Development of acoustic sensors for the extension of measurements to high temperature in the experimental reactors

par Oleksandr Gatsa

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Jean-Yves Ferrandis et de Philippe Combette.

  • Titre traduit

    Développement de capteurs ultrasonores pour l’extension des mesures acoustiques aux hautes températures dans les réacteurs expérimentaux


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur l’étude et la réalisation d'une nouvelle génération de capteurs ultrasonore dédiés à la caractérisation des gaz de fission. Plus généralement, ces études concernent le développement de l’instrumentation du réacteur d’essai des matériaux Jules Horowitz (RJH), visant entre autre à effectuer le contrôle in situ de la composition du gaz libéré afin d’optimiser la durée de vie du combustible et le taux de combustion. La température de fonctionnement de ce nouveau réacteur devant se situer dans la plage entre 200 °C à 400 °C, la principale problématique concerne donc le développement d’un matériau piézoélectrique, capable de fonctionner dans la plage de température requise, et son intégration à un dispositif de détection.Nous proposons l’utilisation du sodium titanate de bismuth (NBT) développé par la méthode de la sérigraphie. Dans le but d'optimiser les conditions de fabrication des matériaux, plusieurs versions de matériaux piézoélectriques ont été produites au cours de cette thèse. Chacun des matériaux a été caractérisé (paramètres morphologiques, chimiques, électriques, diélectriques, piézoélectriques et électromécaniques) et des tests en fonction de la température ont été conduits. Après avoir démontré une bonne répétabilité dans la production du matériau, le protocole de fabrication des capteurs a été déterminé et un prototype de capteur ultrasonore a été réalisé.Ces capteurs ont été fabriqués par dépôt du matériau actif sur un substrat d'alumine. Après caractérisation des propriétés des capteurs, des essais ont montré une sensibilité acoustique importante à température ambiante. De plus, la possibilité d'une détection de gaz sur une gamme de pression de 50 à 70 bars a été démontrée par l'intégration d’un capteur dans une enceinte. Pour vérifier la possibilité d'application du capteur à la détection de gaz dans des environnements hostiles (haute température), un modèle théorique basé sur les propriétés électromécaniques et les équations d’adaptation d’impédance a été introduit. Il a été démontré théoriquement que le capteur est capable d'effectuer des mesures de gaz de la température ambiante jusqu’à 350 °C.


  • Résumé

    This Ph.D. thesis is dedicated to the development of a new generation of ultrasonic sensors devoted to fission gas characterization. More generally, these studies concern the development of instrumentation for the Jules Horowitz material testing reactor (JHR) aiming to perform in-situ control of the released gas composition for optimization of burn-up rate and fuel rod lifetime. The operation temperature of this new reactor will be in the range of 200 °C - 400 °C. Hence, the main problem concerns the development of piezoelectric material, able to operate in the required temperature range, and its integration with a sensor device.To resolve this problem, we propose to use the sodium bismuth titanate (NBT) ceramic material developed by the screen-printing technique. Several versions of piezoelectric materials were produced during this research, with the purpose of optimizing material manufacturing conditions Each material was characterized (morphological, chemical, electric, dielectric, piezoelectric and electromechanical parameters) and “tests as a function of temperature” were carried out. After demonstrating repeatability in material fabrication, the protocol for NBT sensor production was determined and a prototype of the ultrasonic sensor was fabricated.The sensor was fabricated by deposition of an active material onto an alumina substrate. After characterization of sensor properties, acoustic tests showed a high sensitivity of measurements at ambient temperature (25 °C). Furthermore, by integration of sensors into a pressurized enclosure the possibility of gas detection in the range from 50 to 70 bars was demonstrated. To verify the sensor’s applicability to gas detection under harsh temperature environment, a theoretical model based on electromechanical properties and impedance matching equations was introduced. It was theoretically demonstrated that the sensor is able to perform gas measurements from ambient temperature up to 350 °C.


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