FR2871896A1 - Procede et dispositif pour sonder la matiere nucleaire par photofission - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et un système pour sonder par photofission un objet contenant des éléments potentiellement radioémetteurs. L'objet est bombardé par un faisceau d'électrons d'énergie suffisante, et leur conversion en photons par Bremsstrahlung se produit directement au sein de l'objet à sonder, susceptible de comporter de la matière photofissile. Aucune cible n'est ajoutée au colis pour cette conversion.De façon préférentielle, l'objet à sonder est un colis de déchets radioactifs, dont le contenant est en béton absorbant épais.

Description

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" Procédé et dispositif pour sonder la matière nucléaire par photofission. " La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif pour sonder un objet contenant de la matière nucléaire. Cette dernière est irradiée au moyen d'un faisceau de particules dont l'énergie est suffisante pour provoquer une photofission d'éléments actinides contenus dans cette matière nucléaire.

La photofission est une fission nucléaire, c'est à dire la séparation du noyau d'un atome lourd avec libération d'une certaine énergie, provoquée par l'incidence de photons énergétiques, notamment sur des actinides tels que l'uranium et le plutonium. La désexcitation d'un atome impacté donne lieu à l'émission de neutrons prompts, et à une quantité bien plus faible de neutrons retardés. Un détecteur de neutrons permet notamment de détecter les actinides en présence.

La présente invention trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine de la caractérisation des colis de déchets nucléaires, en vue de déterminer notamment leur lieu de stockage. On entend par colis, des fûts de déchets bétonnés d'un diamètre de l'ordre du mètre ou plus, ou encore des containers métalliques dont le volume peut atteindre plusieurs mètres cubes. Il est par ailleurs important, lors du stockage des déchets radioactifs, de connaître la nature et l'activité des radioémetteurs et en particulier des actinides.

On connaît le document US 4 617169 (Brodzinski) qui propose une méthode passive pour la détection de matière nucléaire dans un colis de déchets. Cette méthode n'utilise pas de particules sonde. A l'aide de détecteurs à la fois gamma et neutron placés à l'extérieur du colis, on essaye d'extraire soit les raies gamma caractéristiques d'un noyau radioactif présent, soit les émissions de neutrons le cas échéant. Cette technique est d'ailleurs couramment utilisée 2871896 - 2- pour caractériser les colis de déchets nucléaires. Elle ne permet cependant pas de déterminer les émetteurs alpha, rayonnements qui sont entièrement arrêtés dans le colis et ne permet pas de sonder les colis de grandes dimensions contenant de faibles quantités de matière radioactive.

On connaît également des méthodes actives, plus sensibles et permettant d'avoir une limite de détection nettement plus faible. Dans ces méthodes, les déchets sont soumis à un flux de neutrons et/ou photons, lui-même obtenu par bombardement électronique d'une cible placée au voisinage immédiat du fût de déchets.

Les particules-sonde utilisées sont soit des photons, soit des neutrons, soit les deux réunis.

Les photons, généralement de type gamma, peuvent être produits soit par décroissance radioactive, soit par Bremsstrahlung. Dans ce cas, un faisceau d'électrons d'énergie suffisante (plusieurs MeV) frappe une cible généralement en tungstène, et le passage des électrons au voisinage très proche des atomes de la cible donne lieu au rayonnement de freinage caractérisé par un photon gamma, d'énergie au plus égale à l'énergie de l'électron incident.

Les neutrons, qui constituent l'autre alternative, peuvent être produits soit directement par une source de neutrons, soit à partir de réactions nucléaires, par bombardement d'une cible de Béryllium constituant un convertisseur. Ainsi le document US 4 497768 (Caldwell) propose d'évaluer uniquement les quantités de matière fissile ou fertile dans un échantillon à partir d'une irradiation pulsée de photons gamma et neutrons. Le document US 5 495106 (Matsny) propose un montage pour mesurer des contaminations éventuelles dans le sol à partir d'une irradiation pulsée de rayons X. Le document US 5 838759 (Armistead) propose un outil de prévention de contrebande de matière nucléaire par bombardement de rayons X ou de neutrons sur des containers mobiles par rapport à l'émetteur de rayons X. Le document FR 2 726090 (équivalent US 5 828069) (Umiastowski) décrit une enceinte de comptage de - 3- neutrons comportant des couches de modérateurs de neutrons et des couches de cadmium pour blindage.

On connaît enfin le document FR 2 764383 (équivalent US6452992) (Umiastowski) qui sera décrit ci-après de manière plus détaillée. D'une façon générale l'interaction d'un photon de quelques MeV avec un noyau peut si l'excitation est suffisante fournir assez d'énergie aux nucléons pour provoquer des réactions nucléaires. Le noyau se désexcite en émettant généralement soit un (ou plusieurs) photon, soit un (ou des) neutron, soit, plus rarement, des particules chargées (p,a,...). Dans le cas des actinides, le noyau excité peut également se désintégrer en fissionnant. Il existe un domaine d'énergie pour lequel la section efficace de capture des photons par le noyau est relativement élevée.

C'est le domaine de la Résonance Géante Dipolaire (GDR). Pour des énergies intermédiaires (allant typiquement de 25 MeV pour les noyaux légers à 12 MeV pour les plus lourds), le noyau est alors excité sur un mode collectif, traduisant un mode de résonance électrique dû au mouvement relatif des protons par rapport aux neutrons. L'intégrale de la section efficace totale est donnée par la règle de somme dipolaire ce J6. dEz-

NZ A

mbarn.MeV i où N, Z et A désignent classiquement le nombre total de neutrons, protons et nucléons.

L'on voit que la GDR peut induire des sections efficaces d'une fraction de barn, du même ordre de grandeur que les réactions nucléaires standard (interaction forte), par exemple neutroniques, bien qu'elle soit d'origine électromagnétique. C'est donc, à ces énergies de photons, un phénomène physique d'importance.

Pour les actinides mineurs, les voies de désexcitation majeures sont l'émission neutronique, principalement (y,n) 35 et (y,2n), et la photofission (désintégration par fission).

2871896 - 4- Il se trouve que ces trois voies sont pratiquement équiprobables. La fission contribue donc pour pratiquement (1/3) de la section efficace photonucléaire totale et intégrée.

Le document FR 2 764383 (équivalent US6452992) décrit un système tel qu'illustré sur la figure 1. On distingue un convertisseur 1 utilisé pour générer des photons gamma à partir d'électrons fournis par un accélérateur 5 de particules. Lorsque les électrons s'approchent très près du noyau des atomes de la cible constituant le convertisseur 1, ils génèrent un rayonnement de freinage et perdent de l'énergie. Plusieurs interactions de ce type ont lieu successivement, jusqu'à ce que les électrons aient perdu l'essentiel de leur énergie. Les photons 2 traversent l'air pour être envoyés sur le colis 3 à sonder. Ce sont donc les photons qui sont utilisés comme sonde. La détection se fait grâce à des détecteurs 4 de neutrons placés tout autour du colis. Du fait de l'importance du "flash gamma" lors de l'envoi du paquet d'électrons, les détecteurs 4 sont aveuglés de deux manières. D'une part, l'énorme quantité de photons gamma produits par Bremsstrahlung à partir du faisceau d'électrons peut créer des ionisations dans les détecteurs de neutrons. D'autre part, la cible de conversion ayant un numéro atomique élevé, produit, sous l'effet de l'irradiation photonique, des neutrons parasites en quantité supérieure aux neutrons prompts issus de la photofission.

Selon l'art antérieur enseigné par les documents US4497768 et US6452992 utilisant une sonde de photons, le "flash gamma" induit un bruit de fond supérieur de plusieurs ordres de grandeur aux signaux utiles. Une solution proposée par le document US4497768 consisterait à d'abord thermaliser les neutrons puis à mesurer les neutrons prompts issus des réactions de fission induites par neutrons c'est-à-dire environ 0,5 ms à 2,5 ms après le flash, en entourant les détecteurs de cadmium afin d'absorber les neutrons thermalisés lents. La conséquence immédiate en est la 2871896 5- génération d'un environnement neutronique très important (bruit neutronique) noyant le signal utile.

Un autre document, US5838759, recourt à une source radioactive et un convertisseur au Béryllium pour générer des neutrons comme particulesonde, puis mesure les raies gamma caractéristiques des éléments ayant capturé un neutron à l'aide de détecteurs gamma. Toutefois, même par cette technique un flash de neutrons aveugle les détecteurs et contraint à n'effectuer les mesures qu'après ce flash.

Enfin, un document US5495106 propose d'utiliser des rayons X (en réalité des rayons gamma produits par Bremsstrahlung d'électrons impactant une cible) pour créer de la photofission dans les contaminants présents dans le sol: l'uranium, le plutonium et le Béryllium. Puis il propose de mesurer, jusqu'à 100 ms après le pulse de photons, les neutrons qui ont été produits par ces contaminants.

Il est donc nécessaire d'inhiber les détecteurs 4 pendant le "flash gamma", ce qui limite ce système à la mesure des neutrons retardés, arrivant bien après le flash.

Cette limitation a pour conséquence l'impossibilité d'identifier les actinides présents dans le colis, ce qui constitue une première limitation de cette méthode.

De plus, généralement, le colis est sondé globalement car une fois créés, les photons continuent leur parcours en ligne droite, sans pouvoir être dirigés sur un endroit précis du colis. La localisation fine du déchet à l'intérieur du colis n'est donc pas possible dans ce système selon l'art antérieur.

Par ailleurs, le spectre de ces photons de Bremsstrahlung s'étend de zéro à l'énergie maximale de l'électron incident (cas rare où l'électron s'arrête et rayonne toute son énergie). Ce spectre est par exemple illustré à la Figure 2 où un électron de 50 MeV frappe un convertisseur en tungstène de 5 mm d'épaisseur. La densité 2871896 - 6- de photons décroît exponentiellement avec l'énergie, la majorité des photons étant émis à basse énergie. Dans cet exemple, chaque électron émet en moyenne une quarantaine de photons dont seulement 0,6 se trouvent dans la gamme d'énergie "utile" pour la GDR, c'est-à-dire entre 10 et 20 MeV.

Si les photons émis interagissent avec un noyau d'actinide présent dans la cible à sonder, ceux d'entre eux ayant la bonne énergie pourront exciter une résonance géante dipolaire GDR et éventuellement faire fissionner le noyau.

Lors de la fission, des neutrons sont émis lors de la désexcitation: ce sont les neutrons prompts. Mais les fragments de fission sont généralement eux-mêmes radioactifs, et dans des états excités. Certains émettent des neutrons avec un temps de retard par rapport à la fission elle-même (dépendant donc de la durée de vie dudit fragment): ce sont les neutrons retardés.

La détection de la quantité d'actinides repose sur la mesure du nombre de ces neutrons retardés, après qu'une bouffée d'électrons a été envoyée par l'accélérateur sur la cible, produisant un flash gamma.

La quantité de neutrons retardés produits par la photofission est proportionnelle à la masse d'actinides présente, selon la relation linéaire: n* /s a m[g}I[m] Le nombre de neutrons retardés émis par seconde est proportionnel à la masse d'éléments pouvant fissionner (par photofission) et au courant moyen d'électrons. Le coefficient de proportionnalité dépend du rendement photonique, du transport et de l'atténuation de ces photons et des sections efficaces des différents éléments considérés.

Il faut noter que la méthode selon le document FR 2 764383 (équivalent US6452992) permet par la mesure du nombre de neutrons retardés de déduire la masse totale des - 7 actinides dans une cible. C'est donc une mesure très intéressante car rapide (de quelques minutes à quelques heures, une fois le colis en place) et non destructive. Toutefois, elle ne permet pas l'identification directe des différents actinides.

Une seconde limitation de cette méthode, selon le document FR 2 764383 (équivalent US6452992), réside dans le fait qu'elle ne mesure que la masse des actinides et non leur activité.

En effet, les neutrons retardés sont émis à l'intérieur du colis, en nombre n* proportionnel à l'intensité du faisceau d'électrons et à la masse mg d'actinides présents dans le colis. Après émission, ils subissent des chocs répétés et des ralentissements, puis diffusent vers l'extérieur du colis et traversent l'air ambiant avant d'atteindre un détecteur. Ce processus fait que le nombre de neutrons retardés détectés est une faible fraction des neutrons émis, principalement à cause de l'absorption dans le colis.

La proportion de neutrons retardés détectés sera d'autant plus importante que la distance à parcourir à l'intérieur du colis du déchet sera faible. Elle dépend donc fortement de la position de l'actinide à l'intérieur de ce colis. Si d désigne la distance séparant la position de l'actinide de l'extérieur du colis, le nombre n* de neutrons détectés sera donc lié au nombre d'impulsions S par secondes du détecteur par la relation approximative: -ad* S[cozq,s/s] a e n Le coefficient de proportionnalité intègre la géométrie du dispositif (angle solide) et l'efficacité du détecteur utilisé (nombre de coups par neutron arrivant sur le détecteur). En toute rigueur, le coefficient a ainsi que le coefficient de proportionnalité dépendent de l'énergie du neutron. Mais en pratique on peut admettre que le spectre en 2871896 - 8- énergie des neutrons retardés est identique à celui de la fission classique (induite par neutrons) d'énergie moyenne autour de 450 keV. Ceci permet d'éliminer l'incidence de la répartition spectrale qui peut différer selon le type d'actinide présent dans le colis de déchets. Dès lors il ne reste plus que deux inconnues: la quantité m de matière radioactive, et sa localisation à l'intérieur du colis que l'on exprime par sa distance d à un détecteur donné. Pour déterminer ces deux inconnues, on recourt soit à plusieurs détecteurs, soit à plusieurs mesures en faisant par exemple tourner le colis autour de son axe central. Afin d'améliorer la précision des mesures, les deux peuvent être conjointement réalisés.

La relation directe entre le nombre de coups mesurés sur le détecteur et la masse totale d'actinides: S[coups/s] = A.m[g]I[yA] peut alors s'écrire en considérant A comme un paramètre dépendant de mesures préalables (calibration). Elle établit bien que le nombre S d'impulsions par seconde mesuré par les détecteurs est proportionnel à la masse m d'actinides présents dans le colis.

Chaque détecteur sera donc calibré pour avoir la valeur exacte correspondante de son coefficient de proportionnalité A. L'épaisseur de matière traversée d étant inconnue, on peut en utilisant plusieurs détecteurs (théoriquement deux situés à 180 de part et d'autre du colis devraient être suffisants), en déduire les deux inconnues d et m. Bien entendu, dans le cas fort probable où plusieurs actinides situés à plusieurs endroits émettent, il faudrait sommer leur différente contribution.

Une troisième limitation de cette méthode, selon le document FR 2 764383 (équivalent US6452992), réside dans le bruit qui limite la sensibilité du système à une valeur trop élevée pour permettre de classer le colis en une catégorie 2871896 - 9- de stockage, et déterminer le lieu où il doit être entreposé.

L'expérimentation montre que cette limite de détection est d'environ 5 g/t pour des électrons de 15 MeV. Bien entendu, si l'actinide n'est pas au centre du colis, ou si le colis est de taille plus petite, la limite de sa détection sera d'autant plus faible (variation exponentielle).

Mais cette limite de 5 g/t est bien trop élevée pour que cette technique puisse être utilisée pour l'orientation de l'exutoire des colis en vue de leur déclassement éventuel de déchet B vers A. En effet, prenons par exemple un colis contenant des déchets nucléaires enrobés par du béton de densité moyenne 1,74. Le poids total du colis est de 4,7 tonnes pour des dimensions de 1,5x1,5x1,2 m. Supposons également que ce colis contienne principalement du 239Pu.

L'activité maximale admissible (pour l'isotope considéré) pour le stockage d'un colis TFA est de 100 Bq/g. Or la radioactivité du 239Pu est de 2,284 GBq/g. On en déduit que la limite de classification TFA de ce type de colis doit être telle que 43,8mg/t Pour ce colis qui fait environ 4,7 tonnes, il sera donc nécessaire de détecter des masses inférieures à 200 mg. L'on voit qu'il sera nécessaire d'obtenir des sensibilités de détection environ 100 fois plus faible que celles qu'il est possible d'atteindre par le système du document FR 2 764383 (équivalent US6452992).

En d'autres termes, les principaux inconvénients des systèmes de l'art antérieur et en particulier du document FR 2 764383 (équivalent US6452992) sont les suivants: D'une part les neutrons à l'intérieur du fût de déchets ont un trajet mal maîtrisé, ce qui ne permet pas d'atteindre toutes les zones de ce fût, et d'autre part l'énorme 2871896 - 10- quantité de neutrons (produits par l'impact des photons sur la cible) aveugle tous les détecteurs, au point de rendre impossible une mesure des neutrons prompts. Seuls les neutrons retardés peuvent efficacement être mesurés, et la sensibilité des mesures en est grandement affectée. Enfin, le rendement du procédé est extrêmement faible, une très petite partie des photons émis ayant une énergie suffisante pour déclencher une réaction de photofission.

En outre, lorsque le flux de déchets est soumis non plus à des neutrons mais à des photons très énergétiques (produits par l'impact d'électrons sur une cible placée au voisinage immédiat du fût de déchets), la répartition dans toute la section utile est a priori uniforme, ce qui constitue un avantage important. Toutefois la profondeur de pénétration des photons est faible, et la très grande majorité d'entre eux, insuffisamment énergétiques, s'arrêtent dans les tout premiers centimètres, ce qui ne permet pas de connaître la composition du fût dans la totalité de son épaisseur. Enfin, si les photons produits par l'impact d'électrons se dirigent à priori en ligne droite (selon la direction d'incidence de l'électron qui les a créé), l'ensemble du faisceau de photons est néanmoins affecté d'une certaine divergence, suffisante pour aveugler le détecteur de neutrons.

Plus généralement, la méthode selon le document FR 2 764383 (équivalent US6452992) présente les trois inconvénients suivants: d'une part mesure de la masse des actinides et non de leur activité, d'autre part l'impossibilité d'identifier les actinides présents, enfin l'impossibilité d'abaisser suffisamment la limite de sensibilité pour déterminer la catégorie dans laquelle le déchet doit être stocké.

La présente invention a pour but d'améliorer les systèmes de l'art antérieur en proposant un dispositif capable de détecter efficacement et simplement les neutrons prompts et retardés.

2871896 - 11- On sait en effet que le rapport entre les neutrons prompts et les neutrons retardés varie fortement avec le type d'actinide considéré. La présente invention permettant la mesure des neutrons prompts en plus de la mesure des neutrons retardés, permet de déterminer ce rapport est donc de déterminer le type d'actinides présents dans le colis.

La présente invention a encore pour but un procédé actif présentant une grande sensibilité de détection, et apte à focaliser cette sensibilité sur une zone précise à l'intérieur du colis. Elle a aussi pour but une mesure précise de toute quantité d'actinides présents dans un objet de grande taille.

On atteint au moins l'un des objectifs précités avec un nouveau procédé pour sonder un objet contenant des éléments potentiellement radioémetteurs. On irradie cet objet au moyen d'un faisceau de particules dont l'énergie est suffisante pour provoquer une photofission des éléments radioémetteurs de l'objet. On mesure les neutrons produits par photofission au moyen d'au moins un détecteur de neutrons. Selon l'invention, les particules qui sondent l'objet par photofission sont des électrons irradiant directement l'objet, et la conversion des électrons en photons aptes à générer la photofission est effectuée directement par l'objet à sonder. Contrairement à l'art antérieur, on utilise ici directement les électrons pour frapper l'objet à sonder, et on n'ajoute devant ou à l'intérieur de cet objet aucune cible en métal lourd, comme par exemple le tungstène, pour convertir les électrons en photons aptes à générer la photofission des éléments potentiellement radioémetteurs.

L'objet à sonder est généralement constitué d'un contenant périphérique, et d'un contenu qui occupe la partie centrale. Lorsque cet objet est un colis de matière nucléaire, le contenant est généralement en béton absorbant, épais, et le contenu comporte de la matière nucléaire.

2871896 - 12- Dans le cas d'un tel colis comportant une forte épaisseur de béton absorbant, entourant de la matière nucléaire, l'invention est particulièrement avantageuse puisqu'elle donne lieu à du rayonnement de freinage majoritairement au niveau de ce contenant en béton. Or les constituants du béton ont un faible numéro atomique, en moyenne autour de 20 (le composant le plus lourd, le baryum de numéro atomique 56 étant en très petite quantité), ce qui fait que la réaction de photofission n'y crée pratiquement pas de neutrons directs de nature à aveugler les détecteurs.

De façon plus générale, on favorise la mesure en disposant autour de l'objet à sonder ou dans son contenant un matériau ayant un numéro atomique suffisamment élevé pour que les réactions de Bremsstrahlung soient en nombre suffisant pour la photofission, et suffisamment faible pour limiter la production de neutrons. A titre indicatif, on peut situer cette plage, de façon non limitative, entre 10 et 50.

Par ailleurs, on sait qu'aux énergies considérées, la conversion électronphoton s'effectue sur un matériau à numéro atomique élevé, comme le tungstène, en quelques mm. Lorsqu'elle s'effectue dans du béton, cette conversion s'effectue en plusieurs dm, de sorte que si l'épaisseur du béton est moindre que cette distance, il reste des électrons non convertis en photons qui impactent directement les déchets contenus dans l'objet.

Dans ce cas, des électrons rencontrant directement un morceau de matière potentiellement fissile, comme par exemple de l'uranium, se convertissent en photons en quelques mm, puis immédiatement après peuvent donner lieu à une réaction photonucléaire. Ainsi une épaisseur suffisamment faible du contenant permet de bénéficier de la plus grande facilité de diriger des électrons plutôt que des photons.

En résumé, l'invention permet d'utiliser pleinement la directivité des électrons pour explorer le contenu de l'objet en choisissant un contenant en matériau de numéro 2871896 - 13- atomique suffisamment faible, et en lui donnant une épaisseur suffisamment faible pour qu'une partie suffisante des électrons le traversent avant d'être convertis en photons. Par partie suffisante, on entend une quantité suffisante pour que les réactions de photofission qui s'ensuivent puissent être mesurées avec un rapport signal sur bruit compatible avec les besoins.

Les caractéristiques ci-dessus se conjuguent pour localiser les réactions de photofission au plus près possible des matières nucléaires du colis, et, si on le souhaite, pour les répartir de manière relativement homogène sur tout le volume des matières nucléaires à sonder.

Le procédé selon l'invention présente de nombreux avantages.

Un premier avantage est que les électrons peuvent être manipulés plus facilement que des photons: on peut varier la dimension du faisceau d'électrons de manière à faire varier la précision de l'irradiation, on peut focaliser le faisceau d'électrons sur une partie de la matière nucléaire, on peut transporter les électrons, les dévier, effectuer un balayage bien ciblé ou délimité, etc... On peut ainsi faire en sorte que le faisceau d'électrons balaye tout ou partie de la matière nucléaire, voire la totalité de l'objet à sonder qui peut être un fût par exemple. Le faisceau d'électrons est alors en mouvement par rapport à l'objet. De la même manière, on peut mettre l'objet en mouvement de translation et/ou rotation par rapport au faisceau d'électrons de façon à ce que le faisceau d'électrons irradie tout ou partie du contenu du colis.

De préférence, le faisceau d'électrons qui irradie le colis est pulsé, et ledit au moins un détecteur de neutron détecte les neutrons retardés, générés par la photofission, après le flash résultant de l'impulsion du faisceau d'électrons. Ledit au moins un détecteur de neutrons peut 2871896 - 14- également détecter les neutrons prompts émis pendant l'impulsion du faisceau d'électrons.

Avantageusement, dans la mesure où les électrons perdent très rapidement leur énergie dans l'air et se dispersent facilement, on peut irradier la matière nucléaire en transportant le faisceau d'électrons via une ligne sous vide.

Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, en balayant l'objet au moyen du faisceau d'électrons, on détecte simultanément des particules émises par les parties balayées de façon à localiser la matière nucléaire au sein de l'objet.

Le second avantage consiste en ce que les électrons ont un pouvoir de pénétration dans la matière. De ce fait, ils peuvent atteindre au plus près les actinides présents dans le colis, et augmentent donc les chances d'une réaction nucléaire. Il en résulte une amélioration considérable du rendement énergétique et une plus grande sensibilité de mesure.

Le troisième avantage réside en ce que l'utilisation directe d'électrons permet de minimiser le bruit induit par des gammas lors du premier impact (flash gamma de Bremsstrahlung) qui aveugle les détecteurs de neutrons. Ainsi, lorsque le faisceau d'électrons irradie la matière nucléaire sous forme d'au moins une impulsion, on peut détecter et mesurer des neutrons prompts émis pendant l'impulsion. On peut également détecter et mesurer les neutrons retardés émis après l'impulsion. La présente invention permet donc à la fois la mesure du flux de neutrons prompts et la mesure du flux de neutrons retardés. La seconde mesure permet de déterminer la masse d'actinides comme enseigné dans les documents FR 2 764383 (équivalent US6452992) ou US4497768, mais avec une résolution bien meilleure (absence de bruit, meilleure répartition des photons-sonde). Avantageusement, le rapport de ces deux mesures permet de déterminer en outre la composition isotopique d'actinides présents dans la matière (éléments - 15radioémetteurs). En effet, comme déjà vu, les divers actinides présentent un rapport de neutrons prompts sur neutrons retardés différent. La mesure expérimentale de ce ratio sera donc une caractéristique de l'isotope considéré.

On peut aussi déterminer la quantité totale d'actinides présents dans les éléments radioémetteurs à partir des neutrons prompts et des neutrons retardés mesurés.

Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif pour sonder un objet contenant des éléments radioémetteurs. Ce dispositif comprend des moyens pour irradier ledit objet au moyen d'un faisceau de particules dont l'énergie est suffisante pour provoquer une photofission des éléments radioémetteurs de l'objet, et au moins un détecteur de neutrons pour mesurer les neutrons produits par photofission. Selon l'invention, lesdites particules sont des électrons irradiant directement la matière nucléaire, la conversion des électrons en photons aptes à générer la photofission étant effectuée directement par l'objet à sonder. De préférence on transporte le faisceau d'électrons via une ligne sous

vide dont la fenêtre de sortie est mise en contact avec l'objet. Avantageusement, les moyens de détection des neutrons prompts sont disposés derrière l'objet lorsque le faisceau d'électrons arrive par l'avant de cet objet.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique simplifiée d'un dispositif de caractérisation de déchet nucléaire selon l'art antérieur; la figure 2 est un graphe illustrant le spectre de photons émis par Bremsstrahlung pour un électron d'énergie 50 MeV sur une cible de tungstène de 5mm d'épaisseur, selon l'art antérieur; et 2871896 - 16- - la figure 3 est une vue schématique simplifiée d'un dispositif de caractérisation de matière nucléaire selon la présente invention.

Bien que l'invention n'y soit pas limitée, on va maintenant décrire un exemple de réalisation permettant la caractérisation d'un déchet de petite taille à l'intérieur d'un colis de grande taille.

Sur la figure 1, on voit un objet à sonder 6 de grande taille renfermant une très petite quantité de matière nucléaire 7, un actinide. Cette matière 7 est localisée en un point précis au sein de l'objet 6. On distingue un accélérateur d'électrons 8 émettant, sous forme pulsée, un faisceau d'électrons 13 destiné à frapper la matière nucléaire 7. Ce faisceau 13 est transporté par une ligne sous vide 9 qui est un tube sous vide reliant la sortie de l'accélérateur 8 à l'objet à sonder 6. Toutefois, pour pouvoir balayer le faisceau d'électrons 13, on installe un dispositif de balayage 10 à base d'éléments magnétiques de déviation (techniques bien connues dans le domaine des accélérateurs) qui est commandé par une unité de traitement (non représentée) pour une localisation fine de la matière nucléaire 7 dans l'objet 6 ou pour tester une très grande surface, éventuellement l'ensemble de l'objet d'une seule traite. On prévoit également une fenêtre de sortie à l'extrémité de la ligne sous vide 9. Cette fenêtre peut venir en contact, hors dispositif de balayage 10 par exemple, avec l'objet 6 de façon à éviter un passage du faisceau d'électrons dans l'air.

La présente invention permet de mesurer les neutrons prompts émis pendant l'impulsion d'électrons, tout en continuant à mesurer les neutrons retardés issus de l'objet à sonder, donc de quelques ms à 100 ms, voire plus après l'impulsion. Pour ce qui est des neutrons retardés, les dispositifs sont identiques à ceux décrits dans les documents FR 2 764383 (équivalent US6452992) ou US4497768.

Pour ce faire, des détecteurs 11 de neutrons retardés sont disposés autour de l'objet 6. Par contre, pour les neutrons 2871896 - 17- prompts, l'utilisation des électrons comme faisceau sonde permet de s'affranchir du bruit de fond du "flash gamma". En effet, les électrons ne frappant qu'une faible partie de la surface de l'objet, finiront (ainsi que toutes les diverses particules produites par les réactions successives dans l'objet) soit par être rétrodiffusés (vers l'arrière), soit par être absorbés dans l'objet lui-même. On peut ainsi mesurer les neutrons prompts émis pendant le pulse avec des détecteurs 12 de neutrons prompts. On montre que la position optimale de ces détecteurs du point de vue du rapport signal/bruit est de les placer derrière l'objet à sonder. Le signal de neutrons prompts détectés (beaucoup plus intense que celui des neutrons retardés cité précédemment) est utilisé pour en déduire la quantité de matière nucléaire présente dans le colis. Le signal de neutrons retardés est également mesuré entre deux impulsions. D'ailleurs, c'est la conjonction des deux informations simultanées (signal prompts et signal retardés) qui permet, en effectuant leur ratio, de remonter à l'isotope de l'actinide testé. Un mouvement de l'objet (vertical et/ou en rotation autour de l'axe vertical) permet de localiser précisément l'endroit où la matière 7 se trouve dans l'objet 6. La précision est déterminée par la dimension du faisceau d'électrons 13. Or, et précisément grâce au procédé d'électrons-sonde directe selon l'invention, la taille du faisceau d'électrons peut être aussi petite que l'on souhaite (dans la limite de l'émittance du faisceau), en plaçant tout simplement une focalisation (non représentée) adéquate dans la ligne de transport sous vide 9.

Une autre particularité de la présente invention concerne la largeur d'impulsion du faisceau-sonde. Alors qu'avec des photons ou des neutrons, les impulsions utilisées sont en général très intenses (jusqu'à 200 mA) et très brèves (en général inférieures à 4 s), on montre que dans le cas présent, des impulsions longues par exemple 4 ms, soit mille fois plus élevées pourront aussi bien être - 18- utilisées avec des intensités qui pourront donc être nettement plus faibles, quelques microampères suffisent.

Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (22)

- 19-REVENDICATIONS

1. Procédé pour sonder un objet (6) contenant des éléments potentiellement radioémetteurs, dans lequel on irradie ledit objet au moyen d'un faisceau (13) de particules dont l'énergie est suffisante pour provoquer une photofission des éléments radioémetteurs de l'objet, et on mesure les neutrons produits par photofission au moyen d'au moins un détecteur de neutrons, ce procédé étant caractérisé en ce que lesdites particules (13) sont des électrons irradiant directement l'objet, et en ce que la conversion des électrons en photons aptes à générer la photofission est effectuée directement par l'objet (6) à sonder.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'objet à sonder est un colis de déchets radioactifs renfermant des matières nucléaires.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé 20 en ce que l'objet à sonder comporte un contenant constitué de béton, et un contenu comportant les matières nucléaires.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le faisceau d'électrons qui irradie le colis est pulsé, et que le au moins un détecteur de neutron détecte les neutrons retardés, générés par la photofission, après le flash résultant de l'impulsion du faisceau d'électrons.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le au moins un détecteur de neutrons détecte également les neutrons prompts émis pendant l'impulsion du faisceau d'électrons.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on détermine la composition isotopique d'actinides 2871896 - 20- présents dans les éléments radioémetteurs à partir du ratio des neutrons prompts aux neutrons retardés mesurés.

7. Procédé selon les revendications 4 et 5, ou 6,

caractérisé en ce qu'on détermine la quantité totale d'actinides présents dans les éléments radioémetteurs à partir des neutrons prompts et des neutrons retardés mesurés.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on irradie l'objet à sonder en transportant le faisceau d'électrons jusqu'à l'objet par une ligne sous vide (9).

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau d'électrons balaye tout ou partie de l'objet à sonder.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on met l'objet (6) à sonder en mouvement par rapport au faisceau d'électrons de façon à ce que le faisceau d'électrons irradie tout ou partie de l'objet à sonder.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on fait varier la dimension du faisceau d'électrons de manière à faire varier la précision de l'irradiation.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 11, caractérisé en ce qu'en balayant l'objet au moyen du faisceau d'électrons, on détecte simultanément des particules émises par les parties balayées de façon à localiser les éléments radioémetteurs au sein de l'objet.

13. Dispositif pour sonder un objet (6) contenant des éléments radioémetteurs (7), ce dispositif comprenant des 2871896 - 21- moyens pour irradier ledit objet au moyen d'un faisceau (13) de particules dont l'énergie est suffisante pour provoquer une photofission des éléments radioémetteurs de l'objet, et au moins un détecteur de neutrons pour mesurer les neutrons produits par photofission, caractérisé en ce que lesdites particules (13) sont des électrons irradiant directement la matière nucléaire, la conversion des électrons en photons aptes à générer la photofission étant effectuée directement par l'objet (6) à sonder.

14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour émettre le faisceau d'électrons sous forme d'au moins une impulsion, et des moyens (12) pour détecter et mesurer des neutrons prompts émis pendant l'impulsion.

15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens de détection (12) sont disposés derrière l'objet lorsque le faisceau d'électrons arrive par l'avant de l'objet.

16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend des 25 moyens (11) pour détecter et mesurer des neutrons retardés.

17. Dispositif selon les revendications 14 et 16, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de traitement pour déterminer la composition isotopique et la quantité totale d'actinides présents dans les éléments radioémetteurs à partir des neutrons prompts et des neutrons retardés mesurés.

18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne sous vide (9) pour transporter le faisceau d'électrons.

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19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'extrémité de la ligne sous vide comporte une fenêtre de sortie qui est mise en contact avec l'objet.

20. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 19, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de balayage (10) apte à diriger le faisceau d'électrons.

21. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour mettre en mouvement l'objet par rapport au faisceau d'électrons.

22. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 21, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de focalisation pour focaliser le faisceau d'électrons sur une partie de la matière nucléaire.