Le blé, référence métrologique internationale pour la mesure du tritium

Une équipe du CEA - DAM, en collaboration avec l’Autorité de sûreté nucléaire et de radioprotection, a réalisé la qualification d’un matériau, considéré aujourd’hui comme étalon primaire pour la mesure du tritium. Ce matériau de référence, sollicité en France et à l’étranger, permet désormais à tout laboratoire d’étalonner ses méthodes d’analyse du tritium afin de garantir la qualité des résultats obtenus [1].

Le tritium est une forme radioactive de l’hydrogène naturellement présente dans l’environnement. Il est également produit par certaines activités humaines comme l’industrie nucléaire. Par désintégration radioactive (demi-vie de 12 ans), il se transforme progressivement en hélium, un gaz inoffensif, en émettant un faible rayonnement. Ce rayonnement peut néanmoins être dangereux lorsque le tritium est ingéré, inhalé ou intégré dans l’organisme, car il affecte les cellules.

Surveiller la présence de tritium dans l’environnement est ainsi un enjeu sanitaire important. Dans l’industrie nucléaire, les rejets de tritium sont systématiquement surveillés, en particulier sous sa forme liée organiquement aux sols, aux plantes ou aux animaux. Une méthode utilisée pour la mesure de la teneur en tritium consiste à détecter la lumière émise lorsque le rayonnement produit par sa désintégration traverse un matériau scintillateur ; une autre méthode consiste à mesurer la quantité de gaz hélium produit par cette transformation, par spectrométrie de masse.

Pour vérifier que les résultats sont cohérents d’un laboratoire à l’autre, des comparaisons interlaboratoires sont régulièrement organisées. En 1998, une intercomparaison menée au Canada sur des plantes a montré des écarts importants, mettant en évidence la nécessité d’améliorer la qualité des analyses. Par ailleurs, des études menées en France entre 2001 et 2010 ont permis de confirmer qu’une meilleure standardisation des techniques de mesure conduisait à des résultats plus homogènes.

Une difficulté supplémentaire rencontrée lors des intercomparaisons tenait à l’absence de matériau de référence, c’est-à-dire d’un « mètre étalon » pour la mesure du tritium. Pour y remédier, le CEA - DAM et l’Autorité de sûreté nucléaire et de radioprotection (ASNR), en s’appuyant sur des normes françaises, ont lancé et conduit le processus de certification d’un échantillon de blé marqué au tritium (figure 1), en y associant des laboratoires français (CEA, EDF, etc.) et étrangers (Canada, Slovénie, Roumanie, etc.). Celui-ci est désormais considéré comme étalon primaire pour la mesure du tritium et peut servir de référence commune à tous les laboratoires qui le souhaitent.

C’est ainsi que nos grains de blé ont rencontré un vif succès en France comme à l’étranger pour l’étalonnage des méthodes d’analyse du tritium. Ils ont par exemple été exportés à l’Institut européen Laue-Langevin, à Grenoble, à l’AIEA, à Vienne, en Autriche, et jusqu’à Hong Kong. Les nombreuses commandes illustrent l’importance de ce matériau pour la communauté scientifique et le rôle du CEA dans son soutien métrologique aux laboratoires d’analyse, en France et dans le monde.

Certification du matériau de référence

Initialement, en 2015, nous nous sommes procuré un échantillon de 50 kg de grains de blé marqués au tritium. Dans un premier temps, quelques grains ont été transmis à chaque laboratoire associé en France et à l’étranger. Pour assurer la fiabilité et la cohérence des résultats entre laboratoires, des méthodes de référence et des normes standardisées [2] ont été utilisées : elles ont permis de garantir que les mesures du tritium dans le blé sont précises, conformes aux standards reconnus et reliées à des étalons internationaux. À l’issue des mesures, puis de l’intercomparaison des résultats, une valeur consensuelle de teneur en tritium a été établie. Toutefois, pour que le matériau devienne un étalon primaire, encore fallait-il s’assurer de son homogénéité dans les 50 kg et de sa stabilité au cours du temps.

Au CEA - DAM, avec l’aide de l’ASNR, nous nous sommes chargés de tester l’homogénéité du matériau. Pour cela, les dizaines de kilogrammes de blé ont été réparties en sachets de 100 g conditionnés sous vide. Des prélèvements de 25 à 30 g ont été pris aléatoirement dans de nombreux sachets et mesurés afin de les comparer : nous avons constaté qu’aux incertitudes de mesure près, la teneur en tritium était la même dans tous les sachets.

Le tritium étant radioactif avec une demi-vie de 12 ans, la moitié de sa teneur disparaît tous les 12 ans. Cette disparition progressive est parfaitement connue et calculée avec une précision d’horloger. Par contre, on sait que le blé peut être altéré au cours du temps lorsqu’il demeure à température ambiante ou au contact de l’air. C’est pourquoi, afin d’assurer la traçabilité métrologique, il a été placé dans des conditions très contrôlées [3] : conservé sous vide, il est stocké dans un congélateur à –18° C. Nous avons néanmoins voulu nous assurer que ces conditions permettaient bel et bien de garantir la stabilité de l’étalon au cours du temps. La figure 2 illustre nos mesures et celles de l’ASNR, réalisées par scintillation liquide et par spectrométrie de masse : les résultats montrent qu’aucune dégradation du matériau n’est constatée sur une période de dix ans.

Grâce à l’application de méthodes normalisées d’étalonnage, de caractérisation et de traçabilité, le matériau étudié est désormais un matériau de référence certifié. Il est stable, homogène et sa teneur en tritium est certifiée précisément. Il permet à tout laboratoire de tester ses méthodes d’analyse et, une fois raccordées à l’étalon, de garantir des résultats précis, justes et reproductibles, contribuant à améliorer la surveillance de l’environnement.