Brevet FR3041107A1 — publié le 20170317

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention est relative à un dispositif et à un procédé d'analyse in situ d'un déchet radiologique contenant l'isotope carbone 14. Elle a donc trait aux caractérisations radiologiques (mesures nucléaires) de matières issues du démantèlement d'un site nucléaire ou d'un processus de production nucléaire. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION On connaît le besoin de mesurer la teneur en isotope carbone 14 (14C) présent dans certains déchets radiologiques, notamment dans le graphite des réacteurs des filières de réacteurs graphite-gaz. Et l'on souhaite toujours améliorer la mesure du carbone 14. Le but est de mieux connaitre la nature des déchets et notamment leur teneur en carbone 14. Le carbone 14 est un isotope radioactif à vie longue (de l'ordre de 5700 ans). La connaissance de la teneur permet d'adapter les moyens industriels de traitement et de stockage au juste nécessaire. Cette mesure représente donc un grand enjeu économique. La problématique à résoudre est la difficulté de mesure in situ de l'activité de ce radio-isotope qui n'émet pas de rayonnement gamma et est donc difficile à mesurer, alors que cette valeur peut être déterminante pour le choix des moyens de traitement et de stockage en aval. En effet, le démantèlement des réacteurs de la filière graphite-gaz 25 génère des dizaines de milliers de tonnes de graphite contenant ou pouvant contenir du carbone 14. Jusqu'ici, on ne connaît pas de mesure in situ. En pratique, l'évaluation de la teneur en carbone 14 est effectuée par analyse physico-chimique sur des prélèvements de déchets. 30 Actuellement, des prélèvements de quelques grammes sont effectués et traités chimiquement pour en extraire le carbone, puis traités physiquement afin d'évaluer la teneur en carbone 14 au sein de cet extrait. Plus précisément, on opère successivement comme suit : 1/ réalisation de prélèvements de quelques grammes (qui doivent 35 respecter certains protocoles afin d'obtenir un échantillonnage représentatif de la population des objets à caractériser) ; 3041107 2 2/ exécution de procédés de laboratoire permettant la préparation physicochimique (broyages, dilutions, filtrations, réactions chimiques, séparation, etc.) de l'échantillon ; 3/ mesure de la quantité de carbone 14 par l'une des techniques 5 suivantes : - mesure par scintillation liquide (en anglais "liquid scintillation"), qui est la plus utilisée ; - mesure par spectrométrie de masse avec accélérateur (en abrégé "AMS") 10 - détection par semi-conducteur, ou tout capteur/film sensible au rayonnement bêta (B+). L'avantage principal de ces méthodes de laboratoires est la fiabilité et la très grande précision de la mesure. Mais leurs inconvénients sont majeurs. 15 Ainsi, ils ont une représentativité faible, avec un gros risque d'erreur d'échantillonnage, qui ne peut être diminué que par un accroissement du nombre des prélèvements, ce qui entraîne donc une hausse importante des coûts. A noter au surplus l'inconvénient spécifique lié à la sécurité et aux risques radiologiques (contamination, etc...). 20 De plus, ils sont caractérisés par une grande lenteur. En effet, il existe un délai important entre les prélèvements et les résultats, ce qui rend difficile un traitement industriel des déchets considérés. On note par ailleurs un coût important par mesure. Il faut noter que ta mesure des rayonnements 13+ par des semi25 conducteurs ou autres capteurs (cf. la troisième des solutions présentées plus haut) pourrait être réalisée sans prélèvement de matériau, c'est-à-dire directement sur l'objet considéré. Dans cette hypothèse, seuls les B+ émis en surface seraient mesurés. Il y aurait alors un très grand risque d'erreur en cas d'écart, comme c'est probable, entre l'activité vue en surface et l'activité réelle 30 en volume. La présente invention a justement pour but de résoudre ces difficultés en proposant des solutions d'analyse permettant de travailler in situ, c'est-à-dire sans avoir à prélever d'échantillon. 35 3041107 3 RESUME DE L'INVENTION Ainsi, un premier aspect de l'invention concerne un dispositif d'analyse in situ d'un déchet radiologique contenant l'isotope carbone 14, ce 5 déchet radiologique se présentant sous la forme d'un objet solide manufacturé, c'est-à-dire d'un objet intégral non fragmenté, caractérisé par le fait qu'il comporte : - un calorimètre comprenant une enceinte de réception dudit déchet, cette enceinte étant dimensionnée pour le recevoir sans le fragmenter ; 10 - un spectromètre ; - ainsi que des moyens de mesure permettant de calculer, au moins à partir de la puissance calorimétrique et de la mesure spectrométrique dudit déchet, la teneur en carbone 14 dudit déchet. Selon d'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de 15 ce dispositif : - lesdits calorimètre et spectromètre sont réunis dans un même appareil ; - lesdits moyens de mesure comprennent au moins un processeur et un ordinateur de pilotage qui assurent le contrôle desdits calorimètre et 20 spectromètre , le traitement des mesures collectées et l'affichage des résultats. Un autre aspect de l'invention est relatif à un procédé d'analyse in situ d'un déchet radiologique contenant l'isotope carbone 14 à l'aide d'un dispositif selon l'une des caractéristiques précédentes qui comprend les étapes qui consistent à : a/ introduire ledit déchet dans le calorimètre ; b/ réaliser une mesure, via ledit calorimètre, de l'énergie d'origine 8+ émise par ledit déchet ; c/ réaliser une spectroscopie y (gamma) dudit déchet ; d/ soustraire au résultat issu de l'étape 13/, l'énergie d'origine B+ et 30 y issue des isotopes autres que le carbone 14 qui sont émetteurs de rayonnements B+ et y ; e/ convertir l'énergie ainsi obtenue en activité du carbone14. 35 3041107 4 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 5 à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré de l'invention. Cette description est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue très schématique de face du dispositif selon l'invention ; 10 - la figure 2 est un graphique de performance opérationnelle montrant l'activité du carbone 14 d'une fausse chemise en graphite. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 15 Le principe de l'invention réside dans le fait que l'on procède aux opérations suivantes : a/ réaliser une mesure, via un calorimètre, de l'énergie d'origine Ir émise par ledit déchet ; 20 b/ réaliser une spectroscopie y (gamma) dudit déchet ; c/ soustraire au résultat issu de l'étape b/, l'énergie d'origine 13. et y issue des isotopes autres que le carbone 14 qui sont émetteurs de rayonnements 13+ et y ; d/ convertir l'énergie ainsi obtenue en activité du carbonel4. 25 Une solution proposée dans la présente demande consiste en un instrument spécifique permettant directement la mesure globale du carbone 14 contenu dans un objet. A titre d'exemple, cet objet peut être une chemise de graphite consistant en un cylindre creux de 20 cm de diamètre environ et de 60 cm de longueur dont le poids est d'environ 20 kilogrammes. Il peut aussi s'agir d'une brique de graphite de poids supérieur à 20 kilogrammes. Tout autre forme et poids est envisageable. En tout état de cause, le déchet prend la forme d'un objet solide manufacturé, c'est-à-dire d'un objet intégral non fragmenté, de sorte que l'on 35 peut mettre en oeuvre l'invention in situ, et non pas seulement en laboratoire. 3041107 5 En se reportant à la figure 1 annexée, le dispositif comporte un calorimètre 2 dans lequel le déchet 1 est introduit. Il peut s'agir par exemple d'un calorimètre présentant les paramètres suivants : 5 - Gamme de mesures : 10 pW - 10mW ; - Précision (répétabilité) : ± 10% sur la gamme 10 pW - 100 pW / ± 1.0% sur la gamme 100 pW - 1 mW / ± 0.2% sur la gamme 1 mW - 10 mW ; - Limite de détection : 2 pW ; - Temps de mesure : environ 72 heures. 10 Le dispositif comporte également un spectromètre 3 du commerce, dans lequel l'échantillon est transféré après l'analyse de calorimétrie. Une carte électronique 4 et un ordinateur 5 de pilotage assurent le contrôle de l'instrument, la réalisation et la gestion des acquisitions, le traitement des informations et la sortie des résultats. 15 Selon l'invention, la solution proposée est basée sur : - la mesure de la puissance thermique de l'objet par un procédé de calorimétrie, - la caractérisation de l'objet en spectrométrie gamma ; - un traitement approprié de ces deux résultats. 20 En effet, grâce à la connaissance des activités des radionucléides émetteurs gamma du déchet de graphite, de la géométrie du déchet et de la définition du calorimètre (matières et géométrie), par simulation nucléaire, on calcule : - la puissance thermique due au dépôt d'énergie des 25 radionucléides émetteurs gamma, alpha-gamma, bêta-gamma, alpha-bêta, gamma dans le bloc de graphite ; - la puissance thermique due au dépôt d'énergie des rayonnements gamma dans la partie sensible du calorimètre. La soustraction de ces puissances à la mesure permet de 30 déterminer la puissance thermique des émetteurs bêta purs, donc un majorant de l'activité du carbone 14. Ce majorant est d'autant plus proche de la vraie valeur de l'activité de C14 que la contribution des autres sources de rayonnement exclusivement bêta (dits "bêta purs") est mineure. C'est le cas pour les déchets générés dans le cadre de la filière 35 UNGG (pour Uranium Naturel Graphite Gaz). 3041107 6 On peut se reporter au tableau de la page 8 qui exprime ceci d'une autre manière. De plus, dans le tableau de ta page 9, on donne les résultats d'une mesure effectuée sur une fausse chemise. Par cette dernière expression, on 5 entend un élément composé de graphite pur, sans insert métallique, avec une activité maximale de l'ordre de 500 pSv/h. Sa contamination est de l'ordre de 0.5Bq/cm2 et le spectre de contamination est le spectre combustible. A la figure 2 est représenté un graphique de performance opérationnelle théorique montrant l'activité du carbone 14 d'une fausse chemise 10 en graphite, de 20 Kg. L'activité mesurée est majorée de deux écarts types. L'activité réelle de l'objet est inférieure à cette valeur avec un niveau de confiance de 97.5 %. Les hypothèses suivantes ont été prises : 15 1/Performances du calorimètre conformes aux spécifications du constructeur ; 2/Emetteurs B+ purs autres que le C14 : 20% de l'activité du carbone 14 ; 3/ Emetteurs B y réduits au seul Co60 ; 20 4/ Erreur d'évaluation* de la puissance B des émetteurs B y : 10% ; 5/ Puissance y déposée dans l'objet estimée à 30% ; 6/ Erreur d'évaluation* de la puissance y déposée : 20% ; (*) : Effectuée à partir des résultats de spectrométrie. Le dispositif selon l'invention, ainsi que le procédé qui le met en 25 oeuvre, peuvent être utilisés directement sur un site où sont stockés les objets à contrôler, et non pas seulement dans le cadre d'un laboratoire. Cela autorise donc une mesure globale de l'objet, in situ, sans échantillonnage et très représentative. La manipulation des objets est réduite des objets et s'opère sans modification ni destruction de ces objets. 30 Ceci permet aussi un gain financier important par rapport aux méthodes de mesure concurrentes. On observe également un gain global sur la fiabilité de la mesure d'un parc d'objets. Le carbone 14 est un radioélément particulièrement suivi du fait de sa vie longue, de son caractère bio-accumulable, et du risque, suite à son 35 relargage dans l'atmosphère, de perturber la radio-datation. 3041107 7 Parmi les applications industrielles de la présente invention, on peut citer la mesure de la teneur en carbone 14 : - dans le graphite issu du démantèlement des réacteurs nucléaires au graphite ; 5 - avant et après les traitements de ce graphité en vue de diminuer sa teneur en carbone 14, pour déterminer la performance de ces traitements ; - en entrée des sites d'entreposage et de stockage de ce déchet nucléaire. L'utilisation peut conduire par exemple à un tri de ces objets 10 entreposés sur la base des résultats de mesure du Carbone 14. Ainsi, en fonction de la teneur mesurée, on va opter pour un enfouissement plus ou moins profond des déchets. La mesure effective du carbone 14 permet donc un déploiement de moyens de traitement et de stockage des déchets en graphite qui correspond au juste nécessaire et, par voie de conséquence au moindre coût. 15 Les personnes susceptibles d'utiliser le dispositif selon l'invention sont par exemple les opérateurs, producteurs, vérificateurs, instances de contrôle de déchets radioactifs, par exemple à l'occasion d'opérations de démantèlement ou de production de déchets ou de rejets. Comme indiqué plus haut, ta forme du déchet peut être 20 quelconque. Il est important (pour des raisons pratiques mais aussi pour une optimisation des mesures) que l'enceinte du calorimètre soit adaptée à ta taille de l'objet. Par ailleurs, la spectrométrie gamma peut être mise en oeuvre selon différentes méthodes connues de l'homme du métier. 25 On peut envisager une intégration mécanique avec le poste de spectrométrie, ce qui signifie que l'on aurait alors affaire à un seul et même appareil assurant les deux fonctions (calorimètre et spectromètre). 8 Etape But et résultat Mesure calorimétrique Compensation de l'erreur de mesure "constructeur" Spectrométrie Dans un but d'identification des émetteurs B+ et y, Estimation de l'erreur associée à savoir calcul de la puissance Bêta délivrée dans l'objet et Estimation de l'erreur associée à la fonction de réponse y du estimation de la puissance gamma délivrée dans l'objet et dans le calorimètre calorimètre Obtention de la puissance calorifique nette due aux seules contributions des non-émetteurs gamma (ceci inclut au sens large tous les émetteurs a, B, B. qui ne peuvent être mesurés par la spectrométrie y Calcul final de l'erreur portant sur ce nombre net Conversion de la puissance calorifique nette en activité du Le majorant calculé est également, le cas échéant, majoré de carbone 14 considéré comme source unique. En cas de présence l'incertitude de mesure qui aura été calculée. d'émetteurs du type 3H, 36Cl, etc., l'activité obtenue est donc un majorant de l'activité réelle du carbone 14. Nota : La mesure effectuée est une mesure directe utilisant la calorimétrie et la spectrométrie, de sorte qu'aucune hypothèse de teneur de quelque isotope que ce soit (considérée a priori ou obtenue par une technique de ratios ou de corrélations) n'est effectuée/utilisée. 5 9 EXEMPLE DE LA MESURE D'UNE FAUSSE CHEMISE (ACTIVITES MOYENNES) Activité Activité totale Energie bêta par Energie gamma PUISSANCE BÊTA PUISSANCE massique de la chemise désintégration par GAMMA (20kg) désintégration Isotope /Unité Bq/g Bq/chemise keV keV pwatt pwatt C14 1.26 E+05 2.52 E+09 49.5 19.96* C136 83 E10+1 1.66 E+06 247 0.07* Ni63 7.40 E+04 1.48 E+09 17 4.03* H3 9.3 E+04 2.00 E+09 5.7 1.82* Co60 7.00 E+03 1.40 E+08 86 2510 1.93** 56.22*** Eu154 4.00 E+02 8.00 E+06 222 1246 0.28** 1.59*** Eu152 4.70 E+01 9.40 E+05 42 1164 0.01" 0.18*** Ba133 1.15 E+02 2.30 E+06 450 404 0.17** 0.15*** Cs137 8.70 E+01 1.74 E+06 157 565 0.04** 0.16*** 3041107 10 Légende : Les valeurs de puissance bêta (puissance due aux B des émetteurs B purs) marquées d'un astérisque, d'une valeur totale de 25.87 pwatt, sont ce que l'on cherche à évaluer. On ne pourra toutefois distinguer les différents émetteurs. Par sécurité, on considèrera que l'ensemble provient du 5 carbone 14. Les valeurs de puissance bêta (puissance due aux B des émetteurs B y) marquées de deux astérisques, d'une valeur totale de 2.43 pwatt, sont ôtées du résultat du calorimètre. Cette puissance est évaluée à partir de la mesure des émetteurs B y par spectrométrie y. On estime que l'erreur sur cette 10 évaluation est de l'ordre de 10%. Les valeurs de puissance gamma (puissance due aux y des émetteurs B y) marquées de trois astérisques, d'une valeur totale de 58.30 pwatt, sont ôtées du résultat du calorimètre. Cette puissance gamma n'est que partiellement convertie en chaleur de l'objet. On l'estime à partir de simulations 15 et de la mesure effective de la puissance gamma à partir des résultats de spectrométrie. REVENDICATIONS1. Dispositif d'analyse in situ d'un déchet radiologique contenant l'isotope carbone 14, ce déchet radiologique se présentant sous la forme d'un objet solide manufacturé (1), c'est-à-dire d'un objet intégral non fragmenté, caractérisé par le fait qu'il comporte : - un calorimètre (2) comprenant une enceinte de réception dudit déchet, cette enceinte étant dimensionnée pour le recevoir sans le fragmenter ; - un spectromètre (3) ; - ainsi que des moyens de mesure (4, 5) permettant de calculer, au moins à partir de la puissance calorimétrique et de la mesure spectrométrique dudit déchet, la teneur en carbone 14 dudit déchet (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits calorimètre (2) et spectromètre (3) sont réunis dans un même appareil. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits moyens de mesure comprennent au moins un processeur (4) et un ordinateur (5) de pilotage qui assurent le contrôle desdits calorimètre (2) et spectromètre (3), le traitement des mesures collectées et l'affichage des résultats. 4. Procédé d'analyse in situ d'un déchet radiologique contenant l'isotope carbone 14, ce déchet radiologique se présentant sous la forme d'un objet solide manufacturé (1), c'est à dire d'un objet intégral non fragmenté à l'aide d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes qui consistent à : a/ introduire ledit déchet dans le calorimètre (2) ; b/ réaliser une mesure, via ledit calorimètre (2), de l'énergie d'origine 13+ émise par ledit déchet ; c/ réaliser une spectroscopie y (gamma) dudit déchet ; d/ soustraire au résultat issu de l'étape b/, l'énergie d'origine 13+ et y issue des isotopes autres que le carbone 14 qui sont émetteurs de rayonnements 13+ et y ; e/ convertir l'énergie ainsi obtenue en activité du carbonel4.