Détection de la contamination uranium par des mesures non destructives innovantes pour l'assainissement et le démantèlement d'installations nucléaires

Detection of uranium contamination in the field of nuclear dismantling and decommissioning by innovative non-destructive measurement processes

• Auteur / Autrice : Francisco Salvador barba
• Direction : Frédéric Mayet, Bertrand Perot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 25/11/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Cadarache - fusion (IRFM pour ED 352)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Ban
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Michelet, Benoît Gall, Stephanie Roccia
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claire Michelet, Benoît Gall

Mots clés

Mots clés libres

Assainissement

Démantèlement

Instrumentation

Spectrométrie gamma

Spectrométrie alpha

Decommissioning

Dismantling

Instrumentation

Gamma spectrometry

Alpha spectrometry

Résumé

L'assainissement-démantèlement (A&D) est la dernière étape du cycle de vie d'une installation nucléaire après l'évacuation des composants, elle comporte une phase de décontamination des structures restantes, des sols et des murs afin d'assurer la sécurité du public et de l'environnement lors de la réutilisation du site pour des activités futures. Cette dernière est un processus très coûteux et chronophages et est la cible de projets de R&D afin de l'optimiser par exemple en employant des méthodes de mesures adaptées (courtes, précises et fiables) permettant l'identification et la caractérisation des zones contaminées. Le nettoyage est ensuite effectué uniquement sur ces zones, dans le but de réduire le temps d'intervention, les coûts et le volume des déchets générés. Dans ce contexte, le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) développe de méthodes de détection innovantes de contaminations résiduelle à l'uranium, permettant un balayage rapide de très grandes surfaces (jusqu'à plusieurs centaines de milliers de mètres carrés) dans les installations d'enrichissement de l'uranium et de fabrication de combustible en cours de démantèlement. Cependant, les sols et les murs en béton contiennent des matériaux radioactifs naturels tels que l'uranium, le thorium (avec leurs chaînes radioactives) et le potassium (avec l'isotope 40K), à l'origine d'un bruit de fond qui complique la détection de contaminations de faible activité. Les seuils de déclassement de l'Autorité de Sûreté Nucléaire étant de l'ordre de 1 Bq/cm2, il est nécessaire de pouvoir atteindre des limites de détection basses. Les méthodes en développement au CEA combinent des compteurs de contamination alpha et bêta (détection en quelques secondes) avec une caractérisation plus précise au second niveau de la contamination par spectrométrie gamma, en utilisant soit des détecteurs de scintillation NaI(Tl) à grande surface (mesures de quelques minutes) soit un semi-conducteur HPGe (quelques heures). En plus d'une évaluation fine de l'activité en surface (en Bq/cm²), elles peuvent fournir des informations sur la profondeur de contamination ou sur la composition isotopique. Au cours de cette thèse, des campagnes de mesure ont été menées à l'usine de diffusion gazeuse (UDG), ancienne usine d'enrichissement d'uranium en cours de démantèlement sur le site nucléaire de Pierrelatte. Les spectres résultant de ces mesures ont été analysés avec le support de simulations Monte-Carlo pour évaluer les limites de détection de l'uranium dans des environnements avec un bruit de fond fluctuant et différents niveaux d'enrichissement en 235U. Les conclusions tirées de ces campagnes ont conclu sur le développement de systèmes de mesure optimisés en vue d'un contrôle de la contamination à grande échelle.

Nuclear decommissioning is the last step in the life cycle of a nuclear facility after the evacuation of the components a decontamination of the remaining structures, soils, and walls follows in order to ensure the safety of the public and environment when reusing the site for future activities. The decommissioning of nuclear facilities is costly and time consuming but optimized measurements (short time, accurate and reliable) allow the identification and characterization of contaminated areas. Cleanup is then performed only on these areas, with the aim of reducing intervention time, costs and waste volume. Within this context, the French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA) is developing new detection methods of residual uranium contamination allowing a fast scanning of very large surfaces (up to hundreds of thousands of square meters) in uranium enrichment and fuel fabrication plants under decommissioning. However, the concrete floors and walls contain natural radioactive materials like uranium, thorium (with their radioactive chains) and potassium (with the 40K isotope), which produce a background noise that hinders the detection of low-level uranium contamination, with clearance levels of the order of 1 Bq/cm2 or less. The methods in development at CEA combine alpha and beta contamination counters (detection within a few seconds) with a more precise, second-level characterization of the contamination by gamma spectrometry, using either large area NaI(Tl) scintillation detectors (measurements of a few min) or a HPGe semi-conductor (a few hours). In addition to a refined assessment of the surface activity (in Bq/cm²), they may bring information on the contamination depth or on the isotopic composition. During this PhD thesis, measurement campaigns were carried out at the Gaseous Diffusion Plant (UDG), which is a large legacy uranium enrichment facility undergoing decommissioning at the Pierrelatte nuclear site, in southern France. The resulting spectra from these measurements were analysed with the support of Monte-Carlo simulations to evaluate the uranium detection limits in environments with fluctuating background noise and different 235U enrichment levels. Conclusions drawn from these campaigns will be used for the development of optimized measurement systems in view of a large-scale uranium contamination survey.