DCOM

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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
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Plan

• Introduction
• IPA principe et outils
• Dispositif expérimental
• Étude de faisabilité pour une installation
  dinspection de déchets
• Optimisation des mesures sur colis vitrifiés
• RD
• Perspectives

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Introduction

• IPA
• Expertise non-destructive
• Béton de haute densité (2.3) et matériaux
  hydrogénés (jusquà 15)
• ? Photons de haute énergie (gt 6MeV)

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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 dactinides du colis (235U, 238U, Pu, )
• Lévaluation des proportions isotopiques
  nécessite des techniques complémentaires (ou sont
  données par le producteur)

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Outils la facilité SAPHIR
SAPHIR Système dActivation PHotonique et
dIRradiation
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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 (g,n) ou (g,2n) et les
  processus de photofission (g,f)
• Calcul en deux temps
• Taux de photofission
• Transport des neutrons issus des réactions de
  photofission

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Dispositif expérimental (1) laccélérateur

• 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 dimpulsion 2.5 µs
Cible de conversion tungstène (W), ép 2-3 mm
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Dispositif expérimental (2) système de détection
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 dacquisition

• Paramètres dacquisition
• Longueur dimpulsion (2.5 à 4.5 µs)
• Fréquence (25, 50, 100 Hz)
• Temps dacquisition
• Temps total dirradiation

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Étude de faisabilité
4 types de coques
Cont. 1 Cont. 2 Cont. 3 Cont. 4
Masse (kg) 6300 4500 5500 5700
Matériau matrice Béton Vinyle Ferraille Ferraille
Forme matrice Cubique (grande) Cubique (grande) Cubique (petite) Cylindrique (petite)
Canaux source 4 4 2 2
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Efficacité de détection

• Source de neutron (Am-Be) 8.13 106 n/s dans 4p
• 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
Altitude haute Intermédiaire 2.38 106 0.097
Altitude haute Centré 1.14 106 0.047
Altitude moyenne Excentré 6.77 106 0.278
Altitude moyenne Intermédiaire 2.10 106 0.086
Altitude moyenne Centré 0.74 106 0.030
Altitude basse Excentré 6.32 106 0.259
Altitude basse Intermédiaire 1.92 106 0.078
Altitude basse 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 (g,n)
• B Passif bruit provenant des fissions
  spontanées (sans faisceau)

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

Sensibilité (c.s-1.g-1) Sensibilité (c.s-1.g-1) Sensibilité (c.s-1.g-1) Limite de détection (g) Limite de détection (g) 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 ? LD10g of UO2 (excentré)
• cas le moins favorable ? LD250 g of UO2

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Simulation de mesures sur des colis vitrifiés

• Contraintes expérimentales
• Débit de dose g
• 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, h100cm)
• Difficulté principale composition de la matrice

Sensibilité (c.s-1.g-1) Bruit de fond Bruit de fond Limite de détection Limite de détection
Sensibilité (c.s-1.g-1) Passif (c/s) Actif (c/s) c/s Masse (g)
242 3.6 107 Ind. 800 3.3
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Effet de lécran de plomb
Débit de dose g sur les compteurs (Gy/h)
Passive, sans écran d45 cm 390
Passive, sans écran d90 cm 140
Active, avec écran 9 cm d60 cm 0.078
Active, avec écran 10 cm d60 cm 0.035
Active, avec écran 12 cm d60 cm 0.01
D.D.D. max. acceptable par les compteurs 3He
Bruit de fond passif (c/s) S/B Sensibilité Limite de détection
Bruit de fond passif (c/s) S/B (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

• 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

• Détermination de la masse et de la position des
  actinides contenus dans un colis

détecteurs
collimateur
accélérateur
positions dirradiation
cible (W)
colis
voxels
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Tomographie résultats expérimentaux
Activité de référence 2x242 g d238U dans des
voxels centrés et décentrés
Activité reconstruite 526,1 g Erreur totale 8.7
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Étude des gammas retardés
IPA ? détermination du montant global
dactinides MAIS aucune information sur
lisotopie
spectrométrie g ? impossible de détecter les
noyaux non émetteurs ? g de basse énergie
(masqués par le blindage)
LIPA peut donner lieu à une émission de g
retardés de haute énergie
Or, la distribution de masse des éléments légers
dépend de lélément fissile
Variations de spectre g
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 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