[PDF] Linstrumentation et la mesure en milieu nucléaire

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e-den Commissariat à l?énergie atomique et aux énergies alternatives

Une monographie de la Direction

de l?énergie nucléaire

L"instrumentation et la mesure

en milieu nucléaire

Monographies DEN

Une monographie de la Direction de l?énergie nucléaire Commissariat à l?énergie atomique et aux énergies alternatives,

91191 Gif-sur-Yvette Cedex

Tél.:0164501000

Comité scientifique

Georges Berthoud, Gérard Ducros, Damien Féron, Yannick Guérin, Christian Latgé, Yves Limoge, Gérard Santarini, Jean-Marie Seiler, Étienne Vernaz, Directeurs de Recherche.

Responsable de thème :Abdallah Lyoussi.

Ont participé à la rédaction de cette monographie : Christiane Alba-Simionesco, Pierre-Guy Allinei, Catherine Andrieux-Martinet, Éric Ansoborlo, Nicolas Baglan, François Baqué, Loïc Barbot, Mehdi Ben Mosbah, Sébastien Bernard, Maïté Bertaux, Gilles Bignan, Patrick Blaise, Dominique Bois, Bernard Bonin, Lionel Boucher, Karim Boudergui, Alexandre Bounouh, Laurent Bourgois, Viviane Bouyer, René Brennetot, Carole Bresson, Laurent Brissonneau, Fabrice Canto, Chantal Cappelaere, Cédric Carasco, Sébastien Carassou, Hubert Carcreff, Frédérick Carrel, Matthieu Cavaro, Frédéric Chartier, Guy Cheymol, Yves Chicouène, Jérôme Comte, Bernard Cornu, Gwénolé Corre, Nadine Coulon, Jean-Louis Courouau, Laurent Couston, Marielle Crozet, Jean-Luc Dautheribes, Jean-Marc Decitre, Jules Delacroix, Christophe Destouches, Binh Dinh, Denis Doizi, Christophe Domergue, Jérôme Ducos, Gérard Ducros, Anne Duhart-Barone, Céline Dutruc-Rosset, Cyrille Eléon, Éric Esbelin, Nicolas Estre, Sébastien Evrard, Damien Féron, Gilles Ferrand, Pascal Fichet, Philippe Fougeras, Damien Fourmentel, Olivier Gastaldi, Benoît Geslot, Jean-Michel Girard, Marianne Girard, Philippe Girones, Christian Gonnier, Adrien Gruel, Olivier Gueton, Philippe Guimbal, Éric Hervieu, Jean-Pascal Hudelot, Hélène Isnard, Fanny Jallu, Franck Jourdain, Christophe Journeau, Vladimir Kondrasovs, Christian Ladirat, Guillaume Laffont, Anne-Sophie Lalleman, Fabrice Lamadie, Hervé Lamotte, Christian Latgé, Florian Le Bourdais, Alain Ledoux, Daniel L?Hermite, Christian Lhuillier, Laurent Loubet, Abdallah Lyoussi, Charly Mahé, Carole Marchand, Clarisse Mariet, Rémi Marmoret, Frédéric Mellier, Frédéric Michel, Christophe Moulin, Gilles Moutiers, Paolo Mutti, Frédéric Navacchia, Anthony Nonell, Daniel Parrat, Christian Passard, Kévin Paumel, Bertrand Pérot, Sébastien Picart, Pascal Piluso, Yves Pontillon, Cédric Rivier, Gilles Rodriguez, Danièle Roudil, Fabien Rouillard, Christophe Roure, Henri Safa, Guillaume Sannié, Nicolas Saurel, Vincent Schoepff, Éric Simon, Jean- Baptiste Sirven, Nicolas Thiollay, Hervé Toubon, Julien Venara, Thomas Vercouter, Jean-François Villard, Évelyne Vors,

Dominique You, Élisabeth Zekri.

Directeur de la Publication :Philippe Stohr.

Comité éditorial :Bernard Bonin (Rédacteur en chef), Olivier Provitina, Michaël Lecomte, Alain Forestier.

Administrateur :Alexandra Bender.

Éditeur :Jean-François Parisot.

Maquette :Pierre Finot.

Correspondance :la correspondance peut être adressée à l?Éditeur ou à CEA / DEN Direction scientifique, CEA Paris-Saclay,

91191 Gif-sur-Yvette Cedex.

Tél.:0169081675

© CEA Paris-Saclay et Groupe Moniteur (Éditions du Moniteur), Paris, 2018.

ISBN 978-2-281-14303-4

ISSN 1950-2672

La reproduction des informations contenues dans ce document est libre de tous droits, sous réserve de l?accord de la rédaction et de la mention d?origine. En couverture :Enregistrement de la divergence de ZOÉ, première pile atomique française (15 décembre 1948). e-den Commissariat à l?énergie atomique et aux énergies alternatives

Une monographie de la Direction

de l?énergie nucléaire

L"instrumentation

et la mesure en milieu nucléaire

7L"instrumentation et la mesure en milieu nucléaire

Préface

Sur limportance de linstrumentation

L"instrumentation, en général, n"est pas reconnue à sa juste valeur.Les recherches dans ce domaine ont le même statut que celles sur l"élaboration des matériaux : tout le monde sait qu"elles sont indispensables, mais beaucoup pensent que ce qui fait véritablement la science est ce qui vient en aval :la caractérisation des pro-

priétés, l"élaboration théorique.L"instrumentation est souvent perçue de même, elle

est sentie comme indispensable à la science, mais rarement considérée comme une science.

Cela n"a pas toujours été le cas : G

ALILÉEpolissait les lentilles pour créer la lunette astronomique et il ne lui serait pas venu à l"esprit de classer cette activité bien au- dessous de la découverte des satellites de Jupiter qu"elle rendait possible. L EEUWENHOEKinventait le microscope et construisait dans la foulée la microscopie des êtres vivants, et plus près de nous, P.B.H

IRSHconstruisait les microscopes élec-

troniques qui lui permettaient d"explorer la nature intime des métaux et alliages. Et nous pourrions citer l"incroyable expérience de C

AVENDISHpour prouver la loi de la

gravitation en inverse du carré de la distance, qui ramenait en quelque sorte le ciel sur la terre, l"électromètre à plaque utilisé par les C

URIE, et cet interféromètre de

M ICHELSONraffiné, peaufiné presque amoureusement pendant quarante ans... Qui donc oserait considérer ces chefs d"œuvre d"instrumentation comme quantité négli- geable ? Et le tout récent prix Nobel de physique qui récompense une découverte dans l"instrumentation des lasers qui a rendu possible le développement de la science des interactions lumière - matière dans la gamme des très hautes puis- sances prouve encore, s"il en était besoin, l"importance de l"instrumentation, et par les réactions parfois de surprise devant cette attribution, le statut de reconnaissance marginale de l"instrumentation dans la conscience des progrès de la science.Et pour- tant le prix Nobel de G. C HARPAKétait déjà là pour nous rappeler cette importance. La science et l"ingénierie ont des relations étroites avec l"instrumentation. L"une a pour objectif de comprendre pour comprendre, l"autre de comprendre pour faire. Les deux sont nécessaires pour l"instrumentation, aux deux l"instrumentation est indispensable.Il n"y a pas d"instrumentation sans une compréhension approfondie de la science sous-jacente, mais la science ne pourrait se faire sans une instru- mentation performante.Cette instrumentation performante repose sur une ingénie- rie de pointe, et il n"est pas d"ingénierie de quelque sophistication qui ne repose sur une instrumentation de haute technicité. Est-ce à dire pour autant que l"instrumentation est seulement utilisatrice de science ? Ou servante de la science en train de se faire ? Ce serait mésestimer le besoin de science que l"instrumentation engendre. Prenons l"exemple du contrôle non destructif.Les ultrasons permettent d"analyser les défauts macrosco- piques des matériaux. Leur sensibilité à la microstructure, à la taille de grain est un domaine largement ouvert et qui demande des recherches fondamentales sur des matériaux modèles. De même, l"analyse du bruit B

ARKHAUSEN, actuellement

fondée grandement sur l"expérience accumulée, bénéficierait largement d"une compréhension de la dynamique collective des parois magnétiques en présence de potentiels d"ancrage divers.

8Préface

La détection des changements de phase, potentiellement destructeurs dans les réacteurs nucléaires, pourrait stimuler de nouvelles réflexions dans le corpus de connaissance associé au retournement temporel.Tous ces exemples nous montrent à l"évidence que si l"instrumentation nourrit les sciences, toutes les sciences, elle leur pose aussi des questions qui peuvent stimuler de nouvelles approches. Mais mon propos porte sur la position de l"instrumentation en général : que dire de spécifique sur l"instrumentation nucléaire ? Elle a un point commun avec l"instru- mentation spatiale embarquée : d"avoir toutes les exigences de l"instrumentation scientifique, avec toutes les difficultés d"un environnement particulièrement difficile. Avec en prime, pour l"instrumentation nucléaire, un rôle essentiel dans la sûreté des centrales, pour la santé des populations. Que ce soit pour les centrales actuelles dont il est souhaité la prolongation de la durée de vie, pour la gestion de l"aval du cycle du combustible, ou pour le développement de la quatrième génération de réac- teurs, l"instrumentation nucléaire jouera un rôle majeur.Il faut se garder de la fasci- nation de la performance, et chaque instrumentation implantée devra répondre à un objectif précis, mais nous ne développerons des réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium que si les méthodes de contrôle permettent d"assurer une détec- tion suffisamment précoce d"une fuite éventuelle ;par ailleurs, les réacteurs hybrides ADS utilisant le plomb fondu devront maintenir un contrôle distribué dans des volumes énormes de la teneur en oxygène du fluide. Je voudrais aussi souligner le rôle essentiel de l"instrumentation dans la numérisa- tion de l"industrie : l"Industrie 4.0. Une visite de l"usine de la Hague m"a convaincu que l"industrie nucléaire, précisément à cause des conditions de fonctionnement particulièrement drastiques de ses dispositifs, a de longue date pratiqué l"exploitation systématique de données fournies par une instrumentation de haute volée, et qu"elle a déjà vécu l"analyse des masses de données produites par cette instrumentation. La réflexion menée dans ces dernières années sur le rôle de la simulation numé- rique dans le nucléaire du futur, que ce soit les " jumeaux numériques » dont on parle tant, ou le couplage simulation expérimentation, montre la nécessité d"une ins- trumentation nucléaire poussée, non seulement sur les outils de recherche, mais sur le parc lui-même. Cette monographie de la DEN sur l"instrumentation nucléaire est bienvenue et elle arrive à point nommé : c"est l"instrumentation des équipements de recherche qui a permis d"asseoir solidement la science des réacteurs et de développer une énergie nucléaire fiable.C"est l"instrumentation, travaillant en lien étroit avec les simulations numériques et avec les nouvelles " sciences des données », qui permettra de déve- lopper le nucléaire du futur.

Yves B

RÉCHET

Haut-Commissaire à l"énergie atomique

9L"instrumentation et la mesure en milieu nucléaire

Introduction

L?invention du spectromètre par FRAUNHOFERen 1815 a per- mis d?explorer finement les propriétés spectrales des raies de lumière dans le spectre solaire donnant ainsi la première impulsion à la spectrométrie de rayonnement. Charles T HOMSONREESWILSONen essayant de reproduire en labora- toire la formation des nuages inventa en 1896 la chambre à brouillard qui allait non seulement ouvrir la voie à la mesure de la charge de l?électron par Robert M

ILLIKANen 1910 mais aussi

devenir un des principaux instruments de détection en phy- sique des particules. De fait, l?instrument de mesure est un outil indispensable à toute activité scientifique, technique ou industrielle. On peut même se demander si, par définition, l?instru- ment de mesure n?est pas consubstantiel aux sciences de la nature, et

à leurs applications

techniques. En effet, les lois de la nature, qui s?expriment dans le lan- gage des mathéma- tiques, mettent en rela- tion des quantités et grandeurs mesurables dont la connaissance est indissociable de la mise en œuvre de moyens instrumentaux dédiés.

Cela se retrouve, en

particulier, dans la multitude et la diversité des activités liées aux sciences et techniques nucléaires. La détection des rayonnements, et plus généralement les techniques de mesure et d?instrumentation nucléaire, restent au cœur des progrès de la connaissance dans les sciences nucléaires ; progrès de la connaissance, mais aussi garants de la sûreté d?exploitation des installations nucléaires et de la protection contre les rayonnements. Dès les débuts des études sur l?atome, la capacité de conduire des expériences a reposé sur la capacité de conce- voir et de réaliser l?instrumentation associée. Il en allait ainsi dans l?équipe de Frédéric J

OLIOT, au Fort de Châtillon, mais

aussi, de l?autre côté de l?Atlantique, dans l?équipe de Willard

L"instrumentation et la mesure :

une discipline scientifique transversale de plus en plus présente dans des systèmes de plus en plus complexes "Au commencement, les hommes, avec les instruments que leur fournissait la nature, ont fait quelques ouvrages très faciles à grand-peine et d?une manière très imparfaite, puis d?autres ouvrages plus difficiles avec moins de peine et plus de perfection, et en allant graduellement de l?accomplisse- ment des œuvres les plus simples à l?invention de nouveaux instruments et de l?invention des instruments à l?accomplisse- ment d?œuvres nouvelles, ils en sont venus, par suite de ce progrès, à produire avec peu de labeur les choses les plus difficiles 1 Il faudrait ainsi remonter très loin dans le temps pour trouver les premiers indices de besoin de mesure dans les activités humaines et donc d?instruments pour réaliser ces mesures, ne serait-ce que pour fabriquer des outils, bâtir des habita- tions, faire du commerce...

La lunette mise au point par G

ALILÉEen 1609 en est une

bonne démonstration et un bon exemple. Elle a marqué son époque, car, grâce à elle, il fit de nombreuses découvertes : les taches du soleil, les cratères de la lune, les satellites de Jupiter, l?anneau de Saturne, ainsi qu?une multitude d?étoiles invisibles à l?œil nu.

1. B. SPINOZA,Traité de la réforme de l"entendement.SPINOZAa travaillé

dans le domaine de l?instrumentation et de la mesure, puisqu?il gagnait sa vie comme tailleur et polisseur de lentilles en verre pour les instru- ments d?optique. Ces lentilles étaient très recherchées par les grands scientifiques de l?époque, tel le physicien Christiaan Huygens.

Fig. 2. Frédéric Joliot et Irène

Curie mesurant la radioactivité

à l?Institut du Radium de Paris.

©ACJC

Fig. 1. Galilée observant les astres avec sa lunette.

10Introduction

LIBBYqui " découvrit » le carbone 14, produit naturellement sous l?effet du rayonnement cosmique, par la simple mise en œuvre d?un dispositif permettant d?en mesurer l?activité.Après avoir révolutionné la physique et la médecine, les sciences nucléaires s?apprêtaient alors à révolutionner la connaissance de l?Homme et de son environnement. Aujourd?hui, les techniques de mesure nucléaire continuent de progresser et d?apporter, au sein des expériences de phy- sique des hautes énergies, une contribution essentielle à la recherche fondamentale et à notre connaissance de l?uni- vers et de ses lois fondamentales, la " physique des deux infinis ». Elles nous permettent également de piloter les réac- teurs nucléaires, de contrôler la dosimétrie des personnes potentiellement exposées au rayonnement, de contribuer à la santé publique dans le domaine du diagnostic et de la thé- rapie, d?assurer certains contrôles relatifs à la sécurité des transports, de vérifier la conformité de composants et de pro- cédés industriels, de contrôler la pollution, de lutter contre la prolifération nucléaire... Pas moins que tout cela, pourrait-on dire ! L?instrumentation nucléaire est donc une discipline transver- sale qui se développe à partir de défis que constituent les grands projets scientifiques ou industriels souvent confrontés à des environnements extrêmes. L?instrumentation et la mesure en milieu nucléaire, sont de ce point de vue, remar- quables du fait du nombre considérable de contraintes

qu?elles doivent intégrer. Elles constituent ainsi un élémentcrucial de la qualité des programmes scientifiques et tech-

niques dans différents domaines qui vont de la recherche fon- damentale jusqu?aux applications industrielles en passant par la recherche appliquée notamment aux réacteurs nucléaires, au cycle du combustible, à l?assainissement-démantèlement d?installations nucléaires et à la caractérisation des déchets radioactifs. Ce sont là les principaux domaines d?activité du CEA associés à la mise en œuvre de l?instrumentation et de la mesure pour les applications industrielles de l?énergie nucléaire.

L"instrumentation mise en œuvre

pour les applications industrielles de l"énergie nucléaire : une instrumentation soumise

à de rudes conditions

Il s?agit de l?instrumentation utilisée pour la mise en œuvre à l?échelle industrielle de l?énergie nucléaire qui concerne tout particulièrement la Direction de l?Énergie Nucléaire au CEA (CEA/DEN). La spécificité de cette industrie est l?utilisation de matières radioactives et la nécessité de protéger l?Homme et l?environ- nement d?une exposition excessive aux rayonnements ioni- sants dans les installations nucléaires ; aussi, requiert-elle une maîtrise totale du contrôle, du pilotage, de l?exploitation et de la sécurité de ses installations et des personnes.

Fig. 3. L?instrumentation et la mesure nucléaires de l?amont à l?aval du cycle du combustible nucléaire : exemples de mesures nécessaires

pour la caractérisation des produits et le contrôle des opérations.

Caractérisation du minerai

Caractérisation

Déchets radioactifs

in situ, conditionnésIdentification et caractérisation du produit fini

• Propriétés mécaniques

du combustible

• Caractérisation avancée

du combustible

• Examens non destructifs

Mesures en réacteur

expérimental sous conditions représentatives

Suivi, contrôle et radioprotection :

inspections, examens non destructifs• Caractérisation chimique et physique

• Contrôle U-Pu

• Contrôle de fonctionnement

Enrichissement

Fabrication

du combustible

Réacteur

de rechercheRéacteur de puissancePlutonium

Uranium

Retraitement

Entreposage, stockageConversion

Concentration

Mine

11L"instrumentation et la mesure en milieu nucléaire

De par cette spécificité, les instrumentations nécessaires concernent à la fois : • Les installations proprement dites, avec des mesures dites " conventionnelles » lorsqu?il s?agit notamment de grandeurs mécaniques, électriques et thermodynamiques comme les pressions et températures, mais adaptées à leur environne- ment radioactif quand cela est nécessaire, et également des mesures plus spécifiques de rayonnement ; • la surveillance permanente de l?environnement au moyen d?instruments capables de réaliser des mesures très fines de très bas niveaux de radioactivité (quelquesbecquerels*). Ces instrumentations spécifiques sont requises à chaque phase, depuis la conception jusqu?à la mise en œuvre d?ins- tallations nucléaires : • Dans les phases de définition/conception des installations et dispositifs avec les expérimentations et irradiations de qua- lification réalisées dans desmaquettes critiques*et dans desréacteurs expérimentaux d"irradiation*, notamment ; • dans les phases d?exploitation des réacteurs et égalementquotesdbs_dbs23.pdfusesText_29

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