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RÉSUMÉ
Cet article a pour objet la mesure nucléaire non destructive utilisée dans le cycle du combustible nucléaire, plus spécifiquement la mesure passive pour laquelle les signaux à détecter sont obtenus sans stimulation externe. Il débute par la présentation des étapes du cycle du combustible, puis différencie méthode non destructive passive et méthode non destructive active. Sont ensuite exposées les méthodes passives les plus employées : la spectrométrie gamma et le comptage neutronique.
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Abdallah LYOUSSI : Chercheur au Commissariat à l’Énergie Atomique - Ingénieur en Génie atomique, Docteur en Physique nucléaire - Habilité à Diriger les Recherches en Physique - Expert Senior CEA en mesures nucléaires non destructives
INTRODUCTION
Le développement des techniques de mesure non destructive pour les besoins de contrôle, de caractérisation et d’analyse de matières radioactives a commencé avec la naissance de la science et des technologies nucléaires. En effet, la propriété qu’a un matériau, dit nucléaire, d’émettre, dans la majorité des cas, des rayonnements caractéristiques spontanés ou provoqués, a fait de sa détection et de sa quantification, via certaines de ses émissions, une démarche naturelle.
Cependant, l’établissement et l’utilisation des méthodes de mesure non destructive est resté limité jusqu’aux années 1960 ; début de la montée en puissance de l’industrie nucléaire.
Le contrôle, la surveillance et le suivi, aussi bien des matières radioactives que du bon fonctionnement des installations nucléaires se sont alors avérés essentiels et primordiaux pour les principales nations concernées.
C’est ainsi que les techniques de caractérisation non destructive ont connu leur première réelle impulsion et n’ont cessé, depuis, d’être constamment améliorées et adaptées.
La mesure nucléaire non destructive est aujourd’hui largement utilisée dans pratiquement toutes les étapes du cycle du combustible. Par conséquent, avant d’aborder ces méthodes, leur classification et leur description, nous avons jugé utile de consacrer un paragraphe à une brève présentation des principales étapes du cycle du combustible nucléaire français. Cela permettra de bien situer la problématique du contrôle et de la caractérisation.
Enfin, les mesures nucléaires non destructives sont maintenant utilisées dans de très nombreux secteurs (datation, climatologie, médecine…). Ces aspects, abordés dans d’autres ouvrages de la collection, ne sont pas traités dans le présent article. Il s’agit notamment de leur utilisation pour la surveillance de l’environnement et pour le contrôle nucléaire de procédé .
Cette première partie consacrée à la présentation de la problématique du contrôle et de la caractérisation et aux principales méthodes de mesure nucléaire non destructive passive est complétée par une seconde partie dédiée aux techniques de mesure nucléaire non destructive active.
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Mesure nucléaire non destructive : besoin et motivation
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2. Principales méthodes de mesure nucléaire non destructive passive
Les techniques de mesure nucléaire non destructive passive répondant aux critères ci-dessus 1.3 sont la spectrométrie gamma et le comptage neutronique. De plus ce sont indubitablement les méthodes nucléaires les plus employées pour les besoins de contrôle et de caractérisation d’objets radioactifs.
2.1 Spectrométrie gamma
Il s’agit de l’analyse de l’énergie et de l’intensité des rayonnements gamma émanant spontanément de l’objet à caractériser. Ces photons accompagnent la plupart des modes de désintégration radioactive et ont des énergies précises, caractéristiques des transitions qui ont lieu lors de la désexcitation et du retour vers l’état fondamental d’un isomère. Plusieurs transitions peuvent se produire dans un même noyau avec des probabilités différentes et conduire ainsi à l’émission de photons d’énergies différentes. Chaque isotope possède son propre spectre (figure 3).
La mesure de ces rayonnements au moyen d’un dispositif permettant de les classer en fonction de leur énergie (raies gamma) et l’analyse du spectre obtenu permettent d’identifier et de quantifier, étalonnage à l’appui, les radionucléides présents dans l’objet mesuré.
En effet, le nombre de photons émis à une énergie donnée est représentatif de la quantité de l’émetteur gamma. Ce nombre est proportionnel à l’aire sous le pic à cette énergie. Le spectre gamma est généralement constitué de plusieurs pics superposés à une distribution continue (diffusion...
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