Thèse soutenue

Mesure neutronique passive des colis de déchets radioactifs par comptage des coïncidences avec des scintillateurs plastiques
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Auteur / Autrice : Benoît Simony
Direction : Bertrand PerotJohann CollotCédric Carasco
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique appliquée
Date : Soutenance le 26/09/2017
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mesures nucléaires: LMN (CEA Cadarache)
Jury : Président / Présidente : Mourad Ramdane
Examinateurs / Examinatrices : Abdallah Lyoussi
Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Montarou, Philippe Dessagne

Mots clés

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Résumé

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Cette thèse concerne la mesure neutronique passive des coïncidences de fissions spontanées du plutonium dans des fûts de déchets radioactifs, avec des scintillateurs plastique pour pallier aux compteurs gazeux à 3He classiques, devenus très coûteux. Les scintillateurs sont environ 1000 fois plus rapides avec un temps de détection de l’ordre de la nanoseconde, mais très sensibles aux rayonnements gamma et aux coïncidences parasites de diffusions neutroniques et gamma entre détecteurs voisins (diaphonie). La faisabilité est étudiée par simulation avec le code MCNPX PoliMi en modélisant un dispositif ayant un angle solide de détection de 4π sr autour d’un fût de déchets de 118 L, rempli de matrices de déchets métalliques ou organiques. Un blindage de quelques centimètres de plomb devant les détecteurs a été optimisé pour limiter le taux de comptage des rayonnements gamma issus du fût. La faisabilité théorique est démontrée sur le nombre de coïncidences triples détectées en 1500 s de mesure et la proportion due aux fissions spontanées face aux réactions parasites (α,n). Les premières constituent près de 80 % du signal total et plus de 90 % après rejet de la diaphonie, en paralysant pendant 10 ns les deux détecteurs voisins d’un premier détecteur ayant initié une fenêtre de coïncidence. Pour des masses croissantes de plutonium, une perte de linéarité du nombre de triplets apparaît au-delà de 10 g, surtout due aux coïncidences accidentelles d’impulsions gamma et à la multiplication neutronique par fissions induites. A 100 g, la surestimation de la masse de plutonium n’excède cependant pas 30 % en répartition homogène. Par contre, si cette masse est concentrée en amas au centre de la matrice organique, une compétition entre multiplication neutronique et auto-absorption gamma conduit à la sous-estimer d’environ 20 %. Par ailleurs, un point chaud de 1 g de plutonium (effets de multiplication et coïncidences accidentelles négligeables) en différentes localisations dans la matrice conduit à des variations de signal inférieures à 30 % par rapport à la répartition homogène. Ces écarts augmentent pour certains cas pénalisants comme du plutonium au milieu d’une pièce métallique épaisse. Enfin, tous ces effets dépendent de la matrice et de l’épaisseur de l’écran de plomb, lesquelles affectent la composition des triplets en impulsions neutroniques et gamma. L’étude expérimentale est menée sur une maquette comprenant huit scintillateurs plastique (angle solide de détection inférieur à 2 π sr) protégés par 5 cm de plomb du fût rempli de sources ou échantillons de matière nucléaire, dans des matrices étalon en acier ou bois. Des tests avec sources de 252Cf et d’AmBe reproduisant un ratio alpha de 1,2 entre émissions neutroniques par fission spontanée et réaction (α,n), comme pour les simulations, confirment les tendances obtenues par calcul sur le nombre et la proportion de coïncidences utiles, les effets de matrice et de localisation. Les comparaisons expérience-calcul avec des plaquettes de plutonium et des sources de 137Cs ou 60Co montrent que le modèle numérique impacte fortement la diffusion gamma sur les extrémités des briques de plomb, la multiplication neutronique et l’auto-absorption gamma dans la matière nucléaire. La simulation reproduit toutefois correctement l’ordre de grandeur du signal, ce qui valide les estimations de performances avec le dispositif idéal (angle solide de 4 pi sr). Par ailleurs, les raies corrélées du 60Co, s’il est présent dans le colis, génèrent de nombreux triplets parasites et un écran de 10 cm de plomb serait nécessaire, sans qu’il soit toutefois possible de dépasser 10 MBq de 60Co. Enfin, une étude du bruit de fond environnant (émissions gamma du génie civil, coffres de sources à proximité, rayonnements cosmiques) conduit à préconiser aussi un blindage de plomb externe de 3 à 5 cm d’épaisseur.