Gamma-rays and neutrons effects on optical fibers and Bragg gratings for temperature sensors

par Adriana Morana

Thèse de doctorat en Optique Photonique Hyperfréquences

Sous la direction de Aziz Boukenter et de Marco Cannas.

Le président du jury était Youcef Ouerdane.

Le jury était composé de Patrice Mégret, Andrei Gusarov, Franco Gelardi, Simonpietro Agnello, Emmanuel Marin.

  • Titre traduit

    Effets du rayonnement gamma et des neutrons sur les fibres optiques et les réseaux de Bragg pour capteurs de température durcis


  • Résumé

    L'industrie nucléaire montre un intérêt croissant pour les technologies basées sur les fibres optiques pour la transmission des données et comme capteurs. Les fibres optiques offrent plusieurs avantages et les capteurs utilisant cette technologie n'ont pas besoin d'alimentation électrique au point de détection, ils ont une réponse rapide et peuvent être facilement multiplexés : dans le cas d'un capteur de température plusieurs thermocouples peuvent être substituées par une seule fibre, diminuant les déchets. Les réacteurs à fission nucléaire constituent un des environnements les plus agressifs : la dose de rayonnement gamma est de l'ordre du GGy avec une forte fluence de neutrons et une température de fonctionnement supérieure à 300°C pour les réacteurs actuels, connus comme de génération III. Ce travail a été réalisé en collaboration avec la société AREVA, industriel français actif dans le domaine de l'énergie, dans le but de réaliser un capteur de température résistant à l'environnement d'un réacteur nucléaire de génération IV, réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium liquide. La technologie actuellement utilisée, les thermocouples, présente une dérive de la mesure due au rayonnement et un temps de réponse d'une seconde. Afin de supprimer la dérive, de réduire le temps de réponse et d'augmenter la précision, un capteur de température à réseau de Bragg a été choisi. Pour comprendre le comportement d'un tel système dans un environnement difficile, nous avons utilisé une approche expérimentale basée sur des techniques complémentaires comme l'atténuation induite par le rayonnement, photoluminescence, résonance paramagnétique électronique et spectroscopie Raman


  • Résumé

    The nuclear industry shows an increasing interest in the fiber optic technology for both data communication and sensing applications in nuclear plants. The optical fibers offer several advantages and the sensors based on this technology do not need any electrical power at the sensing point, they have a quick response and they can be easily multiplexed: in the case of a temperature sensor, several thermocouples can be substituted by a single fiber, resulting in a decrease of the waste material. The fission reactors are a very harsh environment: it is characterized by the highest dose of gamma-rays, of the order of magnitude of GGy, besides a high flux of neutrons and high operating temperature (300°C for the current reactors, known as generation III). This work has been carried out in collaboration with AREVA, a French industrial conglomerate active in the energy domain, with the aim of realizing a temperature sensor resistant to the environment of nuclear reactor of generation IV, in particular a Sodium-cooled Fast Reactor. The currently used technology, the thermocouples, presents a drift of the measurement due to irradiation, that needs a calibration, and a long response time on the order of seconds. In order to remove the drift, to reduce the response time and to increase the precision, a Fiber Bragg Grating temperature sensor was chosen, in regard to all the advantages of the optical fibers. To understand the behavior of such system in a harsh environment, as the nuclear reactor core, we used an experimental approach based on complementary techniques such as radiation-induced attenuation, photoluminescence, electron paramagnetic resonance and Raman spectroscopies


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