Thèse soutenue

Optimisation des mesures de spectrométrie gamma pour la prospection de l'uranium

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Auteur / Autrice : Thomas Marchais
Direction : Bertrand PerotJohann CollotCédric Carasco
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique appliquée
Date : Soutenance le 28/05/2019
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 : Frédéric Mayet
Examinateurs / Examinatrices : Hervé Toubon
Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Claude Angélique, Benoît Gall

Mots clés

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Résumé

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Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre le CEA et ORANO Mining, visant à améliorer la sensibilité et la précision des mesures radiométriques de l’uranium dans le cadre de l’exploration et de l’exploitation minières, notamment pour les échantillons de minerai. Dans un premier temps, les méthodes de mesure nucléaire pour la prospection de l’uranium actuellement utilisées sont présentées ainsi que leurs enjeux, avant d’exposer le développement des nouvelles méthodes de spectrométrie gamma qui font l’objet de ces travaux de thèse. Elles exploitent notamment le phénomène d’auto-fluorescence X de l’uranium, dont le signal n’est actuellement pas utilisé, pour réduire les temps de mesure et en améliorer la précision. L'auto-fluorescence X, est provoquée par les rayonnements gamma d'isotopes radioactifs présents dans le minerai, comme le 214Pb et 214Bi, créant par diffusion Compton un important continuum au-delà de la discontinuité d'absorption K de l'uranium à 115.6 keV. Il en résulte l'émission de raies X-K de fluorescence de l'uranium, autour de 100 keV, représentatives de la teneur en uranium sur une profondeur de plusieurs centimètres, ce qui est particulièrement intéressant pour la mesure des échantillons ou carottes de minerai. L'intensité de l'auto-fluorescence dépend de l'activité des isotopes radioactifs présents dans le minerai, qui peut être quantifiée par spectrométrie gamma classique via leurs raies caractéristiques, ainsi que de la densité et de la minéralogie du minerai. En plus de la teneur en uranium, il est possible de détecter une hétérogénéité, par exemple une pépite d’uranium, en comparant les teneurs déduites de la raie d’émission passive du 234Th à 92 keV et de la raie XKα1 de fluorescence de l’uranium à 98 keV. Ces premières approches par spectrométrie gamma haute résolution avec un détecteur au germanium hyper pur ont fait l’objet d’une mise au point par simulation numérique avec le code MCNP et d’une qualification expérimentale avec des spectres gamma acquis par ORANO, puis au Laboratoire de Mesures Nucléaires du CEA Cadarache avec des échantillons de minerai réels. La méthode a aussi fait l’objet d’un dépôt de demande de brevet. La thèse étudie ensuite la possibilité de caractériser la teneur en uranium et de détecter des déséquilibres potentiels avec ses descendants, comme les isotopes 214Pb et 214Bi qui sont les principaux contributeurs au signal total, par spectrométrie gamma basse résolution avec un scintillateur NaI(Tl). Une approche par analyse de zones d'énergie du spectre gamma est développée par simulation et qualifiée en laboratoire, qui a fait aussi l’objet d’une demande de brevet. Ces nouvelles approches ont débouché sur le lancement par ORANO Mining de l’industrialisation d’un nouveau dispositif de mesure d’échantillons, ainsi que d’une nouvelle sonde gamma pour les puits de forage.