Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 1 Interrogation Photonique Active (IPA) et ses applications pour linspection des déchets nucléaires.

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1 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 1 Interrogation Photonique Active (IPA) et ses applications pour linspection des déchets nucléaires M. Gmar, F. Jeanneau, F. Lainé, H. Makil, Ph. Pillot, B. Poumarède CEA-Saclay, DRT/LIST/DIMRI/SIAR

2 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 2 Plan Introduction IPA: principe et outils Dispositif expérimental Étude de faisabilité pour une installation dinspection de déchets Optimisation des mesures sur colis vitrifiés R&D Perspectives

3 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 3 Introduction IPA: Expertise non-destructive Béton de haute densité (~2.3) et matériaux hydrogénés (jusquà 15%) Photons de haute énergie (> 6MeV)

4 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 4 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 dactinides du colis ( 235 U, 238 U, Pu, …) Lévaluation des proportions isotopiques nécessite des techniques complémentaires (ou sont données par le producteur)

5 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 5 Outils: la facilité SAPHIR SAPHIR: Système dActivation PHotonique et dIRradiation

6 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 6 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

7 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 7 Dispositif expérimental (1): laccélérateur On peut utiliser un collimateur Pb-CH4 Il existe aussi des accélérateurs portables (Mini-Linatron) Énergie du faisceau15 MeV Intensité100 mA Fréquence25 Hz Longueur dimpulsion2.5 µs Cible de conversiontungstène (W), ép: 2-3 mm

8 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 8 Dispositif expérimental (2): système de détection Connecteur Isolant Anode L u = 100 cm L t = 150 cm Compteur 3 He Sensibilité constructeur: 150 c/s pour un flux de neutrons thermiques unitaire (1 n/cm 2.s) 7 blocs de détection (2 compteurs/bloc) Modérateur, réflecteur CH 2 BlindageCd Dimensions150 x 26,2 x 11,7 cm 3

9 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 9 Dispositif expérimental (3): système dacquisition Paramètres dacquisition Longueur dimpulsion (2.5 à 4.5 µs) Fréquence (25, 50, 100 Hz) Temps dacquisition Temps total dirradiation

10 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 10 Étude de faisabilité Cont. 1Cont. 2Cont. 3Cont. 4 Masse (kg)6300450055005700 Matériau matriceBétonVinyleFerraille Forme matrice Cubique (grande) Cubique (petite) Cylindrique (petite) Canaux source4422 4 types de coques

11 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 11 Efficacité de détection Source de neutron (Am-Be): 8.13 10 6 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 Excentré6.27 10 6 0.257 Intermédiaire2.38 10 6 0.097 Centré1.14 10 6 0.047 Altitude moyenne Excentré6.77 10 6 0.278 Intermédiaire2.10 10 6 0.086 Centré0.74 10 6 0.030 Altitude basse Excentré6.32 10 6 0.259 Intermédiaire1.92 10 6 0.078 Centré0.66 10 6 0.027

12 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) Masse d 235 U (g) Signal net (c.s -1 ) Conteneur #1 – altitude moyenne – canal décentré

13 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 13 Limite de détection t 0 : temps de comptage t A : temps de comptage du bruit de fond actif t P : temps de comptage du bruit de fond passif Sensibilité (c.s -1.g -1 )Limite de détection (g) AltitudeLD (c/s)CIECIE Haute 0.5422.4 10 -3 6.6 10 -3 45.2 10 -3 2258212 Moyenne 0.524Ind.4 10 -3 34.6 10 -3 Ind.13115 Basse 0.647Ind. 24.7 10 -3 Ind. 26 Le bruit, passif et actif, est très stable dans le temps cas le plus favorable LD=10g of UO 2 (excentré) cas le moins favorable LD=250 g of UO 2

14 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 14 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 3 He 0.01 Gy/h) Bruit de fond passif: 3.89 10 8 n/s (provenant à 99.6% du 244 Cm)

15 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 15 Simulations Collimateur Pb/CH 2 7 3 He 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 fondLimite de détection Passif (c/s)Actif (c/s)c/sMasse (g) 2423.6 10 7 Ind.8003.3

16 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 16 Effet de lécran de plomb Débit de dose sur les compteurs (Gy/h) Passive, sans écran d=45 cm 390 Passive, sans écran d=90 cm 140 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 cm 0.01 D.D.D. max. acceptable par les compteurs 3 He Bruit de fond passif (c/s) S/B Sensibilité Limite de détection (c.s -1.g -1 )(g) Avec écran (sans) 1.7 10 7 (3.6 10 7 ) 0.0041 (0.0240) 38.8 (242) 15.3 (3.3)

17 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 1 2 3 4 cible (W) accélérateur positions dirradiation 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

18 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 18 Tomographie: résultats expérimentaux Activité de référence: 2x242 g d 238 U dans des voxels centrés et décentrés 1 0.1 0.01 0 Activité reconstruite: 526,1 g Erreur totale: 8.7%

19 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 19 Étude des gammas retardés IPA détermination du montant global dactinides MAIS aucune information sur lisotopie spectrométrie impossible de détecter les noyaux non émetteurs de basse énergie (masqués par le blindage) LIPA peut donner lieu à une émission de retardés de haute énergie Or, la distribution de masse des éléments légers dépend de lélément fissile Variations de spectre Différentiation des actinides

20 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 2003 20 Tests préliminaires Deux échantillons de UZr : 1.91 g enrichi à 93% en 235 U 6.91 g enrichi à 26% en 235 U Différences dans les rapport de production Possibilité de différentier les deux échantillons

21 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 linfluence 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