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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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Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 12
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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Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 17
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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Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 18
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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Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 19
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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Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 20
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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Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 21
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