Performances des capteurs à fibres optiques basés sur les diffusions Brillouin, Rayleigh et Raman en environnement sévère

Performances of Brillouin, Rayleigh and Raman fiber-based sensing of temperature and strain in harsh environment

• Auteur / Autrice : Isabelle Planes
• Direction : Youcef Ouerdane, Sylvain Girard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, photonique, hyperfréquences
• Date : Soutenance le 09/10/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Youcef Ouerdane, Sylvain Girard, Mourad Benabdesselam, Sylvie Delepine Lesoille
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mohammed Bouazaoui, Mourad Benabdesselam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déchets radioactifs -- Élimination dans le sol

Déformations (mécanique)

Hydrogène

Effets de la température

Rayonnements ionisants

Raman, Effet

Rayleigh, Diffusion de

Brillouin, Effet

Capteurs optiques

Mots clés libres

Capteur à fibre optique

Brillouin

Rayleigh

Raman

Radiation

Température

Hydrogène

Déformation

Fiber optic sensor

Brillouin

Rayleigh

Raman

Radiation

Temperature

Hydrogen

Deformation

Résumé

Cette thèse a été réalisée en collaboration entre l'Andra (L’Agence Nationale pour la Gestion des Déchets Radioactifs) et le laboratoire Hubert Curien (Unité Mixte de Recherche CNRS 5516) de l’Université Jean Monnet de Saint-Étienne. Dans ce travail, j’ai évalué les performances de capteurs à fibre optique pour la surveillance du site de stockage géologique de déchets radioactifs à vie longue (projet Cigéo). Cette application demande un suivi régulier, déporté et réparti de l’évolution de différentes grandeurs d’intérêt telles que : la température, la déformation et la présence d’hydrogène (ainsi que leurs combinaisons) en environnement radiatif sévère. La solution proposée repose sur les suivis des évolutions des signatures optiques de ces guides via des études en rétrodiffusion : Brillouin, Rayleigh et Raman. Afin de répondre à cette problématique, plusieurs systèmes d’interrogations ont été testés (utilisés). Selon leurs spécificités, ils se différencient par leurs types d’analyses, leurs résolutions spatiales, leurs budget optique et portées…. La sélection des fibres optiques d’étude est un élément clés pour ce type d’applications car elles doivent résister à ces environnements extrêmes sur de longues durées. Dans ce travail, j’ai étudié les réponses de fibres optiques contenant différents dopants, en particulier Ge et F. J’ai quantifié les effets des rayonnements gamma, de la température, de la déformation et de la présence d'hydrogène sur la qualité des mesures réparties. En conclusion, mon travail a cerné le type de fibre optique à utiliser pour ces environnements sévères. Les interrogateurs conditionnent le type de fibre à utiliser ainsi que leurs longueurs et, par conséquent, permettent de bien cerner les dimensions des zones à surveiller. Les qualités des résultats de mesures sont gouvernées par les choix de plusieurs paramètres et notamment : la durée de l’impulsion, la puissance injectée dans la fibre, les pas fréquentiels, la durée de la mesure…qui se répercutent directement sur les résolutions finales (spatiales et fréquentielles) des grandeurs mesurées. Une attention particulière doit être attachée à ces critères.

This thesis was carried out in collaboration between Andra (The National Agency for the Management of Radioactive Waste) and the Hubert Curien laboratory (Joint Research Unit CNRS 5516) of the Jean Monnet University of Saint-Étienne.In this work, I evaluated the performance of fiber optic sensors for monitoring the geological disposal site of long-lived radioactive waste (Cigéo project). This application requires regular, remote and distributed monitoring of the evolution of different quantities of interest such as: temperature, deformation and the presence of hydrogen (as well as their combinations) in a severe radiative environment. The proposed solution is based on the follow-up of optical signatures evolution of these wave-guides via backscatter studies: Brillouin, Rayleigh, and Raman.In order to answer this problem, several interrogation systems have been tested (used). According to their specificities, they are differentiated by: their types of analysis, their spatial resolutions, their optical budgets and scopes...The selection of the studied optical fibers is a key element for this type of application as they have to withstand these extreme environments over long periods of time. In this work, I studied the responses of optical fibers containing different dopants, in particular Ge and F. I quantified the effects of gamma radiation, temperature, deformation and the presence of hydrogen on the quality (sensitivitiy) of the distributed measures.My work has identified the optical fiber type to be used for these harsh environments. The interrogators’ responses are driven by these fiber types as well as their lengths and, consequently, make it possible to clearly define the dimensions of the areas to be monitored. The qualities of the measurement are governed by the choice of several parameters and in particular: the pulse duration, the power injected into the fiber, the frequency steps, the measurement duration ... these elements have a direct impact on the final resolutions (spatial and frequency) of measured quantities. Particular attention must be attached to these criteria.