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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 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 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 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 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 Outils: la facilité SAPHIR SAPHIR: Système dActivation PHotonique et dIRradiation

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

11 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre Efficacité de détection Source de neutron (Am-Be): 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 Intermédiaire Centré Altitude moyenne Excentré Intermédiaire Centré Altitude basse Excentré Intermédiaire Centré

12 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 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 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 Moyenne 0.524Ind Ind Basse 0.647Ind 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 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: n/s (provenant à 99.6% du 244 Cm)

15 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre Simulations Collimateur Pb/CH 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) Ind

16 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre 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 Active, avec écran 10 cm d=60 cm 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) ( ) (0.0240) 38.8 (242) 15.3 (3.3)

17 Journée Jeunes Chercheurs – Aussois, 1er au 5 décembre Tomographie: principe Détermination de la masse et de la position des actinides contenus dans un colis 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 Tomographie: résultats expérimentaux Activité de référence: 2x242 g d 238 U dans des voxels centrés et décentrés Activité reconstruite: 526,1 g Erreur totale: 8.7%

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


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