Tunnel structural health monitoring in radioactive environment based on special distributed optical fibre strain sensing cables

par Arianna Piccolo

Thèse de doctorat en Génie civil

Le président du jury était Katerina Krebber.

Le jury était composé de Luca Palmieri.

Les rapporteurs étaient Emmanuel Marin, Jean-Paul Balayssac.

  • Titre traduit

    Surveillance de structures de stockage de déchets radioactifs : détermination de la convergence de tunnels par mesures réparties de déformations dans des câbles à fibres optiques spécifiques


  • Résumé

    Dans le cadre du projet Cigéo, stockage géologique des déchets radioactifs à vie longue, la surveillance des infrastructures contribuera à confirmer la récupérabilité des déchets, prévue sur des durées pluridécennales. Les structures sont apparentés à des tunnels horizontaux, sous 500 m de couverture. Leur convergence (réduction progressive de leur section) doit être mesurée par des systèmes peu intrusifs, sensibles, compatibles avec un environnement sévère. Une méthode inverse, utilisant un modèle par éléments finis, a été développée pour déterminer la convergence à partir de mesures réparties de déformations acquises par rétrodiffusion Rayleigh et Brillouin dans des câbles à fibre optique. Elle a été validée sur un démonstrateur d’alvéole, au laboratoire en surface et en souterrain. Sur une échelle de 10 mm représentative de l’application, la convergence est déterminée à 1 mm près par les fibres optiques, proche des capteurs de référence. La sensibilité à la mise en œuvre, au chargement, au bruit de mesure, a été étudiée. La tenue des fibres optiques à l’impact couplé des radiations et de la température a été étudiée pour des fibres optique en revêtement primaire: une dose totale de 1 MGy dégrade moins la mesure de déformation à 100 °C qu’à température ambiante. La fibre optique la plus résistance a été placée dans un câble de mesure de déformations, soumis à des radiations gamma et des sollicitations thermiques. Les coefficients de sensibilité thermique et mécanique des rétrodiffusions Brillouin et Rayleigh restent stables après 500 kGy, ainsi que ses caractéristiques mécaniques du câble. L’étude a aussi permis de quantifier les processus de plasticité, jusqu’à 10000 με.


  • Résumé

    In the framework of Cigéo, the future underground repository for long-lived radioactive waste, the monitoring of the structures must be guaranteed for almost a century to ensure its reversibilit. The horizontal repository cells will be loaded by 500 m of rock which will reduce their section over time. This reduction, called convergence, must be monitored by sensors with resistance to harsh environment, low intrusiveness, proper sensitivity. We propose the use of distributed optical fiber strain sensing cables, whose strain measurements are used to calculate convergence via an inverse-analysis finite-element method, using Brillouin and Rayleigh backscatterings. The method is described, assessing the influence of structural parameters and measurements noise on its sensitivity. We validate it in a laboratory test, in controlled conditions and underground, reproducing convergences up to the representative value of 10 mm on a mock-up of the high-level waste repository cell. We compare two fixation methods and loading schemes, using other sensors as reference. Results show how distributed optical fiber sensors can achieve the required 1 mm of resolution, close to standard methods. The fibers have been firstly analysed under the coupled effect of temperature and radiation up to a total γ-rays dose of 1 MGy. Temperatures around 100°C preserve the fiber functioning better than being at room temperature. A specific cable for strain sensing, with a radiation resistant fiber inside, is then developed and tested, reporting that temperature and strain sensitivities and the mechanical behaviour remain stable up to 500 kGy. We evaluate also the role of the protective layers of the tested cable and its plastic behaviour up to 10000 με.


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