Etude du signal optique des chambres à fission et évaluation de son exploitation pour un système de mesure neutronique d'un réacteur de génération IV

Study of optical signals produced in fission chambers and evaluation as neutron measurement system for a generation IV reactor

• Auteur / Autrice : Maxime Lamotte
• Direction : Christian Jammes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 12/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Cadarache (Bouches-du-Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Dessante
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Henrion, Ulli Köster
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Claude Bordage, Benoît Gall

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas froids

Réacteurs nucléaires

Mots clés libres

Réacteur Gen IV

Optique

Plasma

Plasma

Optics

Nuclear

Résumé

Cette thèse de doctorat expose l'étude la luminescence induite dans des capteurs à gaz de type chambre à fission, afin d'évaluer son utilisation pour le suivi de puissance des réacteurs nucléaires de quatrième génération comme ASTRID.Le dépôt d'énergie dans un gaz par des ions lourds produits lors de fissions nucléaires dans une chambre à fission est d'ordinaire exploité pour sa capacité à produire des charges libres, qui peuvent être détectées avec des électrodes. Cette méthode, utilisée depuis le début de l'ère atomique, n'est pas sans inconvénients, et des axes d'amélioration ont été clairement identifiés.En estimant la production d'états excités du gaz d'une chambre à fission classique, on déduit que de la lumière peut être émise en son sein, et être détectée par un photo-détecteur. L'utilisation du signal optique plutôt qu'électrique apporte une robustesse accrue aux systèmes de mesures neutroniques, insensibles au bruit électromagnétique.L'étude spectroscopique d'un plasma d'origine nucléaire dans un dispositif analytique dimensionné et conçu par nos soins permet d'enregistrer des spectres de raies d'émission caractéristiques de la scintillation du gaz. L'analyse de ses raies permet d'affirmer la supériorité de la détection optique de neutrons, car la pression et la composition du gaz de remplissage peuvent alors être estimées en ligne.Parallèlement à nos activités expérimentales, un code de simulation de la dynamique de peuplement des niveaux des plasmas froids excités par ions-lourds est développé afin d'optimiser de futurs détecteurs basés sur ce principe. Les temps caractéristiques nécessaires à la génération d'états radiatifs et la position des excitations autour d'une trace d'ionisation ont été estimés.Plusieurs prototype de capteurs de neutrons fonctionnant uniquement sur un principe optique sont exploités dans des faisceaux de neutrons froids du réacteur Orphée afin de vérifier la preuve de concept d'un tel système de mesure neutronique. Des essais dans le réacteur Cabri permettent quant à eux de quantifier la limite de détection, la linéarité et la dynamique du système.Les très bons résultats apportés par ces trois volets valident la preuve de concept de la détection passive et en ligne de neutrons, capable d'auto-diagnostic, pour des applications exigeantes en milieu difficile.

This PhD thesis details the study of luminescence produced in gaseous detectors as fission chambers, to evaluate its use in 4th generation nuclear reactor power monitoring, as ASTRID.Energy deposition in the gas, from heavy-ions produced during nuclear fission in a fission chamber is usually used for its charge generation ability, that can be detected with electrodes. Such method has been used since the beginning of atomic era present disadvantages, and necessary improvements have been assessed.By estimating fission chamber gas excited states production, one can deduce intrinsic light emission, and its detection by appropriate photo-detectors. Use of an optical signal against an electric one improves dependability of a neutron flux monitoring system, immune to electromagnetic noise.Spectroscopic studies of a nuclear plasma in a self-designed analytical device allows observation of typical gas scintillation emission lines. Analysis of emission lines reinforce optical detection attraction, as pressure and gas composition can be monitored online.Alongside our experiments, a simulation code dedicated to heavy-ions induced cold-plasma excited levels population has been produced to optimise future detectors relying on optical emission. Typical times encountered for excited states generation and their position around an ionization track have been estimated.Several neutron detector prototypes based on the sole gas scintillation principle have been assessed in cold neutron beam lines of the Orphée reactor, to validate a proof of concept for neutron monitoring. Experiments on the Cabri reactor allowed quantification of detection limit, linearity and dynamic range of our system.The positive outcomes provided by these 3 lines of work validate the proof of concept of passive, on-line, and self-diagnosed neutron detection with high dependability in harsh environments.