Avantages et limites des capteurs à fibre optique distribuée basés sur la réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel en milieux radiatifs

Advantages and limitations of distributed optical-frequency-domain-reflectometry for optical fiber-based sensors in harsh environments

Vantaggi e limiti dei sensori a fibra ottica distribuiti basati sulla riflettometria ottica nel dominio delle frequenze in ambienti radiativi

• Auteur / Autrice : Serena Rizzolo
• Direction : Sylvain Girard, Marco Cannas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 04/04/2016
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Università degli studi (Palerme, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d''inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Simonpietro Agnello
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Girard, Marco Cannas, Marco Van Uffelen, Patrice Mégret, Youcef Ouerdane, Jocelyn Périsse, Vincent Goiffon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Van Uffelen, Patrice Mégret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs optiques

Effets des rayonnements

Fibres optiques

Rayleigh, Diffusion de

Mots clés libres

Capteurs à fibre optique

Piscine de stockage de combustible

Effets des radiations

Dispersion rayleigh

Optical fiber sensors

Nuclear storage fuel pools

Radiation effects

Scattering rayleigh

Résumé

L’accident de Fukushima-Daiichi du 11 Mars 2011 a fortement marqué l'industrie nucléaire en mettant en évidence plusieurs faiblesses dans le contrôle des systèmes critiques qui assurent la sécurité des centrales nucléaires, en particulier, lors de conditions accidentelles. Cette thèse a été réalisée en collaboration avec AREVA, groupe industriel français actif dans le domaine de l'énergie, avec l’objectif de réaliser des capteurs à fibres optiques résistants aux contraintes sévères d'une centrale nucléaire et, en particulier, de surveiller la température et le niveau de l'eau à l'intérieur d’une piscine de stockage de combustible. La thèse est composée de deux parties organisées en 7 chapitres. Dans la première partie, le chapitre 1 traite des phénomènes contribuant à l'atténuation de la lumière au cours de sa propagation dans la fibre et donne un aperçu des effets des radiations sur les fibres optiques. Pour identifier la technique la plus prometteuse adaptée aux applications visées par AREVA, le chapitre 2 propose un état de l’art sur les capteurs distribués à fibres optiques existants avec une attention particulière à leur emploi dans des environnements radiatifs. La dernière partie de ce chapitre est consacrée à la description détaillée de l’OFDR qui est la technique retenue pour cette application. La deuxième partie est consacrée à la présentation des résultats obtenus et leur analyse. Le chapitre 3 présente le détail des irradiations et des traitements thermiques, les échantillons retenus et les bancs de mesure utilisés. Afin de déterminer la meilleure combinaison fibre/technique par rapport à l’application visée, une étude systématique des capteurs distribués de température et de contrainte a été réalisée. Les effets permanents des rayonnements (niveaux de dose du MGy) sont étudiés dans le chapitre 4. Le chapitre 5 illustre des mesures in situ sur les fibres résistantes aux radiations pour comprendre les effets combinés de la température et des radiations (rayons X), effets représentatifs des conditions nominales et accidentelles des piscines de stockage. Enfin, nous avons développé un prototype de capteur de niveau d’eau pour les piscines de combustible qui est décrit dans le chapitre 6. Ensuite, les principales conclusions et les perspectives de ce travail de thèse sont discutées

Fukushima-Daiichi event on March 11th, 2011, signed a turning point in nuclear industry by highlighting several weaknesses in the control of critical systems that ensure the safety in nuclear power plant (NPP) operating, particularly, in accidentals conditions. This PhD thesis has been carried out in collaboration with AREVA, the French industrial group active in the energy domain, with the aim of realizing optical fiber sensors resistant to the harsh environment constraints of a NPP and, in particular, to monitor temperature and water level several parameters inside the spent fuel pools (SFPs). It consists of two parts organized in 7 chapters. In the first part, chapter 1 deals with the phenomena contributing to the light attenuation during its propagation along the fiber and gives an overview on the radiation effects on optical fibers. To identify the most promising technique suitable for AREVA needs, in chapter 2 is reported the state-of-the-art on the distributed OFSs with particular attention to their employment in radiation environments. The last part of this chapter is devoted to the detailed description of the OFDR that is the selected sensor technique for this application. The second part is devoted to present and discuss the obtained results. Chapter 3 gives the experimental details on radiation and thermal treatments, investigated samples and used setups. In order to determine the best fiber/setup combination, a systematic study on temperature and strain distributed sensors was carried out in relation to the harsh constraints demanded from the application. The permanent radiation (MGy dose levels) effects on different fiber classes are investigated in Chapter 4. Chapter 5 illustrates in situ measurements on radiation resistant fibers to understand the combined temperature and radiation (X-rays) effects representative of the SFP nominal and accidental conditions. Simultaneously, we have developed the OFS design for its integration at SFP facility. The prototype is described and its performance is evaluated in chapter 6. Then, the main conclusion and perspective are discussed

L'incidente di Fukushima-Daiichi dell’11 marzo 2011 ha segnato un punto di svolta per l’industria nucleare, mettendo in evidenza diversi punti deboli nel controllo di sistemi critici che garantiscono la sicurezza nelle centrali, in particolare in condizioni di incidente. Questa tesi è stata condotta in collaborazione con AREVA, il gruppo industriale francese attivo nel settore dell'energia, con l'obiettivo di produrre sensori a fibra ottica resistenti alle condizioni estreme di una centrale nucleare e, in particolare, per controllare diversi parametri all'interno di una piscina di stoccaggio di combustibile nucleare, quali la temperatura e il livello dell'acqua. La tesi si compone di due parti organizzate in 7 capitoli. Nella prima parte, il capitolo 1 riguarda i fenomeni che contribuiscono all'attenuazione della luce durante la sua propagazione nella fibra e permette di comprendere gli effetti della radiazione sulle fibre ottiche. Per identificare la tecnologia più promettente per le esigenze di AREVA, nel capitolo 2 é discusso lo stato dell’arte sui sensori distribuiti con particolare attenzione alle loro performance in ambienti radiativi. L'ultima parte di questo capitolo è dedicato ad una descrizione dettagliata della tecnica OFDR che è la tecnologia scelta per questa applicazione. La seconda parte è dedicata a presentare e discutere i risultati. Il capitolo 3 fornisce i dettagli sui campioni studiati e i trattamenti effettuati su di essi e descrive il setup utilizzato. Per determinare la migliore combinazione fibra/tecnica per l’applicazione prevista, è stato eseguito uno studio sistematico sulla risposta alla radiazione dei sensori distribuiti di temperatura e strain. Glieffetti permanenti della radiazione (dosi dell’ordine del MGy) su diverse classi di fibre, resistenti e sensibili alle radiazioni, sono discussi nel capitolo 4. Il capitolo 5 riporta le misure in situ sulle fibre resistenti alla radiazione per investigare gli effetti combinati di temperatura e radiazioni (raggi X) rappresentativi delle condizioni operative e accidentali nelle piscine di stoccaggio. Infine, abbiamo sviluppato un prototipo di sensore del livello dell’acqua nelle piscine di stoccaggio che è descritto nel capitolo 6. In seguito, le principali conclusioni e le prospettive sono discusse