Soutenance de thèse de Adrien VOLTE

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : INSTRUMENTATION
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Instrumentation,Calorimètrie,Echauffement nucléaire,Irradiations nucléaires,Micro-capteur,Débit de dose absorbée
Keywords
Instrumentation,Calorimetry,Nuclear heating,Nuclear radiation,Micro-sensor,Nuclear absorbed dose rate
Titre de thèse
Calorimètre miniaturisé innovant pour la mesure de l’énergie déposée par les interactions rayonnements nucléaires/matière en réacteur de recherche : de sa conception à son étude en laboratoire.
Innovative miniaturized calorimeter dedicated to the measurement of the energy deposited by nuclear/matter radiation interactions in research reactors: from its design to its laboratory study.
Date
Mardi 17 Décembre 2019 à 14:30
Adresse
Faculté des Sciences de Saint Jérôme Avenue Escadrille Normandie Niemen F-13397 Marseille Cedex 20
Salle des thèses
Jury
Directeur de these Mme Christelle REYNARD-CARETTE Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence IM2NP UMR 7334, Aix-Marseille Université
CoDirecteur de these M. Abdallah LYOUSSI CEA/DEN/DER/SPESI/LDCI
Rapporteur M. François LANZETTA Institut Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique – Sciences et Technologies FEMTO-ST UMR 6174, Université de Franche-Comté
Rapporteur M. Jean-Yves FERRANDIS Institut d’Électronique et des Systèmes IES UMR 5214
Examinateur M. Gordon KOHSE Nuclear Reactor Laboratory, MIT
Examinateur Mme Nathalie FAVRETTO-CRISTINI Laboratoire de mécanique et d’acoustique LMA UMR 7031
Examinateur M. Mossadek TALBY Centre de Physique des Particules de Marseille CPPM UMR 7346, Aix-Marseille Université
Examinateur M. Jean-Marc JUNG Institut Pluridisciplinaire Hubert CURIEN IPHC UMR 7178, Université de Strasbourg

Résumé de la thèse

Les réacteurs d’irradiations constituent de grands équipements de recherche d’appui permettant de conduire des études sur des matériaux et combustibles nucléaires existants ou innovants dans des conditions extrêmes générant un vieillissement accéléré et/ou pour des scénarios allant jusqu’à des conditions accidentelles. Pour cela, des dispositifs expérimentaux de plus en plus instrumentés pour réaliser des mesures en ligne de grandeurs physiques sont nécessaires afin de mieux comprendre et maîtriser les phénomènes apparaissant sous irradiations nucléaires. La construction du réacteur Jules Horowitz a ainsi impulsé de nouveaux programmes de recherche et depuis 2009, Aix-Marseille Université (Equipe Microcapteurs-Instrumentation du Laboratoire IM2NP UMR 7334) et le CEA (Direction de l’Energie Nucléaire, Département d’Etudes des Réacteurs) mènent, dans le cadre du laboratoire commun LIMMEX (Laboratoire d’Instrumentation et de Mesures en Milieux EXtrêmes) et de son programme IN-CORE (Instrumentation for Nuclear Radiations and Calorimetry online in REactor), des études dédiées à l’innovation pour la quantification de paramètres nucléaires clés : flux neutroniques et photoniques et débit de dose absorbée (ou échauffement nucléaire). Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans ce programme et les enjeux concernent donc : la capacité à réaliser des mesures sur une grande plage de débit de dose absorbée (jusqu’à 20kGy/s ou 20W/g) et d’autre part la miniaturisation pour proposer de nouveaux dispositifs innovants. Le premier volet a été consacré à un nouveau calorimètre différentiel compact breveté en 2015. Différentes configurations de capteurs ont été développées et caractérisées expérimentalement en étudiant l’influence de différents paramètres : matériau de structure, géométrie, taille et assemblage (espace inter-cellule et nature du gaz d’inertage) sur la réponse en conditions de laboratoire et numériquement par des simulations thermiques 3D sous COMSOL Multiphysics en conditions d’étalonnage et d’irradiations après validation d’un modèle conducto-radiatif 1D à partir d’expériences. Par ailleurs, la conception d’un nouveau système de chauffage par effet joule a permis de valider une configuration retenue pour les hauts débits de dose absorbée du RJH dans des conditions expérimentales jamais imposées en laboratoire. De nouvelles configurations beaucoup plus compactes que les configurations des calorimètres différentiels français utilisées lors de précédentes campagnes d’irradiations (OSIRIS ou MARIA) et de tailles similaires aux calorimètres simple-cellule étrangers ont été proposées. L’une d’entre elles, prometteuse, a été retenue pour une campagne d’irradiations dédiée à la cartographie de la boucle fluide en cur du réacteur du MIT.

Thesis resume

Irradiation reactors are large supporting research facilities for conducting studies on existing or innovative nuclear materials and fuels under extreme conditions generating accelerated ageing and/or for scenarios up to accident conditions. To this end, increasingly instrumented experimental devices for on-line measurements of physical quantities are needed to better understand and control phenomena occurring under nuclear irradiation. The construction of the Jules Horowitz reactor has thus spurred new research programmes and since 2009, Aix-Marseille University (Micro-sensors-Instrumentation Team of the IM2NP UMR 7334 Laboratory) and the CEA (Nuclear Energy Directorate, Reactor Studies Department) have been leading, within the framework of the LIMMEX joint laboratory (Laboratory for Instrumentation and Measurements in Extreme Environments) and its IN-CORE (Instrumentation for Nuclear Radiations and Calorimetry online in REactor) programme, studies dedicated to innovation for the quantification of key nuclear parameters: neutron and photon fluxes and absorbed dose rate (or nuclear heating). The work of this thesis is part of this program and the challenges concern: the ability to perform measurements over a wide range of absorbed dose rates (up to 20kGy/s or 20W/g) and on the other hand miniaturization to propose new innovative devices. The first part was devoted to a new compact differential calorimeter patented in 2015. Different sensor configurations have been developed and characterized experimentally by studying the influence of different parameters: structural material, geometry, size and assembly (inter-cell space and nature of the inert gas) on the response under laboratory conditions and numerically by 3D thermal simulations under COMSOL Multiphysics under calibration and irradiation conditions after validation of a 1D conductive-radiative model from experiments. In addition, the design of a new Joule Effect Heating System validated a selected configuration for the high absorbed dose rates of the RJH under experimental conditions never imposed in the laboratory. New configurations much more compact than the configurations of the French differential calorimeters used during previous irradiation campaigns (OSIRIS or MARIA) and of similar sizes to foreign single-cell calorimeters have been proposed. One of them, which is promising, has been selected for an irradiation campaign dedicated to mapping the fluid loop in the core of the MIT reactor.