Détection de produits de fission en situation accidentelle à l’aide de Metal-Organic Framework

Dans le projet FIND, différents types de capteurs innovants sont envisagés pour détecter de façon plus précise et spécifique, les produits de fission dans l'enceinte de confinement lors d'accidents graves. En effet, les capteurs ou techniques de mesure En effet, les capteurs ou techniques de mesure actuellement disponibles présentent tous des limitations qui ne permettent pas d’assurer une telle mesure de manière fiable.

Le travail de cette thèse consiste en l’étude d’une technique de mesure des espèces de produits de fission utilisant un solide poreux de type Metal-Organic Framework (MOF) pour une détection par mesure d’impédance. Les travaux se focalisent en premier sur la détection de l’iode en phase gazeuse (I2) et en phase liquide qui pourraient être étendus aux gaz rares.

La spectroscopie d’impédance électrochimique sera la méthode de détection étudiée. D’autres techniques de détection pourront également être étudiées en fonction de l’avancement des travaux comme la spectroscopie infrarouge, la spectrométrie de masse de type DESI-MS ou LDI-MS.

Une première étape va consister à déposer des MOFs sur les électrodes (à base de platine par exemple), afin de générer un film nanométrique. Le choix de MOF se focalisera sur des composés déjà identifiés comme sélectifs pour l’iode moléculaire comme les MOFs nommés UiO-66-NH2, UiO-67-NH2, HKUST-1, MIL-120, CAU-10, etc. Un travail d’optimisation sera notamment nécessaire afin d’assurer un parfait ancrage du MOF à la surface de l’électrode, un dépôt homogène d’épaisseur nanométrique à la surface tout en conservant les propriétés de capture et de sélectivité du matériau poreux. Ceci constitue le verrou scientifique majeur.

Le dépôt des MOFs à la surface des électrodes et la conservation des propriétés structurales et poreuses seront analysés à l’aide de différentes techniques dont les principales seront la diffraction des rayon X, la microscopie électronique (à balayage et transmission) et la mesure de porosité. La quantité de dépôt sera mesurée à l’aide de balance de haute précision. Des mesures d’adsorption d’iode (gazeux ou liquide) seront également réalisées en préparation aux mesures de détection. Il faut noter qu’une grande partie du travail consistera à optimiser le dépôt pour la détection et la mesure de concentration.

Les électrodes ainsi produites seront connectées à un analyseur d’impédance portable (PalmSens4 ou autre) puis soumises à un milieu contenant de l’iode moléculaire en phase liquide ou en phase gazeuse. Dans les deux cas, des ajouts d’espèces « parasites » adsorbables pouvant entrer en compétition avec l’iode pourront être ajoutées (H2O par exemple) afin d’évaluer la sélectivité du capteur.

Bien que centrés sur l'iode moléculaire, les travaux pourront s'étendre aux gaz rares et à l'iode organique, avec des tests potentiels sur les installations ASNR (EPICUR, PERSEE, EPICEA) pour valider l'instrumentation en conditions actives.