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Enhancing Nuclear Safety


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Measurement of the plutonium isotopes in marine sediments using a high-resolution inductively coupled plasma mass spectrometer (HR ICP-MS).

Frédéric BRUNEAU thèse de doctorat de l'Université de Caen-Basse Normandie, spécialité : constituants élémentaires soutenue le 29/06/1999. rapport CEA-R-5876

Summary

Les éléments transuraniens issus de l'exploitation civile et militaire de l'énergie nucléaire sont l'objet d'une attention particulière car ils ont une forte radiotoxicité et leurs rapports isotopiques en activité et en masse sont caractéristiques des sources de radioactivité (retombées, sources industrielles... ). L'utilisation de ces rapports est un outil fondamental pour comprendre le cycle des différents radioéléments dans l'environnement.
Ainsi, la mesure des activités ou des concentrations des isotopes du plutonium dans les sédiments marins peut apporter, en particulier par le rapport 240Pu/239Pu des informations essentielles pour l'élaboration de modèles de transport des contaminants liés aux particules sédimentaires en milieu marin. La spectrométrie de masse à plasma couplé inductivement haute résolution (HR ICP-MS) offre la possibilité de mesurer simultanément et à bas niveau les isotopes du plutonium.
Dans ce travail, un protocole d'extraction, de purification et de concentration du plutonium des sédiments, a été mis au point. Ce protocole est spécifique de la mesure du plutonium par HR ICP-MS. Le protocole est décrit étape par étape. Une combinaison originale d'extraction liquide?liquide par thenoyltrifluoroacétone dans des flacons micro?compte gouttes et de concentration par chromatographie sur résine échangeuse d'ions de faible volume, a particulièrement été développée.
Elle permet d'atteindre un haut degré d'élimination de 238U et de 241Am, et de concentrer le plutonium dans une solution directement injectable dans l’HR ICP-MS.
Le protocole a été validé par la mesure des activités de 239Pu, 240Pu, 241Pu et 242Pu dans des sédiments certifiés de l’AIEA et dans des sédiments de la rade de Cherbourg.
Ce travail ouvre des perspectives sur la mesure de 238Pu, qui ne dépend plus que de l'obtention de réactifs exempts d’238U, et sur la mesure de 237Np. Les possibilités de mesure par HR ICP-MS des isotopes du plutonium dans l'eau de mer sont également évaluées.

ABSTRACT
Transuranics elements are of particular interest in radioecological studies because of their radiotoxicity and their potential use to decypher source fingerprints and transport processes. The simultaneous measurement Of 239Pu, 24OPu 241Pu, and 242Pu in environmental samples requires a specific chemical procedure. This work deals with an analytical procedure which yields a very high grade of purification of Pu suitable for ultra low level detection by HR ICP-MS, from marine sediments. After the elimination of major elements (Fe, Al, Mg ... ) by a first chromatographic separation, a new device of purification by solvent extraction and concentration by a second chromatographic separation is used to obtain a concentrated and high purified solution of plutonium. The chemical procedure have been validated on IAEA certified sediment samples and on sediment samples collected in the Roads of Cherbourg which had been previously analysed by other techniques (a spectrometry and thermoionisation mass spectrometer).

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