Détection des ruptures de gaines sur RNR-Na par spectrométrie gamma hauts taux de comptage

Clad failures detection on sodium-cooled fast reactors by high count rate gamma spectroscopy

• Auteur / Autrice : Emmanuel Rohée
• Direction : Stéphane Normand, Christian Jammes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2016
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique corpusculaire de Caen (1947-....)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Normandie Université (2015-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Normand, Christian Jammes, Elsa Merle, Patrick Chaucheprat, Gilles Ban, Romain Coulon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elsa Merle, Patrick Chaucheprat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Produits de fission

Spectrométrie gamma

Sodium

Réacteurs à neutrons rapides

Résumé

La problématique de détection de ruptures de gaines, via le suivi des produits de fission potentiellement relâchés dans le sodium primaire, apparaît d’une importance capitale pour les réacteurs de génération 4 de type RNR-Na et en particulier pour le futur démonstrateur industriel ASTRID. Cette thèse vise à proposer des voies d’amélioration notable de l’’instrumentation nucléaire dédiée à la détection de ces ruptures de gaines. Une première étude relative à l’optimisation en termes de rapport signal sur bruit de l’instrumentation existante, basée sur la détection des neutrons différés (DND), est proposée. Le retour d’expérience ainsi que les simulations Monte-Carlo réalisées démontrent une perturbation du signal neutronique utile par les photoneutrons produits dans le polyéthylène. Une solution de remplacement de ce matériau, basée sur l’utilisation de graphite, est proposée et ses performances évaluées via des simulations Monte-Carlo et une campagne d’expériences. La seconde piste étudiée, technologiquement plus ambitieuse, concerne l’enrichissement de l’instrumentation existante via l’introduction d’une méthode innovante, reposant sur une spectrométrie gamma hauts taux de comptage sur le sodium caloporteur. Au-delà d’apporter une redondance à l’instrumentation actuelle, une telle spectrométrie permettrait d’enrichir le diagnostic de rupture de gaine par une mesure plus complète et plus précoce (plus large gamme de produits de fission accessible). Dans un premier temps, une étude de faisabilité est menée par simulation Monte-Carlo, via la modélisation d’un poste de mesure et la simulation de la réponse du détecteur HPGe. Des activités minimales détectables sont calculées pour les produits de fission d’intérêt et comparées à des résultats de simulation de rejet, suite à un scénario de perte d’étanchéité de la gaine. Dans un second temps, la spectrométrie gamma hauts taux de comptage, basée sur l’utilisation de la chaîne de spectrométrie ADONIS développée par le CEA LIST, a été testée et validée en environnement réel, grâce à l’installation d’un poste de mesure sur la boucle d’irradiation de crayons combustible ISABELLE 1 du réacteur OSIRIS. Plusieurs campagnes d’irradiation ont été suivies dans le cadre de cette thèse, deux d’entre elles permettant de suivre un processus de rupture de gaine à l’aide de cette approche.

The question of clad failures detection, through the monitoring of potentially released fission products in the primary sodium, is of utmost importance for SFR type generation IV reactors, and in particular for the future ASTRID industrial demonstrator. This thesis aims to propose ways to significantly improve the nuclear instrumentation dedicated to clad failures detection. A first study regarding the signal-to- noise ratio of the existing instrumentation, which is based on Delayed Neutron Detection (DND), is proposed. The experience feedback, as well as the Monte Carlo simulations, shows a disturbance of the useful neutron signal by photoneutrons produced in the polyethylene. A material replacement solution based on the use of graphite is proposed, and its performances are evaluated by Monte Carlo simulations and experiments. The second lead followed, technologically more ambitious, consists in enriching the existing instrumentation by introducing an innovative method, based on high count rate gamma spectroscopy on the primary sodium. In addition to bringing redundancy to the current instrumentation, such a spectroscopy would permit to enrich the clad failure diagnosis with an earlier and more complete measure (broader range of accessible fission products). First, a feasibility study is carried out using Monte Carlo simulations, by modeling a measurement station and simulating the HPGe detector response. Minimal detectable activities are calculated for the fission products of interest, and compared with results from simulations of release following a clad failure scenario. In a second stage, high count rate gamma spectroscopy using the ADONIS spectrometry system developed by CEA LIST was tested and validated in a real environment, by installing a measuring station on the ISABELLE 1 fuel pin irradiation loop at the OSIRIS reactor. Several irradiations have been monitored in this thesis, two of which allowed to follow a clad failure process using this approach.