Développement d'un dispositif miniaturisé pour l'analyse d'échantillons nucléaires : maîtriser les contraintes opérationnelles pour répondre aux objectifs analytiques

Abstract

International audienceLa miniaturisation et l'intégration d'outils analytiques dans des dispositifs microfluidiques, sous la forme de laboratoires sur puce ou de microsystèmes analytiques uniques (µ-TAS), présente aujourd'hui plusieurs intérêts : la possibilité d'analyser des échantillons dont la quantité disponible est limitée, de mieux contrôler les paramètres impactant les réactions ou encore de développer des systèmes portatifs pour réaliser des analyses sur site. Dans le domaine du nucléaire, un avantage supplémentaire est de permettre de réduire les volumes des échantillons à traiter et les doses associées, les quantités de réactifs, ainsi que la quantité de déchets générés et les coûts nécessaires à leur gestion spécifique. En effet, afin de caractériser la composition élémentaire et isotopique d'échantillons pour la gestion des effluents d'installations nucléaires, de ceux issus d'étapes de procédés de traitement ou de combustibles usés, diverses étapes de purification par extraction sur phase solide sont nécessaires en amont de mesures par spectrométrie de masse (ICP-MS, TIMS). S'il existe des protocoles établis pour séparer des radionucléides tels que U et Pu à partir de résines commerciales (e.g. UTEVA™, TBP™, TRU™), ces derniers sont chronophages et requièrent des volumes de résines et d'éluants importants. Ce travail vise donc à développer un microsystème séparatif intégrant un support monolithique dans le but de réduire l'échelle des protocoles de purification d'échantillons nucléaires.Dans un premier temps, différents matériaux (e.g. verre, thermoplastiques) constitutifs du microsystème ont été évalués afin de trouver le meilleur compromis en lien avec l'application visée. Ceux-ci ont été comparés en termes de résistance aux acides concentrés lesquels sont associés aux matrices des échantillons et aux conditions des séparations radiochimiques ; de facilité et de répétabilité de l'ancrage du monolithe dans les canaux du microsystème ; ainsi que de coût et de facilité de mise en forme. A ce jour, la plupart des monolithes décrits dans la littérature sont synthétisés et ancrés dans des capillaires de silice ou dans des puces en verre, matériaux aisément fonctionnalisables contrairement aux polymères thermoplastiques comme le copolymère d'oléfine cyclique (COC) ou le polytétrafluoroéthylène (PTFE), connus pour être chimiquement inertes mais faciles à mettre en forme. Des monolithes organiques à base de monomères phosphatés présentant une bonne affinité pour les actinides ont ainsi été synthétisés par photo-polymérisation dans les canaux de microsystèmes commerciaux ou fabriqués au laboratoire par micro-usinage. Une attention particulière a été portée pour limiter les effets de diffusion lors de la synthèse des monolithes.Les différents microsystèmes fonctionnalisés ont ensuite été caractérisés en termes de morphologie et perméabilité avant de mettre au point leur couplage avec un ICP-MS. Des méthodes de quantification dédiées ont été développées pour déterminer en ligne leur sélectivité vis-à-vis de simulants (U, Th et Eu comme simulants des radionucléides U, Pu et Am) dans différents milieux ainsi que leur capacité de charge de ces éléments. La mise au point de ces différentes étapes en laboratoire conventionnel est essentielle pour valider la réduction d'échelle du protocole de séparation avant de l'appliquer à la purification d'échantillons radioactifs, imposant une transposition en boite à gants dans une zone contrôlée