Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 1

Interrogation Photonique Active (IPA) et ses applications pour

l’inspection des déchets nucléaires

M. Gmar, F. Jeanneau, F. Lainé, H. Makil, Ph. Pillot, B. Poumarède

CEA-Saclay, DRT/LIST/DIMRI/SIAR

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Plan

Introduction IPA: principe et outils Dispositif expérimental Étude de faisabilité pour une installation d’inspection

de déchets Optimisation des mesures sur colis vitrifiés R&D Perspectives

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Introduction

IPA: Expertise non-destructive Béton de haute densité (~2.3) et matériaux

hydrogénés (jusqu’à 15%)

Photons de haute énergie (> 6MeV)

MéthodesprédictivesMéthodes

prédictives

Méthodesdestructives

Méthodesnon destructives

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IPA: principe

Photons de haute-énergie produit par Bremsstrahlung Seuil de photofission: 5-6 MeV Le flux de neutrons retardés est proportionnel à la

masse d’actinides du colis (235U, 238U, Pu, …) L’évaluation des proportions isotopiques nécessite

des techniques complémentaires (ou sont données par le producteur)

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Outils: la facilité SAPHIR

SAPHIR: Système d’Activation

PHotonique et d’IRradiation

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Outils: le code de simulation OPERA

Code développé au SIAR pour simuler les réactions photonucléaires

Basé sur le code Monte-Carlo MCNP version 4C

OPERA prend en compte les réactions photonucléaires telles que (,n) ou (,2n) et les processus de photofission (,f)

Calcul en deux temps: Taux de photofission Transport des neutrons issus des réactions de

photofission

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Dispositif expérimental (1): l’accélérateur

On peut utiliser un collimateur Pb-CH4

Il existe aussi des accélérateurs portables (Mini-Linatron)

Énergie du faisceau 15 MeV

Intensité 100 mA

Fréquence 25 Hz

Longueur d’impulsion 2.5 µs

Cible de conversion tungstène (W), ép: 2-3 mm

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Dispositif expérimental (2): système de détection

Connecteur Isolant

Anode Lu = 100 cm

Lt = 150 cm

Compteur 3He

Sensibilité constructeur: 150 c/s pour un flux

de neutrons thermiques unitaire (1 n/cm2.s)

7 blocs de détection(2 compteurs/bloc)

Modérateur, réflecteur

CH2

Blindage Cd

Dimensions 150 x 26,2 x 11,7 cm3

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Dispositif expérimental (3): système d’acquisition

Paramètres d’acquisitionLongueur d’impulsion (2.5 à 4.5 µs)Fréquence (25, 50, 100 Hz)Temps d’acquisitionTemps total d’irradiation

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Étude de faisabilité

Cont. 1 Cont. 2 Cont. 3 Cont. 4

Masse (kg) 6300 4500 5500 5700

Matériau matrice Béton Vinyle Ferraille Ferraille

Forme matriceCubique (grande)

Cubique (grande)

Cubique (petite)

Cylindrique (petite)

Canaux source 4 4 2 2

4 types de coques

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Efficacité de détection

Source de neutron (Am-Be): 8.13 106 n/s dans 4 Comparaison avec les simulations et recalage des

paramètres (ex: humidité du béton)

Position Comptage (300 s – 70 compteurs)

Efficacité (%)

Altitude haute

Excentré 6.27 106 0.257

Intermédiaire 2.38 106 0.097

Centré 1.14 106 0.047

Altitude moyenne

Excentré 6.77 106 0.278

Intermédiaire 2.10 106 0.086

Centré 0.74 106 0.030

Altitude basse

Excentré 6.32 106 0.259

Intermédiaire 1.92 106 0.078

Centré 0.66 106 0.027

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Sensibilité de la méthode

S Brut : comptage sur les blocs détecteurs

B Actif : bruit provenant des réactions (,n)

B Passif : bruit provenant des fissions spontanées (sans faisceau)

ActifPassifBrutNet BBSS

Masse d’ 235U (g)

Sig

nal

net

(c.

s-1)

Conteneur #1 – altitude moyenne – canal décentré

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Limite de détection

t0: temps de comptage tA: temps de comptage du bruit de fond actif tP: temps de comptage du bruit de fond passif

000

111114..

ttN

ttN

tLD

PPassive

AActive

Sensibilité (c.s-1.g-1) Limite de détection (g)

Altitude LD (c/s) C I E C I E

Haute 0.542 2.4 10-3 6.6 10-3 45.2 10-3 225 82 12

Moyenne 0.524 Ind. 4 10-3 34.6 10-3 Ind. 131 15

Basse 0.647 Ind. Ind. 24.7 10-3 Ind. Ind. 26

Le bruit, passif et actif, est très stable dans le temps cas le plus favorable LD=10g of UO2 (excentré) cas le moins favorable LD=250 g of UO2

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Simulation de mesures sur des colis vitrifiés

Contraintes expérimentales

Débit de dose : 390 Gy/h à 27 cm

(d.d.d. max. pour les compteurs 3He

0.01 Gy/h)

Bruit de fond passif:3.89 108 n/s

(provenant à 99.6% du 244Cm)

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Simulations

Collimateur Pb/CH2

7 3He tubes par blocs Géométrie de matrice

simple Cylindre (=43cm, h=100cm)

Difficulté principale: composition de la matrice

Sensibilité

(c.s-1.g-1)

Bruit de fond Limite de détection

Passif (c/s) Actif (c/s) c/s Masse (g)

242 3.6 107 Ind. 800 3.3

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Effet de l’écran de plomb

Débit de dose sur les compteurs (Gy/h)

Passive, sans écran

d=45 cm390

Passive, sans écran

d=90 cm140

Active, avec écran 9 cm d=60 cm

0.078

Active, avec écran 10 cm d=60 cm

0.035

Active, avec écran 12 cm

d=60 cm0.01

D.D.D. max. acceptable par les

compteurs 3He

Bruit de fond passif

(c/s)S/B

SensibilitéLimite de détection

(c.s-1.g-1) (g)

Avec écran

(sans)

1.7 107

(3.6 107)

0.0041

(0.0240)

38.8

(242)

15.3

(3.3)

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Tomographie: principe

Détermination de la masse et de la position des actinides

contenus dans un colis

1234

cible (W)

accélérateur

positions d’irradiation

collimateur

colis

détecteurs

voxels

g = H.a + e

g : vecteur des projections a : vecteur à reconstruire H : matrice des projections

déterminée par simulation

(transport des photons et des

neutrons, réactions,

hétérogénéité) e: vecteur bruit

importance du bruit de fond

actif

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Tomographie: résultats expérimentaux

Activité de référence: 2x242 g d’238Udans des voxels centrés et décentrés

1

0.1

0.01

0

Activité reconstruite: 526,1 gErreur totale: 8.7%

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Étude des gammas retardés

IPA détermination du montant global d’actinidesMAIS aucune information sur l’isotopie

spectrométrie impossible de détecter les noyaux non émetteurs de basse énergie (masqués par le blindage)

L’IPA peut donner lieu à une émission de retardés de haute énergieOr, la distribution de masse des

éléments légers dépendde l’élément fissile

Variations de spectre

Différentiation des actinides

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Tests préliminaires

Deux échantillons de UZr : 1.91 g enrichi à 93% en 235U 6.91 g enrichi à 26% en 235U

Différences dans les rapport de production

Possibilité de différentier les deux échantillons

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Perspectives

Tomographie: Simulation du bruit de fond actif

• Comparaison calcul/expérience pour des matrices bien connues

• Comprendre l’influence des différents composants Tomographie sur un colis de déchets réel à SAPHIR

Gammas retardés: Manque de données expérimentales Augmenter le nombre de pics utiles dans le spectre

2003: les mesures sur des colis réels ont donné des résultats encourageants

Collaboration avec le SPhN