Analyse structurelle et fonctionnelle par tomographie muonique d'un haut fourneau

Structural and functional analysis of a blast furnace using muon tomography

• Auteur / Autrice : Amélie Cohu
• Direction : Jacques-Emmanuel Marteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/09/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Corinne Augier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques-Emmanuel Marteau, Andrea Giammancco, Alessandra Tonazzo, Olivier Drapier, Marina Rosas-Carbajal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrea Giammancco, Alessandra Tonazzo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hauts fourneaux

Simulation par ordinateur

Innovation

Imagerie tridimensionnelle haute résolution

Muographie

Mots clés libres

Muographie 3D

Simulation Monte Carlo

CORSIKA

Haut fourneau

3D-muography

Monte Carlo simulation

CORSIKA

Blast furnace

Résumé

Le haut fourneau (HF) est l’outil fondamental utilisé pour la fabrication de la fonte. Du fait de la difficulté d’accès à des mesures directes des phénomènes au sein de celui-ci, nous avons cherché à déterminer la répartition de la densité de son volume interne dans l’espoir d’améliorer un maximum sa productivité. Pour cela, nous utilisons la tomographie par muons aussi appelée muographie. C’est une technique d’imagerie basée sur l’absorption différentielle d’un ŕux de particules incidentes, les muons, par la cible étudiée, à l’instar de l’imagerie clinique par rayons X. Les muons sont des particules élémentaires qui ont la propriété de traverser des matériaux denses, jusqu’à plusieurs mètres de distance (2 m d’acier pour un muon de 3 GeV). Leur absorption relative permet de générer des images de répartition de densité d’un objet en suivant le nombre de muons reçus par un détecteur, avant et après avoir traversé une structure. La direction incidente des muons détectés est reconstruite au moyen d’un détecteur composé de 3 panneaux de scintillateurs [164], [154] que nous avons déplacé sur 3 positions autour du HF. Grâce à cette technique, nous avons obtenu une image 3D de la structure in-terne d’un HF en utilisant un algorithme de résolution du problème inverse par méthode de Monte Carlo à chaînes de Markov (MCMC) sur des données de ŕux de muons. Nous avons aussi pu réaliser un suivi temporel du HF et de certains de ses paramètres de fonctionne-ment. Nous avons distingué la position et la forme de la zone de fusion, élément clef de la productivité d’un fourneau. De cette manière, nous avons pu valider ce concept de mesure innovant dans l’application à un HF et ouvert le champ à une série d’expériences futures pour gagner en résolution à la fois spatiale et temporelle. Ces améliorations passent également par une meilleure connaissance du ŕux des muons incidents sur leur cible. Nous avons utilisé le logiciel de simulation CORSIKA [124], un modèle d’interaction nucléo-hadronique piloté par Monte Carlo, pour étudier les effets de nombreux paramètres sur le ŕux des muons, tels que les conditions atmosphériques (pression, température), le champ géomagnétique, l’altitude du détecteur etc. Nous avons qualiőé ces développements en comparant les résultats à des modèles analytiques couramment utilisés et à des mesures en laboratoire. En appliquant ces ŕux à la reconstruction 3D du HF, nous avons étudié l’impact du ŕux d’entrée dans l’estimation de l’opacité (quantité de matière traversée le long d’une trajectoire). Les premiers résultats numé-riques suggèrent que l’estimation de l’opacité est fortement affectée par le choix du modèle de ŕux dans les directions proches de l’horizontale et en particulier pour les cibles à faible opacité.

The blast furnace (BF) is the fundamental tool used in the manufacture of iron. Due to the difficulty of accessing direct measurements of the phenomena within it, we have sought to determine the density distribution of its internal volume in the hope of improving its produc-tivity as much as possible. To do this, we use muon tomography, also known as muography. This is an imaging technique based on the differential absorption of a ŕux of incident particles, muons, by the target under study, similar to clinical X-ray imaging. Muons are elementary particles that have the property of passing through dense materials, up to several metres away (2 m of steel for a 3 GeV muon). Their relative absorption allows the generation of density distribution images of an object by tracking the number of muons received by a detector, before and after passing through a structure. The incident direction of the detected muons is reconstructed by means of a detector composed of 3 scintillator panels [164], [154] that we mo-ved to 3 positions around the BF. With this technique, we obtained a 3D image of the internal structure of an BF using a Markov Chain Monte Carlo (MCMC) inverse problem solving algo-rithm on muon ŕux data. We were also able to perform a time tracking of the BF and some of its operating parameters. We distinguished the position and shape of the melting zone, a key element in the productivity of a furnace. In this way, we were able to validate this innovative measurement concept in the application to an BF and open the őeld to a series of future experiments to gain both spatial and temporal resolution. These improvements also require a better knowledge of the ŕux of muons incident on their targets. We have used the CORSIKA simulation software [124], a Monte Carlo driven nucleo-hadronic interaction model, to study the effects of many parameters on the muon ŕux, such as atmospheric conditions (pressure, temperature), geomagnetic őeld, detector altitude, etc. We qualiőed these developments by comparing the results with commonly used analytical models and laboratory measurements. By applying these ŕuxes to the 3D BF reconstruction, we studied the impact of the input ŕux in the estimation of the opacity (amount of material traversed along a trajectory). The őrst numerical results suggest that the opacity estimation is strongly affected by the muon ŕux model choice in directions close to the horizontal and in particular for low opacity targets.