Statistical analysis for the radiological characterization of radioactive waste in particle accelerators

par Biagio Zaffora

Thèse de doctorat en Milieux denses et matériaux. Sciences des matériaux

Sous la direction de Jean-Pierre Chevalier et de Catherine Luccioni.

Soutenue le 08-09-2017

à Paris, CNAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) (laboratoire) , Centre européen pour la recherche nucléaire (laboratoire) et de Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux [Paris] / PIMM (laboratoire) .

Le président du jury était Abdallah Lyoussi.

Le jury était composé de Catherine Luccioni, Michel Dutzer, Gilbert Saporta, Matteo Magistris.

Les rapporteurs étaient Abdallah Lyoussi, Bertrand Iooss.

  • Titre traduit

    Analyse statistique pour la caractérisation radiologique des déchets radioactifs au sein des accélérateurs de particules


  • Résumé

    Ce travail de thèse introduit une nouvelle méthode pour la caractérisation radiologique des déchets très faiblement radioactifs produits au sein de l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN). La méthode se base sur : 1. le calcul des radionucléides en présence, i.e. les radionucléides qui peuvent être produits lors de l’interaction des particules avec la matière et les structures environnantes les accélérateurs, 2. la mesure directe des émetteurs gamma et, 3. la quantification des émetteurs alpha et beta purs et de rayons X de faible énergie, appelés radionucléides difficile-a-mesurer (DTM), en utilisant les méthodes dites des «scaling factor» (SF), «correlation factor» (CF) et activité moyenne (MA). La première phase du processus de caractérisation est le calcul des radionucléides en présence à l’aide de codes de calcul analytiques ou Monte Carlo. Après le calcul de l’inventaire radiologique, les radionucléides émetteurs gamma sont mesurés par spectrométrie gamma dans chaque colis de la population. L’émetteur gamma dominant, appelé « key nuclide » (KN), est identifié. La méthode dite des «scaling factors» permet d’estimer l’activité des radionucléides DTM après évaluation de la corrélation entre l’activité des DTM et l’activité de l’émetteur gamma dominant obtenue à partir d’échantillons. Si une corrélation existe, l’activité des radionucléides DTM peut être évaluée grâce à des facteurs de corrélation expérimentaux appelés « scaling factors », sinon l’activité moyenne obtenue à partir d’échantillons prélevés dans la population est attribuée à chaque colis. Lorsque les activités des émetteurs alpha et beta purs et des émetteurs X de faible énergie ne peuvent pas être estimées par mesure la méthode des « correlation factors » s’applique. La méthode des « correlation factors » se base sur le calcul de corrélations théoriques entre l’émetteur gamma dominant et les radionucléides de très faible activité. Cette thèse décrit en détail la nouvelle technique de caractérisation radiologique, montre un cas d’application complet et présente les résultats de l’industrialisation de la méthode ayant permis la caractérisation radiologique de plus de 1000 m3 de déchets radioactifs au CERN entre 2015 et 2017.


  • Résumé

    This thesis introduces a new method to characterize metallic very-low-level radioactive waste produced at the European Organization for Nuclear Research (CERN). The method is based on: 1. the calculation of a preliminary radionuclide inventory, which is the list of the radionuclides that can be produced when particles interact with a surrounding medium, 2. the direct measurement of gamma emitters and, 3. the quantification of pure-alpha, pure-beta and low-energy X-ray emitters, called difficult-to-measure (DTM) radionuclides, using the so-called scaling factor (SF), correlation factor (CF) and mean activity (MA) techniques. The first stage of the characterization process is the calculation of the radionuclide inventory via either analytical or Monte Carlo codes. Once the preliminary radionuclide inventory is obtained, the gamma-emitting radionuclides are measured via gamma-ray spectrometry on each package of the waste population. The major gamma-emitter, called key nuclide (KN), is also identified. The scaling factor method estimates the activity of DTM radionuclides by checking for a consistent and repeated relationship between the key nuclide and the activity of the difficult to measure radionuclides from samples. If a correlation exists the activity of DTM radiodionuclides can be evaluated using the scaling factor otherwise the mean activity from the samples collected is applied to the entire waste population. Finally, the correlation factor is used when the activity of pure-alpha, pure-beta and low-energy X-ray emitters is so low that cannot be quantified using experimental values. In this case a theoretical correlation factor is obtained from the calculations to link the activity of the radionuclides we want to quantify and the activity of the key nuclide. The thesis describes in detail the characterization method, shows a complete case study and describes the industrial-scale application of the characterization method on over 1’000 m3 of radioactive waste, which was carried out at CERN between 2015 and 2017.


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