Thèse Méthodes Innovantes pour la Préparation et la Mesure du Carbone-14 dans les Échantillons de l'Environnement H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Géosciences, climat, environnement et planètes École doctorale : Sciences de l'Environnement d'Ile-de-France Laboratoire de recherche : Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement - DRF Direction de la thèse : CHRISTINE HATTÉ ORCID 0000000270862672 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-18T23:59:59 En raison de leurs niveaux d'activités rejetées et de leur forte mobilité dans l'environnement, le carbone 14 (14C) et le tritium sont les principaux contributeurs à l'exposition radiologique potentielle de l'environnement et de la population résidant à proximité des sites nucléaires. Dans le cadre de ses missions, l'ASNR assure la surveillance radiologique de l'environnement français visant à approfondir la connaissance des niveaux d'activité dans l'environnement, ainsi que la compréhension de la distribution et des processus de transfert de ces radionucléides. Ainsi, les niveaux en 14C dans différentes matrices de l'environnement sont déterminés en routine dans les laboratoires de l'ASNR. Au Service d'analyses et de métrologie de l'environnement (SAME), le 14C est quantifié selon différents procédés, en fonction de la nature de l'échantillon, de son activité et du niveau de précision requis. Le traitement chimique est effectué soit par oxidizer, soit par précipitation des carbonates de baryum, soit par synthèse de la molécule de benzène. La mesure est réalisée par scintillation liquide ou par spectromètre de masse par accélérateur. Aussi l'objectif de ce projet de thèse sera d'étoffer et rationaliser les techniques de quantification du 14C dans toutes les matrices de l'environnement en développant de nouvelles méthodes innovantes aussi bien en termes de préparation qu'en termes de mesure.
Le premier volet de cette thèse sera consacré à la mise en place du traitement des échantillons par combustion à four tubulaire de type pyrolyser. Cet instrument permet de traiter tous types de prélèvements liquides (effluent et environnement) et solides (végétaux, animaux, ...) en séparant les composés volatils, dont le carbone, du reste de la matrice. Les travaux porteront sur l'optimisation des paramètres de combustion (température, flux de gaz, durée), sur la sélection du milieu de piégeage du CO et sur la validation métrologique de la méthode en termes de rendement, d'incertitude et de répétabilité. Cette première étape constituera un socle technique pour toutes les étapes analytiques ultérieures.
Le second volet visera à repenser la méthode de séparation chimique du carbone 14. L'objectif est de développer un protocole de concentration simple, rapide et robuste, permettant une récupération quantitative du carbone tout en limitant les sources de contamination et les pertes analytiques. Ce nouveau protocole devra être compatible avec les solutions issues de la pyrolyse et adaptable à une grande diversité de matrices environnementales. Cette modularité permettra de constituer un ensemble de protocoles cohérents, couvrant l'ensemble du spectre analytique nécessaire à la surveillance environnementale du 14C mis en oeuvre au SAME.
Le troisième volet du projet explorera la faisabilité et les performances d'une mesure directe du carbone 14 par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif triple quadripolaire (ICP-MS/MS). La mesure simultanée de tous les isotopes du carbone (12C, 13C et 14C) offrirait la possibilité de déterminer les rapports isotopiques 14C/12C et 13C/12C et de s'affranchir ainsi de la mesure par chromatographie gazeuse de la teneur en carbone élémentaire. A ce jour, aucune étude ne décrit la détermination du 14C par ICP-MS/MS. Les travaux lors de la thèse consisteront à adapter les conditions d'ionisation et de réaction dans la cellule du spectromètre afin d'éliminer les interférences, notamment par l'utilisation de gaz réactifs tels que H, O ou NH, et à explorer des voies de détection indirecte par la formation d'espèces moléculaires. L'objectif sera d'évaluer la sensibilité, la précision et la reproductibilité de cette approche pour des matrices réelles et de démontrer sa pertinence. La mesure par ICP-MS/MS permettrait de disposer, à terme, d'une méthode rapide, précise et économiquement compétitive, capable de compléter et d'enrichir le panel de techniques actuellement disponibles.
Le carbone 14 est un radionucléide clé pour la surveillance radiologique de l'environnement, en raison de sa mobilité et de son rôle prépondérant dans l'exposition des populations à proximité des installations nucléaires. Sa quantification repose actuellement sur plusieurs voies analytiques, en fonction de la capacité analytique, la nature de l'échantillon, de son activité et du niveau de précision requis telles que combustion par oxidizer, synthèse benzènique, précipitation de carbonate, suivies de mesures par scintillation liquide ou par spectrométrie de masse par accélération (AMS). Ces approches ont des contraintes en termes de durée de traitement, d'incertitude ou de limite de quantification. Dans un contexte d'exigence croissante en matière de sensibilité, de rapidité et de fiabilité des mesures environnementales, l'optimisation et le renouvellement des chaînes analytiques constituent un enjeu scientifique et opérationnel majeur. L'objectif de ce projet de thèse est de concevoir, développer et valider une chaîne analytique innovante et modulaire pour la quantification du carbone 14 dans les matrices environnementales, combinant des avancées méthodologiques en matière de préparation des échantillons, d'isolement du carbone et de mesure isotopique du carbone 14. Le projet se décompose en trois volets complémentaires :
- la mise en place d'une méthode d'extraction du carbone par pyrolyse ;
- le développement d'un protocole de préparation des échantillons en amont de mesure 14C plus robuste et simplifié, en se basant sur les développements déjà effectués au SAME ;
- la mise au point d'une méthode de mesure innovante par ICP-MS/MS.

Issu(e) d'une formation Master 2 ou Grandes Écoles en chimie analytique, radiochimie, ou sciences de l'environnement, le-la candidat-e montrera une forte appétence pour le travail en laboratoire et la mesure physique. Il-elle disposera de bonnes connaissances en spectrométrie de masse, ICP-MS en particulier. Une expérience dans l'analyse des radionucléides, la mesure par ICP-MS/MS, la mise en place de protocole analytique et/ou la mesure nucléaire (scintillation liquide) serait appréciée. Le-la candidat-e devra faire preuve de solides capacités d'analyse et de synthèse, d'un esprit critique et d'initiative, ainsi que de bonnes aptitudes relationnelles. Une bonne maîtrise de l'anglais (lu, parlé, écrit) est requise.