[PDF] Performances des capteurs à fibre optique basés sur les diffusions

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1

N°d'ordre NNT : 2019LYSES048

THESE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITE DE LYON opérée au sein du

Laboratoire Hubert Curien

Ecole Doctorale N° 488

Sciences, ingénierie, santé

Discipline de doctorat: Optique, photonique, hyperfréquences

Soutenue publiquement le 09/10/2019, par :

Isabelle Planes

Performances des capteurs à fibre

optique basés sur les diffusions

Brillouin, Rayleigh et Raman en

environnement sévère

Devant le jury composé de :

Président

Benabdesselam,

Mourad

Professeur/ Université de Nice Rapporteur

Bouazaoui,

Mohamed

Professeur/ Université de Lille Rapporteur

Delepine-Lesoille,

Sylvie

Ingénieure R&D/ Andra Examinatrice

Ouerdane, Youcef Professeur/ Université de Saint-Etienne Directeur Girard, Sylvain Professeur/ Université de Saint-Etienne Co-Directeur 2 3

Glossaire .................................................................................................................... 6

Partie I : Contexte global ............................................................................................ 7

Chapitre

1: Contexte ............................................................................................... 8

1.1 Expression du besoin .................................................................................... 8

1.2 Spécificités de l'environnement ................................................................... 10

1.3 Spécificités des capteurs à fibre optique

..................................................... 14

1.3.1 Fibre optique, généralités ..................................................................... 15

1.3.2 Instrument de mesure associé à son logiciel ........................................ 17

1.3.2.1 Rappels sur les différents types de diffusions de la lumière dans la

silice ........................................................................................................... 17

1.3.2.2 Diffusion Raman

............................................................................. 19

1.3.2.3 Diffusion Rayleigh

.......................................................................... 21

1.3.2.4 Diffusion Brillouin ............................................................................ 23

1.3.2.5 Association des diffusions Brillouin et Rayleigh

.............................. 25

1.3.2.6 Résumé des instruments disponibles ............................................. 27

Chapitre 2: Comment répondre au besoin de mesure de Cigéo ? ........................ 31

2.1 Effets des radiations sur les fibres optiques ................................................ 31

2.1.1 Effets des radiations sur les pertes de propagation .............................. 31

2.1.2 Effets des radiations sur l'indice de réfraction ....................................... 35

2.1.3 Impact des radiations sur la rétrodiffusion Raman ................................ 35

2.1.4 Impact des radiations sur la rétrodiffusion Rayleigh .............................. 37

2.1.5 Impact des radiations sur la rétrodiffusion Brillouin ............................... 38

2.2 Effets couplés des radiations et de la température ...................................... 39

2.3 Effets de l'hydrogénation ............................................................................. 41

2.3.1 Récents résultats sur les effets couplés des radiations et de l'hydrogène

sur la rétrodiffusion Raman ............................................................................ 44

2.4 Bilan sur les influences des radiations, de l'hydrogène et de la température

sur les fibres optiques ........................................................................................ 45

2.5 Solutions techniques disponibles pour simuler les conditions de Cigéo

...... 46

2.5.1 Méthodes et installations d'irradiations ................................................. 46

2.5.1.1 Montages expérimentaux ‘IRMA' .................................................... 47

2.5.1.2 Montage expérimental ‘MOPERIX' ................................................. 48

2.5.1.3 Montage expérimental ‘MOL' .......................................................... 49

2.5.2 Méthodes et matériels de mesure de RIA ............................................. 50

4

2.5.3 Méthodes et matériels de sollicitation thermique .................................. 52

2.5.4 Procédure et matériels de sollicitation sous hydrogène ........................ 52

2.5.5 Méthodes et matériels de sollicitation mécanique ................................. 53

Chapitre 3: Structure de la thèse et mise en place des moyens techniques ......... 56

3.1 Méthodologie et objectif ............................................................................... 56

3.2 Eléments retenus pour la thèse ................................................................... 58

3.2.1 Liste des fibres étudiées ....................................................................... 58

3.2.2 Caractéristiques des fibres dopées Ge, F et N ..................................... 63

3.2.2.1 Atténuations induites par les radiations .......................................... 63

3.2.2.2 Calibrations en température ........................................................... 65

3.2.2.3 Calibrations en déformation ............................................................ 67

3.2.3 Caractéristiques des fibres multimodes ................................................ 69

Partie II Résultats ..................................................................................................... 70

Chapitre 4: Réponse de l'interrogateur Raman

..................................................... 71

4.1 Effets des radiations .................................................................................... 71

4.1.1 Performances de la technologie DTS Silixa .......................................... 72

4.1.2 Performances de la technologie DTS Viavi ........................................... 77

4.2 Effets couplés de la température et des radiations (RDTS Silixa) ............... 78

4.3 Conclusion sur la

vulnérabilité de la rétrodiffusion Raman .......................... 81 Chapitre 5: Réponse de l'interrogateur Rayleigh .................................................. 83

5.1 Influence du choix de l'instrument de mesure Rayleigh

............................... 83

5.1.1 Comparaison des performances des technologies OFDR et TW-COTDR

pour la mesure de température ou de déformation ........................................ 84

5.1.2 Comparaison des performances des OFDR et TW-COTDR sous

radiation ......................................................................................................... 86

5.2 Effets des radiations sur les fibres

optiques ................................................ 88

5.3 Effets de l'hydrogène sur les fibres optiques ............................................... 91

5.4 Effets couplés de l'hydrogène et des radiations .......................................... 92

5.5 Effets couplés de la déformation et des radiations ...................................... 95

5.6 Effets couplés de la température et des

radiations ...................................... 98

5.7 Conclusion sur la vulnérabilité de la rétrodiffusion Rayleigh ........................ 99

Chapitre 6: Réponse de l'interrogateur Brillouin .................................................. 102

6.1 Effets de l'hydrogène sur la rétrodiffusion Brillouin .................................... 102

6.2 Effet des radiations sur la rétrodiffusion Brillouin

....................................... 104 5

6.3 Effets couplés de l'hydrogène et des radiations ........................................ 105

6.4 Effets couplés de la déformation et des radiations .................................... 106

6.5 Effets couplés de la température et des radiations .................................... 109

6.5.1 Influence croisée température

-radiation sur les diffusions Brillouin .... 109

6.6 Effets cumulés de la température, de la déformation et des radiations ..... 112

6.7 Influence du choix de l'instrument de mesure de rétrodiffusion Brillouin

... 115

6.7.1 Etude de la technologie PPP-BOTDA (Neubrescope) ........................ 115

6.7.2 Comparaison des performances des BOTDA et PPP-BOTDA ........... 118

6.7.3 Comparaison des performances des BOTDA et BOTDR sous radiation

..................................................................................................................... 119

6.8 Conclusion sur la vulnérabilité de la rétrodiffusion Brillouin ....................... 124

Chapitre 7: Conclusions générales de la thèse ................................................... 126 6

Glossaire

CFO : Capteur à Fibre Optique

HA : Haute activité

MA : Moyenne activité

VL : Vie Longue

RIA : Radiation Induced Attenuation

BOTDA : Brillouin Optical Time Domain Analyser

PPP -BOTDA : Pre-Pulse Pump Brillouin Optical Time Domain Analyser BOTDR : Brillouin Optical Time Domain Reflectometer

OFDR : Optical Frequency Domain Reflectometer

TW-COTDR : Tunable Wavelength Coherent Optical Time Domain Analysis

RDTS : Raman Distributed Temperature Sensors

LEP : Lignes d'Expansion du Pressuriseur

ON : Ouverture Numérique

AS : Anti-Stokes

S: Stokes

NBOHC : Non Bridging Oxygen Hole Center

RIE : Radiation Induced Emission

Andra : Agence Nationale pour la gestion des Déchets Radioactifs

LabHC : Laboratoire Hubert Curien

ALARA : As Low As Reasonably Achievable Cigéo : Centre Industriel de stockage GEOlogique

UJM : Université Jean Monnet, Saint-Etienne

7

Partie I

: Contexte global 8

Chapitre 1: Contexte

Ce chapitre introduit le contexte de ces travaux de thèse qui ont été réalisés en collaboration entre l'Andra (Agence Nationale pour la gestion des Déchets Radioactifs) et le laboratoire Hubert Curien (LabHC) de l'Université de Saint-Etienne (UJM). En particulier, l'expression du besoin de l'Andra en termes de capteurs de température et de déformation pour la surveillance des sites de stockage des déchets radioactifs est explicitée ainsi que les spécificités de l'environnement d'opération de ces capteurs. Enfin, la comparaison entre les avantages et les limitations des capteurs à fibre optique (ci-après CFOs) et des technologies existantes est menée afin de justifier du potentiel de ces systèmes pour les suivis

réguliers, déportés et répartis des évolutions des différentes grandeurs d'intérêt dans

les applications visées. 1.1

Expression du besoin

Les déchets radioactifs issus de l'activité nucléaire française doivent être traités dans

des filières spécifiques afin d'assurer une gestion la plus sûre possible. Celle-ci se base sur le principe ALARA -''As Low As Reasonably Achievable'' qui vise une exposition de l'homme et de l'environnement aussi faible que raisonnablement possible aux rayonnements ionisants [1].Ces filières de traitements sont adaptées à la dangerosité des déchets (de faible, moyenne et haute activités) et à leurs

évolutions dans

le temps (durée de vie) [2] [3]. Si nous prenons le cas des déchets ultimes provenant de l"exploitation du combustible nucléaire dans les centrales, ces derniers sont principalement des composés de haute activité (HA) dont le niveau de radioactivité peut s"élever à plusieurs milliards ou plusieurs dizaines de milliards de becquerels par gramme [4] [5]. Ces déchets à forte radio toxicité et à durée de vie très longue (des milliers d"années pour certains éléments) sont vitrifiés, placés dansquotesdbs_dbs27.pdfusesText_33

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