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Mesure du tritium : la fusion au service du marquage isotopique


Un nouvel équipement a récemment été mis en place au SCBM grâce à une collaboration avec des équipes de l'IRFM (Cadarache) afin de mesurer la dilution isotopique du gaz tritium réactionnel. Ces mesures ont permis de déterminer précisément et pour la première fois en dehors des installations de fusion nucléaire, la composition du gaz utilisé en amont et aval de chaque manipulation.

Publié le 22 octobre 2018

L'incorporation d'atomes de tritium radioactifs au sein de molécules est de première importance, i) dans le domaine médical où les candidats médicaments tritiés sont utilisés lors des études préliminaires permettant de connaître leur devenir in vivo dans l'organisme ; ii) dans le domaine des matériaux où des études d'absorption/désorption du tritium sont cruciales pour le développement de nouveaux réacteurs de fusion tel ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Au cours d'un marquage isotopique (manipulation d'incorporation d'atomes de tritium), le gaz utilisé est susceptible d'être dilué par des échanges isotopiques tritium/hydrogène (T/H) avec le milieu réactionnel. Cette dilution est préjudiciable pour l'obtention de molécules ou de matériaux marqués.

De nos jours, toutes les installations nucléaires de fusion sont équipées d'un système permettant la détermination du rapport isotopique hydrogène/deutérium/tritium afin de connaître de manière précise la composition du gaz injecté. Un tel système de détection est utilisé dans le tokamak JET et a été sélectionné par ITER.

Une collaboration entre l'IRFM de Cadarache et le SCBM a permis d'adapter le système exploité en tokamak à une application en boîte à gants. Le premier prototype a été installé en juin 2018 dans le bâtiment 547 du SCBM (Figures 1, 2) afin de déterminer avec précision le rapport isotopique tritium/hydrogène du gaz. Ce nouveau dispositif permet un fonctionnement optimal du système Penning en respectant les conditions de travail et de sécurité imposées par la manipulation de tritium radioactif.

Figure 1 : Boîte à gants Tritium du LMT (Laboratoire de Marquage par le Tritium, SCBM) © S.Feuillastre, S.Vartanian 
Figure 2 : Nouveau système de mesure OGA (Optical Gas Analysis) type sonde de Penning en boîte à gants © S.Feuillastre, S.Vartanian 


Le principe de la mesure du rapport isotopique tritium/hydrogène repose sur l'introduction du gaz à analyser à faible pression dans une sonde de mesure de pression de type Penning. Un plasma est alors généré dans la sonde et une émission de lumière est observée. Le signal lumineux est transmis par fibre optique à un spectromètre visible pour l'analyse spectroscopique. Chaque isotope de l'hydrogène (hydrogène, deutérium et tritium) possède une signature spectroscopique précise dans le visible : 6560,44 Å pour le tritium, 6561,03 Å pour le deutérium et 6562,79 Å pour l'hydrogène. Ces raies spectrales sont appelés raies de Balmer Ta, Da, Ha. La détermination du rapport isotopique (RI) est alors rendue possible en effectuant le rapport des raies d'intérêt (Ta/Ha pour le RI tritium/hydrogène), l'intensité des raies spectrales étant proportionnelle aux pressions partielles des gaz respectifs (Figure 3).

Figure 3 : Le signal lumineux émis par la sonde de Penning (carré rouge) est transmis par fibre optique à un spectromètre visible (rectangle vert) pour l'analyse spectroscopique (graphique).

Les premiers résultats obtenus sont très encourageants et ont permis de déterminer pour la première fois en dehors des installations de fusion nucléaire un rapport isotopique hydrogène/deutérium/tritium. Ces mesures seront mises à profit pour des applications dans le domaine de la santé et également pour les études menées par l'IRFM et le SCBM sur les cinétiques d'absorption/désorption du tritium dans des matériaux ITER pertinents. Cette technique permettra également de déterminer d'autres proportions de mélanges gazeux comme par exemple hélium/tritium.

Lien vers le Fait Marquant de l'IRFM

Contacts Joliot : Dr.Sophie Feuillastre, Sébastien Garcia-Argote, Dr. Grégory Pieters, Dr. Bernard Rousseau ; IRFM : Dr. Christian Grisolia, Stéphane Vartanian

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