPLC
Echantillon
Séparation chromatographique
Traceur non spécifique
élément enrichi ESI-MS ICP-MS
