Étude d’un calorimètre mono-cellule intégrant un microélément chauffant en conditions de laboratoire et d’irradiation nucléaire pour la mesure en ligne du débit de dose absorbée

Study of a single-cell calorimeter integrating a heating microelement under laboratory and nuclear irradiation conditions for on-line measurement of absorbed dose rate

• Auteur / Autrice : Jérémy Rebaud
• Direction : Christelle Reynard-carette, Abdallah Lyoussi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur : spécialité Nucléaire de Fission
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IM2NP - Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence
• Jury : Président / Présidente : François Lanzetta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Reynard-carette, El Mahjoub Chakir, Jean-Yves Ferrandis, Abdallah Lyoussi, Adrien Volte, Bruno Soares goncalves
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Lanzetta, El Mahjoub Chakir

Mots clés

Mots clés libres

Echauffement nucléaire

Instrumentation

Calorimétrie

Couches minces

Fission nucléaire

Campagne d'irradiation

Nuclear heating rate

Instrumentation

Calorimetry

Thin layers

Nuclear fission

Irradiation campaign

Résumé

Cette thèse a été réalisée grâce au programme MICRO-CALOR du laboratoire commun LIMMEX. Ce programme a pour objectif principal la miniaturisation de calorimètres mono-cellule pour la mesure en ligne de l’échauffement nucléaire en réacteur d'irradiation. Cette thèse a comporté trois volets. Le premier a porté sur les spécifications d’un nouvel élément chauffant en couches minces fabriqué par sérigraphie à l’IES et sur sa caractérisation expérimentale en laboratoire (chimique, électrique, thermique). Il est une brique essentielle pour l’étalonnage des calorimètres en simulant par effet Joule le dépôt d’énergie induit par les interactions rayonnement/matière. Le second a focalisé sur l’étude expérimentale de la réponse d’un prototype du calorimètre Mono-CALO, breveté en 2020, instrumenté par ce nouvel élément chauffant. Les caractéristiques métrologiques du capteur (reproductibilité, temps de réponse, linéarité, sensibilité) ont été déterminées en conditions de laboratoire et ont été comparées à celles obtenues avec un élément chauffant commercial épais, permettant ainsi de pré-valider le nouvel élément chauffant. Des simulations 3D thermiques ont permis d’étudier de nouvelles configurations du calorimètre instrumenté. Le troisième a concerné une campagne de mesures en cœur du réacteur TRIGA JSI (Slovénie). La validation de cet élément chauffant pour une fluence neutronique de 3.21x10^17 n/cm^2 a été faite grâce à l’analyse de son comportement avant et après irradiation en conditions d’étalonnage. La quantification de très faibles échauffements nucléaires (quelques mW/g) a été réalisée par deux méthodes de mesure dont une avec un apport de chaleur induit par ce nouvel élément chauffant.

This PhD thesis was carried out thanks to the MICRO-CALOR program of the LIMMEX joint laboratory. The main aim of this program is to miniaturize single-cell calorimeters for on-line measurement of nuclear heating rate in irradiation reactor. This PhD thesis work was divided into three parts. The first concerned the specifications of a new thin-layer heating element manufactured by screen printing at IES, and its experimental characterization in the laboratory conditions without nuclear rays (chemical, electrical, thermal). It is an essential component for calorimeter calibration allowing the simulation of the energy deposition induced by radiation/matter interactions by Joule effect. The second focused on the experimental study of the response of a prototype of the Mono-CALO calorimeter, patented in 2020, instrumented by this new heating element. The metrological characteristics of the sensor (reproducibility, response time, linearity, sensitivity) were determined under laboratory conditions and compared with those obtained with a thick commercial heating element, enabling the new heating element to be pre-validated. Thermal 3D simulations were used to study new configurations of the instrumented calorimeter. The third corresponded to a measurement campaign in the JSI TRIGA reactor core (Slovenia). This heating element was validated for a neutron fluence of 3.21x10^17 n/cm^2 by analyzing its behavior before and after irradiation under calibration conditions. Quantification of very low nuclear heating rate (few mW/g) was realized using two measurement methods, one of which requiring a heat input induced by this new heating element.