Capteurs à fibre optique pour la surveillance et l’observation du stockage de déchets radioactifs en couche géologique profonde

24/10/2015
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-4:14198
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Abstract

Capteurs à fibre optique pour la surveillance et l’observation du stockage de déchets radioactifs en couche géologique profonde

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	    <date dateType="Created">Sat 24 Oct 2015</date>
	    <date dateType="Updated">Wed 7 Nov 2018</date>
            <date dateType="Submitted">Tue 18 Dec 2018</date>
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SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUESURSI 2015 104 REE N°4/2015 Par Sylvie Delepine-Lesoille1 , Stéphanie Leparmentier2 , Jean-Louis Auguste2 , Georges Humbert2 Ingénieur R&D, Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra)1 , Laboratoire Xlim2 Andra is the French body in charge of radioactive wastes. Optical fiber sensors are attractive for their numerous advantages over traditional sensors. More precisely, ability to perform distributed sensing, without dead zones, along kilometers, would be very useful for the monitoring of Cigéo, the future deep geological repository for high and intermediate-level long-lived radioactive wastes. Andra has launched a qualification process for distributed strain and temperature measuring systems based on Rayleigh, Brillouin and Raman scattering in opti- cal fibers. It includes tests and eventually developments to reach compatibility with the harsh environment of Cigéo (radiation, hydrogen release…). Andra also contributes to research studies on optical fibers to provide distributed hydrogen and radiation measurements. As an example, the development of special optical fibers, with embedded Palladium particles, is presented. ABSTRACT La gestion des déchets radioactifs français L’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra) est chargée de la gestion à long terme des déchets radioactifs produits en France. Elle assure la gestion de deux centres de stockage en exploitation dans l’Aube, acceptant des déchets de très faible à moyenne activité à vie courte ainsi que celle d’un centre fermé en phase de surveillance, situé dans la Manche. Commeillustrésurletableau1,lesdéchetsàvielongue,c’est- à-dire de plus de 31 ans de période, sont actuellement entrepo- sés car la filière de stockage est à l’état de projet. Leur stockage définitif en couche géologique profonde est la solution de réfé- rence en application de la loi de programme du 28 juin 2006. Sous réserve des autorisations, Cigéo (Centre industriel de stockage géologique dont une vue conceptuelle est proposée en figure 1) sera une installation nucléaire atypique, construite en souterrain dont l’exploitation devrait démarrer en 2025 et durer sur plus de 100 ans. Pour les déchets de moyenne activité à vie longue (MAVL), les alvéoles de stockage étudiées sont des tunnels d’environ 9 mètres de diamètre avec un revêtement en béton, dans lesquels les conteneurs contenant les colis de déchets MAVL pourraient être empilés. Les alvéoles de stockage de déchets de haute activité (HA) étudiées sont quant à elles des alvéoles de petit diamètre (moins de 1 m), de quelques 100 m de long, avec un chemisage métallique. Auscultation des ouvrages souterrains de Cigéo L’observation et la surveillance de l’environnement et des ouvrages doivent répondre aux besoins de connaissances nécessaires à l’exploitation du stockage et à sa gestion réver- sible. Elles contribuent également aux analyses de sûreté en exploitation et après fermeture. Le système d’auscultation envisagé doit fournir une caractérisa- tion thermo-hydro-mécanique-chimique-radiologique (THMCR) des phénomènes autour des alvéoles de stockage de déchets radioactifs. Les contraintes à respecter sont sévères : durée de fonctionnement pluri-décennale sans accessibilité pour main- tenance, discrétion (non-intrusivité), conditions d’environne- ment localement agressives. En effet, au plus près des colis HA, la température pourra atteindre 100 °C, les débits de dose le Gy/h (Gray1 par heure) et des dégagements de gaz dihy- drogène H2 sont attendus quand le processus de corrosion anoxique des déchets sera établi. Pour répondre à ces spécifications très exigeantes, les sys- tèmes de mesure sont sélectionnés sur les retours d’expé- rience disponibles en surveillance de certains tunnels, des enceintes de confinement de centrales nucléaires, de digues 1 Unité de mesure de l’énergie absorbée par un milieu homogène d’une masse de 1 kg lorsqu’il est exposé à un rayonnement ionisant apportant une énergie d’un Joule. REE N°4/2015 105 Capteurs à fibre optique pour la surveillance et l’observation du stockage de déchets radioactifs en couche géologique profonde Figure 1 : Vue conceptuelle de Cigéo (Centre industriel de stockage géologique) – Source : Andra. Figure 2 : A gauche : Concept d’instrumentation du chemisage métallique d’une alvéole de stockage de déchets de haute activité à vie longue, par capteurs à fibre optique. A droite : Réalisation d’un démonstrateur au laboratoire souterrain de l’Andra – Source : Andra. Tableau 1 : Classification des déchets radioactifs – Source : Andra. Déchets dits à vie très courte contenant des radioéléments de période < 100 jours Déchets dits à vie courte dont la radioactivité provient principalement de radionucléides de période 31 ans Déchets dit à vie longue contenant une quantité importante de radionucléides de période > 31 ans Très faible activité (TFA) Gestion par décroissance radioactive Recyclage ou stockage dédié en surface Faible activité (FA) Stockage de surface (CSA) Filière à l’étude Moyenne activité (MA) Filière en projet (Cigéo) Haute activité (HA) Catégorie inexistante SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUESURSI 2015 106 REE N°4/2015 et barrages. Par exemple, fort d’une expérience pluri-décen- nale acquise sur les barrages (dont le barrage de La Bromme en 1932), les extensomètres à corde vibrante et les sondes de température du type platine Pt1000 seront utilisés pour réaliser des mesures ponctuelles de déformations et de tem- pérature respectivement. En parallèle de ces technologies éprouvées, des systèmes novateurs sont envisagés (figure 2 gauche), en particulier les capteurs à fibre optique. La qua- lification des technologies de mesure sélectionnées sur des bases bibliographiques et des retours d’expérience inclut des durcissements et des tests en vraie grandeur, comme illustré avec le démonstrateur d’alvéole instrumentée réalisé au labo- ratoire souterrain de l’Andra (figure 2 droite). L’intérêt majeur des fibres optiques est de fournir une mesure répartie sur de grands linéaires, sans zone morte, donc sans qu’il soit nécessaire d’anticiper la position exacte d’éven- tuels désordres. De telles caractérisations sont inaccessibles pour des systèmes composés de capteurs ponctuels, où les volumes des câbles de transmission sont rapidement incom- patibles avec la spécification de « discrétion ». Les capteurs à fibres optiques se présentent généralement sous forme de câbles de quelques millimètres de diamètres, dimensions favorables pour limiter leur intrusivité. L’interroga- teur peut être placé à distance, dans des locaux où la mainte- nance assure une certaine longévité. Enfin, les fibres optiques sont réputées pour leur forte immunité aux rayonnements électromagnétiques (ambiance radiologique liée à la pré- sence des déchets radioactifs) et aux fortes températures et pressions. Pour instrumenter des alvéoles de stockage de déchets radioactifs, il est recherché des systèmes fournissant des mesures réparties de déformations et de température (figure 3), avec une résolution spatiale de l’ordre de 10 cm. Les zones mortes seraient trop préjudiciables à l’interprétation des phénomènes en jeu (thermique-hydrique-mécanique- chimique-radiatif). Les portées minimales sont d’environ 100 m pour les alvéoles HA. Une portée de plusieurs cen- taines de mètres permettrait des déports et des multiplexages intéressants et donc d’instrumenter également les alvéoles MAVL. Les incertitudes de mesure visées sont 0,5 °C et 10 µm/m (noté aussi 10 µ ) mais des erreurs maximales de 1 °C et 50 µm/m sont tolérables. Etat de l’art des mesures réparties par fibres optiques Systèmes existants Les systèmes de mesures réparties par fibres optiques sont fondés sur les mesures des rétrodiffusions Rayleigh et Brillouin (sensibles aux variations de température et aux déformations notamment) ou Raman (sensible à la tempéra- ture uniquement). Comme illustré sur la figure 4, le spectre de rétrodiffusion Brillouin d’une fibre optique standard à base de silice se décale linéairement avec les variations ther- mique et mécanique du milieu dans lequel la fibre est placée [1]. Il est donc envisagé de réaliser des mesures de défor- mations par système Brillouin et de combiner des mesures de rétrodiffusion Raman pour caractériser et soustraire les variations thermiques. Avec des partenaires universitaires, Figure 3 : Schéma d’un système de mesure répartie par fibre optique. Toute la fibre est le capteur, l’interrogateur fournit des mesures sur tout le long de la fibre optique sans traitement préalable – Source : Internet. REE N°4/2015 107 Capteurs à fibre optique pour la surveillance et l’observation du stockage de déchets radioactifs en couche géologique profonde académiques et industriels, l’Andra mène une qualification poussée de ces systèmes de mesure, incluant (I) des vieil- lissements accélérés sous température, hydrogène [2], radia- tion [3], (II) des évaluations métrologiques [4] et (III) des mises en œuvre sur ouvrages représentatifs [5] tels qu’illus- trés sur la figure 2, droite. L’Andra privilégie la rétrodiffusion Brillouin car la mesure est intrinsèquement interférométrique (c’est un décalage de fré- quence), donc peu influencée par le vieillissement de la fibre optique. La différence de fréquence optique B est liée aux variations de température T et de déformation subies par la fibre optique, par la relation suivante : (1) Avec des valeurs typiques de sensibilité de CTB = 1,1 MHz/ 1 °C et C B = 0,05 MHz/µ pour une fibre optique monomode standard à 1 550 nm. Il existe actuellement plusieurs fournisseurs d’instruments commerciaux permettant de réaliser des mesures réparties de température et de déformations, par mesures d’une ou plu- sieurs de ces rétrodiffusions, de manière résolue le long de la fibre. Les performances standard sont une résolution spatiale de 1 m, une portée de 10 km, une résolution de 0,1 °C pour les instruments Raman et Rayleigh, de 1 °C ou 20 µm/m pour les instruments Brillouin. Reste à savoir si ces performances seraient toujours assurées dans les conditions de Cigéo. Qualification des systèmes de mesures réparties par fibres optiques Une distinction importante est faite entre le capteur, c’est-à- dire la fibre optique dans son câble, et son moyen d’interroga- tion, l’instrument (ou interrogateur). Permettant des mesures réparties, les instruments ne seront pas placés dans le site de stockage mais dans des locaux techniques situés dans des zones accessibles, réalisant une interrogation déportée des câbles sen- sibles à fibre optique installés dans les alvéoles de stockage. Ainsi l’Andra réalise un durcissement des capteurs qui seront confrontés aux conditions hostiles du centre de stockage géo- logique. L’impact de chaque condition hostile sur les capteurs est testé, durant l’étape de durcissement. Ce travail permet de déterminer quels types de capteurs sont les plus à même d’être employés pour l’observation-surveillance de Cigéo. Au cours de ces essais de qualification menés par l’Andra et ses partenaires, nous avons constaté que les mesures de température et déformations obtenues avec ces instruments peuvent être significativement perturbées par les conditions environnementales du stockage géologique, tant l’environne- ment radiatif que la présence d’hydrogène. Ces influences dépendent du type de fibres optiques choisies (dopants et revêtements primaires), des longueurs d’onde de travail des instruments de mesure (1,064 µm, 1,3 µm ou 1,55 µm), des pré-traitements pouvant être réalisés. A titre d’exemple, dans une fibre optique standard exposée à de l’hydrogène pur, le spectre Brillouin se décale de 20 MHz (figure 4), ce qui correspond à une erreur de mesure de tem- pérature de 20 °C. La mesure de température Raman dans une fibre irradiée (sous rayonnement gamma, à quelques MGy) peut quant à elle, présenter une erreur de plusieurs dizaines de degrés sur quelques dizaines de mètres de propagation [2]. Au contraire, dans les fibres optiques dont le cœur est en silice pure, la gaine optique est en silice dopée avec du fluor et la gaine mécanique est dotée d’un revêtement primaire en car- bone, l’influence des radiations et de l’hydrogène peut être réduite à l’augmentation des pertes de propagation. Figure 4 : Spectre de rétrodiffusion d’une fibre optique illuminée par un laser à la longueur d’onde 0 – Source : Internet. SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUESURSI 2015 108 REE N°4/2015 Comme l’information exploitée par les capteurs Brillouin porte sur un décalage fréquentiel, au premier ordre, seule la portée de la mesure est dégradée par l’augmentation des pertes sous radiations. La longueur d’onde de travail 1,3 µm doit être privilégiée (contrairement aux instruments commer- ciaux existants). Avec ces précautions, il est déjà acquis que les mesures réparties de déformation seront possibles et fidèles (à 2 MHz près, soit environ 2 °C ou 40 µ ), sur toute la durée d’exploitation du stockage, même en surface externe de chemisage d’alvéole HA [3]. L’Andra évalue donc la matu- rité technologique des mesures réparties de température et de déformations à 6 dans l’échelle TRL (Technology Readi- ness Level) [6]. Développement d’un système de détection d’hydrogène par fibres optiques Une des contraintes de l’environnement hostile du futur centre de stockage sont les relâchements gazeux. Les princi- pales sources des gaz produits dans le stockage seront induites par les mécanismes suivants : Tous ces mécanismes produisent comme gaz majoritaire du dihydrogène. Dans l’alvéole HA, il est attendu qu’un régime permanent s’établisse en quelques années entre la production d’hydrogène et la migration par diffusion sous forme dissoute dans les argilites et par convection sous forme gazeuse vers la galerie, via les interfaces les plus transmissives. Selon les pre- miers résultats de modélisation, le temps caractéristique d’at- teinte d’une fraction volumique de 4 % en hydrogène (limite inférieure d’inflammabilité dans l’air) varierait entre 25 jours environ et 300 jours selon les incertitudes sur la cinétique de corrosion de l’acier en conditions. Des expériences au labora- toire souterrain de l’Andra sont en cours pour affiner les ciné- tiques de réaction de la corrosion anoxique. Des capteurs à fibre optique fournissant des mesures réparties d’hydrogène le long de l’ouvrage permettraient de fournir plus de données pour affiner les modèles. Les faibles cinétiques (de l’ordre du jour) actuellement constatées sur les systèmes en développe- ment sont bien compatibles avec le projet Cigéo. L’Andra a alors choisi d’exploiter ces sensibilités aux para- mètres du milieu environnant et développe un système de mesure répartie d’hydrogène fondé sur la rétrodiffusion Brillouin dans des fibres spéciales, contenant des particules métalliques de palladium dispersées dans la gaine optique pour exalter la sensibilité de la fibre à l’hydrogène [7]. Le palladium est un métal qui réagit spontanément avec le gaz H2 . A son contact, il se forme un hydrure de palladium de formule PdHx et cette réaction chimique entraîne une varia- tion de l’indice de réfraction d’une part et une augmentation de volume d’autre part. Le dépôt de couches minces de pal- ladium sous forme métallique autour de fibres optiques a donné lieu à de nombreuses études entre 1984 et nos jours. Cependant, ces films minces présentent une forte sensibilité aux variations de température et à la présence d’autres gaz interférents. De plus, ils s’altèrent rapidement au fil des cycles d’hydrogénation/déshydrogénation, rendant le capteur moins efficace. L’idée est alors d’insérer des particules métalliques de palladium dans la structure même de la fibre optique et de Figure 5 : Spectres Brillouin normalisés, mesurés dans une fibre standard G652 revêtue acrylate, avant et après exposition à l’hydrogène (330 h, 150 bars, 25 °C) – Source : Andra. REE N°4/2015 109 Capteurs à fibre optique pour la surveillance et l’observation du stockage de déchets radioactifs en couche géologique profonde profiter des variations d’indice et de volume de ces entités en contact avec H2 pour interroger optiquement la fibre optique par le biais de mesures de rétrodiffusion Brillouin par exemple, rétrodiffusion particulièrement adaptée car sensible à ces deux paramètres simultanément. Une étude de faisabilité de fibres optiques composées de particules de palladium dispersées dans la gaine silice a été menée en exploitant le procédé Modified Powder-in- Tube [8]. De nombreuses fibres optiques ont été réalisées et caractérisées, mais les pertes de propagation étaient si importantes que les échantillons ne pouvaient pas dépas- ser quelques centimètres. Comme illustré sur la figure 5, l’ajout d’inclusions d’air entre le cœur où se propage le fais- ceau lumineux et les particules de palladium absorbantes a ensuite permis de diminuer les pertes de propagation de la fibre optique. Ainsi des échantillons de quelques mètres sont désormais mesurables. Toutefois ces « fibres à trous » sont relativement difficiles à raccorder par soudure aux fibres télécom des instruments de mesure. Des solutions techno- logiques ont été proposées, qui ont permis de réaliser des mesures en rétrodiffusion Brillouin sur des échantillons com- posés de ces fibres très originales, exposées à l’hydrogène. Les premiers résultats sont prometteurs et l’étude se pour- suit afin de quantifier précisément l’intérêt du palladium par rapport à des fibres en silice plus standard, diminuer les ciné- tiques de réaction et de recouvrement, augmenter les por- tées de la mesure (en diminuant les pertes des fibres pour optimiser la longueur des échantillons). L’Andra évalue la maturité technologique des mesures réparties d’hydrogène à 4 dans l’échelle TRL. Les travaux de recherche vont se poursuivre dans le cadre du projet européen MODERN2020 (Development and demonstration of monitoring strategies and technologies for geological disposal) de 2015 à 2019. Ce projet est dédié à l’auscultation des installations de stockage de déchets radioactifs. Il regroupe 28 partenaires, dont Xlim et l’Andra, répartis dans 10 pays européens mais également le Japon. Perspectives En assemblant ces différents travaux de recherche, l’An- dra évalue les possibilités de réaliser un système complet d’auscultation permettant de fournir des mesures réparties de température, déformations, hydrogène et radiations dans les conditions difficiles du stockage de déchets radioactifs. Pour accéder à ces quatre paramètres, on anticipe que le sys- tème soit constitué d’au moins deux interrogateurs (fournis- sant la mesure d’au moins deux rétrodiffusions parmi Brillouin, Rayleigh et Raman) et de trois fibres optiques, éventuellement placées au sein d’un seul et même câble de mesure équipant la structure à surveiller. Références [1] M. Niklès, L. Thévenaz, P.A. Robert, “Brillouin Gain Spectrum Characterization in Single-Mode Optical Fibers”. J. Light. Tech., vol 15, no. 10, 1997, pp. 1842-1851. [2] Cangialosi, et al “Hydrogen and radiation induced effects on performances of Raman fiber-based temperature sensors”, IEEE Journal of Lightwave Technology, Jan. 2015. [3] X. Phéron, et al “High g-ray dose radiation effects on the performances of Brillouin scattering based optical fiber sensors”, Optics Express, Vol. 20 Issue 24, pp.26978-26985 (2012). Figure 6 : Réalisation d’une fibre spéciale contenant des particules métalliques de palladium dispersées dans la gaine optique pour augmenter la sensibilité naturelle des fibres silice à l’hydrogène – Source : Xlim, Université de Limoges et CNRS. SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUESURSI 2015 110 REE N°4/2015 [4] S. Delepine-Lesoille, G. Pilorget, J. Bertrand, A. Guzik, K. Kishida, G. Moreau, J.-M. Henault « Mesures réparties de température et de déformations sur fibre optique unique par combinaison des analyses des rétrodiffusions Rayleigh et BrillouinColloque » CMOI (Mesures et Techniques Optiques pour l’Industrie), Orléans, novembre 2013. [5] Radwan Farhoud, Sylvie Delepine-Lesoille, Stephane Buschaert, et Céline Righini-Waz “Monitoring System Design of Underground Repository for Radioactive Wastes – In Situ Demonstrator”, IACSIT International Journal of Engineering and Technology, Vol. 7, No. 6, December 2015. [6] Strategic Readiness Level - The ESA Science Technology Development Route - http://sci.esa.int/sre-ft/37710-strategic- readiness-level/ [7] S. Leparmentier, et al, “Palladium particles embedded inside silica optical fibers for hydrogen gas detection,” SPIE Europe/ Micro-Structured and Specialty Optical Fibres conference, 4- 17 April 2014, Bruxelles. [8] J.L. Auguste, G. Humbert, S. Leparmentier, M. Kudinova, P.O. Martin, G. Delaizir, K. Schuster and D. Litzkendorf, “Modified Powder-in-Tube Technique Based on the Consolidation Processing of Powder Materials for Fabricating Specialty Optical Fibers”, Materials, 7 (8), 6045-6063 (2014). L'AUTEUR Sylvie Delepine-Lesoille est ingénieur diplômée de l’Ecole nationale supérieure de techniques avancées (1997). Elle a obtenu un doctorat en électronique de l’université Paris XI en 2000. Lors de sa thèse, réalisée à Alcatel Corpo- rate Research Center, puis chez Photonetics-NetTest, elle a développé des composants et instruments lasers pour les réseaux de télécommunications. De 2002 à 2008, elle a travaillé sur les capteurs à fibre optique pour le génie civil au sein du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées. Depuis 2008, au sein de l’Andra (Agence nationale pour la ges- tion des déchets radioactifs), elle participe à la conception et à la qualification du système d’auscultation du futur centre de stockage géologique de déchets radioactifs à vie longue.