Etude de détections neutroniques, photoniques et de débit de dose absorbée en conditions sévères par détecteurs semi-conducteurs et capteurs calorimétriques

Study of detections of neutronic, photonic fluxes and absorbed dose rate under harsh conditions by semi-conductor detectors and calorimetric sensors

• Auteur / Autrice : Valentin Valero
• Direction : Christelle Reynard-Carette, Laurent Ottaviani
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur : spécialité Nucléaire de Fission
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IM2NP - Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence
• Jury : Président / Présidente : Yannick Marandet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Reynard-Carette, Andrej Kuznetsov, Bruno Soares goncalves, Massimo Morichi, François Lanzetta, Laurent Ottaviani, Abdallah Lyoussi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andrej Kuznetsov, Bruno Soares goncalves

Mots clés

Mots clés libres

Rayonnement nucléaire

Capteur

Semi-conducteur

Calorimètre

Débit de dose absorbée

Flux neutronique et photonique

Nuclear radiation

Sensor

Semi-conductor

Calorimeter

Absorbed dose rate

Neutron et photon fluxes

Résumé

De nos jours, avec le renouveau de l'énergie nucléaire, il est crucial de maîtriser différents domaines, notamment l'instrumentation nucléaire. Ainsi, au cours de cette thèse, 2 grandes familles de capteurs ont été étudiées : des détecteurs semi-conducteurs à grand gap (Carbure de Silicium et Diamant) et un calorimètre mono-cellule pour les mesures de flux de neutrons et de débit de dose absorbée respectivement. Des diodes en SiC avec ou sans CCN en 10B et un détecteur Diamant avec CCN en 6Li ont été étudiés et des boîtiers SiC ont été conçus à l'aide de simulations 3D (thermiques et Monte Carlo). Ces détecteurs ont été préqualifiés au générateur de neutrons rapides de 14.1 MeV GENEPI2 (LPSC, Grenoble). Une campagne d'irradiation ex-core a été réalisée dans un réacteur de recherche TRIGA Mark II (JSI, Slovénie) avec des flux de neutrons jusqu'à 10^10 n·cm-2·s-1 pour une comparaison SiC-Diamant avec CCN. Une campagne d'irradiation in-core a été menée, pour la 1ère fois, afin de comparer 2 détecteurs SiC avec et sans CCN, jusqu’à des flux de neutrons de 10^13 n·cm-2·s-1. Des études paramétriques de l'influence de la tension de polarisation, de la puissance du réacteur et de la fluence neutronique ont été réalisées sur les caractéristiques métrologiques des diodes SiC jusqu'à une fluence de 10^17 n·cm-2. Un nouveau calorimètre à haute sensibilité a été conçu. Il a été étalonné dans un canal in-core du réacteur TRIGA du JSI, qui n'avait pas été caractérisé auparavant, et a permis la quantification en ligne de faibles débits de dose absorbée (<0.02 W·g-1). Mots clés : Neutron, Photon, Débit de dose absorbée, Carbure de Silicium, Calorimètre, Campagne d'irradiation, Simulations 3D

Nowadays, with the renew of nuclear energy, there is a crucial need to master various domains, especially in nuclear instrumentation. Thus, during this PhD thesis, 2 main sensor families were studied: wide-bandgap semiconductor detectors (Silicon Carbide and Diamond) and a single-cell calorimeter for neutron flux and absorbed dose rate measurements respectively. For the 1st family, an experimental study work on the sensor response under harsh conditions in 3 nuclear environments was realized. SiC diodes with or without 10B NCL and a Diamond detector with 6Li NCL were studied and SiC housings were designed with 3-D simulations (thermal and Monte Carlo). Detectors were prequalified in the 14.1 MeV-neutron field of GENEPI2 neutron generator (LPSC, Grenoble). Then, an ex-core irradiation campaign was done in the TRIGA Mark II research reactor (JSI, Slovenia) with neutron fluxes up to 10^10 n·cm-2·s-1, in order to compare a SiC with NCL and a Diamond detector. Finally, an in-core irradiation campaign was done for the 1st time, in order to compare 2 SiC detectors with and without NCL for neutron fluxes up to 10^13 n·cm-2·s-1. Parametrical studies of the influence of bias voltage, reactor power and neutron fluence were achieved on the metrological characteristics of the SiC diodes up to a fluence of 10^17 n·cm-2. For the 2nd family, a new high-sensitive calorimeter was designed. It was calibrated inside an in-core channel of the JSI TRIGA reactor and it allowed the online quantification of low absorbed dose rates (<0.02 W·g-1) in this previously uncharacterized channel. Key words: Neutron, Photon, Absorbed dose rate, Silicon Carbide, Calorimeter, Irradiation campaign, 3-D simulations