High resolution and low-background gamma spectrometry for clad failure detection in Sodium Fast Reactors (SFR)

Les réacteurs de quatrième génération sont développés dans le but de renouveler la filière énergétique du nucléaire avec des réacteurs plus sûrs, optimisant la consommation du minerai uranium et produisant moins de déchets de vie longue. La France a investi dans le développement de la technologie des réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium. Par le passé, des prototypes ont été construits et exploités tels que RAPSODIE, PHENIX, SUPERPHENIX ; et depuis 2006, le CEA est en charge de la conception du futur prototype de cette filière : ASTRID. C’est dans ce cadre que les équipes du Commissariat à l’énergie atomique travaillent sur l’élaboration de moyens instrumentaux permettant de garantir l’intégrité absolue de la première barrière de confinement : la gaine des aiguilles combustibles. En effet, le niveau de sûreté à atteindre dans le programme génération 4 oblige l’exploitant à surveiller en continu la propreté du fluide caloporteur primaire. Pour assurer cette fonction de sûreté, différents systèmes sont implémentés tels que les systèmes de détection des neutrons différés (DND) et les systèmes de spectrométrie gamma. Ces systèmes sont en continuelle mutation depuis leurs premières exploitations par des programmes R&D assurant la prise en compte du retour d’exploitation de ces instruments et la remise à niveau en regard des avancées technologiques et des nouveaux moyens numériques de conception. L’instrumentation historique pour le suivi isotopique des gaz de fission par spectrométrie gamma est très bruitée et est compromise par la présence de lignes à retard d’environ 15 minutes nécessaires à la désactivation du 23Ne (T1/2 =38 s). De plus, l’autre source de bruit, i.e. l’41Ar, présentant une période de 110 minutes, n’a pas été filtrée par cette instrumentation. En effet, ce dernier ne perd que 7% de son activité dans ces lignes à retard.Au regard des exigences de sûreté fixées pour les RNR-Na, nous étudierons dans le cadre de cette thèse l’apport potentiel d’une instrumentation bas bruit au moyen d’un système à suppression Compton intégré au poste de mesure RNR-Na. L’enjeu majeur d’une telle instrumentation serait, d’une part, d’enrichir le diagnostic par la détection des produits de fission de courte période (~3 min), lesquels peuvent signer précocement une mise en contact entre le combustible et le caloporteur dangereuse pour la sûreté du réacteur, d’autre part, d’assurer une détection rapide par l’amélioration du temps de réponse de la mesure.Dans un premier temps, le terme source des produits de fission a été caractérisé par la mise en équation des différents phénomènes physiques régissant le comportement des gaz de fission dans un environnement de type RNR-Na faisant suite à une rupture de gaine. Des activités attendues des produits de fission sont ainsi estimées. Dans un second temps, nous avons procédé à l’étude numérique, au moyen de la méthode Monte Carlo, d’une instrumentation bas bruit, à sa validation expérimentale, puis à son optimisation. Enfin, nous avons implémenté la modélisation de la mesure spectrométrique bas bruit pour la problématique des ruptures de gaine dans le cadre d’un environnement RNR-Na. Des activités minimales détectables de produits de fission sont, d’abord, calculées puis comparées aux activités attendues. La plus-value de cette instrumentation pour l’application à la détection précoce des pertes d’étanchéité dans un environnement type RNR-Na sera alors exposée.Fourth generation reactors are being developed for renewing the nuclear energy industry with safer reactors that optimize uranium resources and produce less long-lived radioactive waste. France has focused on the development of SFR “Sodium Fast Reactor”. In the past, prototypes have been built and operated such as Rapsodie, Phénix, Superphénix. Since 2006, the CEA (French Atomic Energy Commission) has overseen the design of the future prototype of this technology: ASTRID. It is within this framework that teams at the French Atomic Energy Commission are working on the development of instrumental means to guarantee the absolute integrity of the first containment barrier: the fuel cladding. Indeed, the safety level to be achieved in the fourth-generation program requires the operator to continuously monitor the fission products released into the primary coolant. To ensure this safety function, various systems were implemented, such as delayed neutron detection (DND) and gamma spectrometry systems. These systems have been upgraded since their first operations through R&D programs in line with technological advances and new digital design methods.The historical gamma spectrometry instrumentation for clad failure monitoring is compromised by the presence of significant background that leads to delay lines of about 15 minutes necessary for the 23Ne (T1/2 =38 s) decay. In addition, the other background source, i.e. 41Ar, with a half-life of 110 minutes, was not filtered by this instrumentation. Indeed, it loses only 7 % of its activity in these delay lines.Regarding the safety requirement set for SFR, we will study in the frame of this work the potential contribution of a low background instrumentation by means of a Compton suppression system integrated into the SFR measuring device. The main goal of such an instrumentation would be, first, to strengthen the diagnostic of the detection of short-period fission products (about 3 min) which could indicate an early contact between the fuel and the coolant that can be dangerous for the reactor safety, second, to ensure a fast detection by improving the measuring response time.First, the source term of fission products was characterized by putting into equation various physical phenomena that govern the behavior of fission gas in an SFR environment following a clad failure. Expected fission products activities have been estimated. Second, we performed a numerical study, by means of the Monte Carlo method, of a low background instrumentation, from its experimental validation to its optimization. Finally, we implemented the model for the problem of cladding failure in the case of SFR environment. Minimum detectable activities have been estimated then compared to expected activities. The added value of this instrumentation for applications to the early detection of clad failures in an SFR environment will then be exposed