Zones d’intérêt situées au centre du fût

Il est difficile d’interroger une zone d’intérêt au centre du colis sans rencontrer des objets immobilisés dans le liant hydraulique, pour cette raison la matrice est décrite par un mélange du liant hydraulique et des déchets en vrac. L’angle d’ouverture total du faisceau est fixé à 7,24°. Les détecteurs sont orientés pour viser le centre du colis comme le montre la Figure IV - 40. La diffusion des neutrons réduit ici très fortement la sélectivité spatiale et conduit à interroger des zones de la matrice située autour de l’objet.

Aluminium Moteur

Figure IV - 40. Dispositif de détection pour le colis d'enrobé bitumineux dans le cas d’une zone d’intérêt au centre du colis, et lieux d’interaction des neutrons dans la matrice obtenus avec MCNP Vised. Les points rouges représentent l’énergie maximale de 14 MeV et les points bleus correspondent à l’énergie minimale de 10 meV des neutrons.

La déconvolution du spectre en énergie du bloc d’aluminium au centre du colis présenté en Figure IV - 41 montre une proportion de rayonnements gamma caractéristiques de l’aluminium, non significative ce qui montre qu’il est définitivement très difficile de détecter la présence de l’aluminium dans une matrice de déchets en vrac.

Pour le moteur au centre du colis, la Figure IV - 41 montre que le fer est détecté avec un pourcentage de ~ 6 % supérieur à celui trouvé dans le spectre du mélange seul (~ 3 %).

Figure IV - 41. Spectres gamma correspondants au bloc d’aluminium (en haut à gauche), de fer (en haut à droite), et mélange liant + déchets (en bas) au centre du colis de 870 L

5 Conclusion

Le dimensionnement par simulation numérique du poste de mesure par interrogation neutronique avec la technique de la particule associée des colis de déchets radioactifs MAVL (Moyenne Activité Vie Longue) a permis de déterminer le blindage, l’écran et la position des détecteurs par rapport aux colis. L’objectif principal était de limiter le taux de comptage dû à l’émission radiologique (essentiellement gamma) des déchets et le bruit aléatoire associé. Un blindage de la source neutronique a aussi été modélisé pour ne pas accroître ce bruit déjà très important.

Dans tous les cas présentés, les détecteurs sont entourés d’un collimateur de 5 cm d’épaisseur et d’un écran de protection vis-à-vis du colis de 0.5 cm d’épaisseur, tous deux en plomb. Le taux de comptage total calculé pour un scintillateur au LaBr3(Ce) de dimensions 3"×3" situé à 40 cm du colis en fond de collimateur est alors supérieur à 10⁶ coups/s pour les fûts d’enrobé bitumineux et de béton fibres les plus actifs (plus de 10¹² Bq de ¹³⁷Cs). Avec de tels taux de comptage, les taux d’empilement dans les détecteurs et le débit d’information à traiter par l’électronique sont critiques. Ce niveau d’activité est cependant à prendre comme une valeur supérieure des activités réellement présentes dans les colis. Des calculs complémentaires ont donc aussi été réalisés avec des niveaux d’activité plus faibles. Il faudra éventuellement envisager de reculer encore les détecteurs dans les collimateurs et d’accroître l’épaisseur des écrans pour les colis les plus actifs, au détriment de la sensibilité et donc au prix d’un accroissement de la durée de mesure (60 min pour les simulations présentées). Par contre, pour le colis de 870 L du CEA, moins actif, la distance du détecteur par rapport au fût peut être réduite à 10 cm. Pour ces différentes configurations, il a aussi été vérifié par simulation que le recouvrement entre le signal gamma utile induit par les neutrons signés et le signal parasite dû à la rétrodiffusion d’une partie de ces neutrons vers les détecteurs reste négligeable.

Par ailleurs, le blindage autour du générateur de neutrons, constitué d’une sphère de polyéthylène de 60 cm de rayon, permet de réduire de près d’un facteur 10 le taux de comptage des détecteurs gamma dû à cette source interrogatrice, et de le rendre négligeable par rapport au taux de comptage dû à l’émission gamma des déchets. Ceci permet notamment

Liant Hydraulique + Déchet vrac

d’utiliser le générateur à un niveau d’émission neutronique de 2.10 n/s, valeur maximale pour les tubes à particule associée disponibles sur le marché, permettant ainsi un gain significatif en sensibilité par rapport aux systèmes de mesure sans écran générateur qui fonctionnent à quelques 10⁷ n/s. Il faudra également tenir compte, au niveau des spécifications de l’électronique, d’un taux de comptage très élevé du (ou des) détecteur(s) alpha, typiquement de l’ordre du pourcent de l’émission totale.

Sans tenir compte de ces effets de saturation potentiels dans les détecteurs et l’électronique d’acquisition, les simulations ont ensuite montré que la caractérisation élémentaire d’objets inclus dans les colis d’enrobés bitumineux, de béton fibres CBFC’2 et de 870 L (déchets en vrac bloqués dans du béton) apporte, dans la plupart des cas étudiés, des informations exploitables en une heure d’acquisition, malgré l’influence du bruit de fond aléatoire estimé précédemment. L’utilisation d’un seuil de coupure électronique à 790 keV permet notamment d’améliorer significativement le rapport signal sur bruit, ce dernier étant dû principalement à l’émission gamma à 661,7 keV du ¹³⁷Cs présent dans les colis. Ces informations sur la composition élémentaire des matériaux interrogés, en complément de celles apportées par l’imagerie photonique, peuvent permettre d’identifier la nature d’objets ou de zones des colis repérés préalablement par cette technique.

Les cas les plus pénalisants concernent la caractérisation d’objets situés en profondeur dans les colis très actifs, comme ceux d’enrobé bitumineux et de béton fibre. Les fluctuations statistiques de comptage rendent difficile la détection des éléments d’intérêt. Elles peuvent être réduites en utilisant plus de détecteurs. Il est aussi envisageable, en cas de colis d’activité plus faible, de rapprocher les détecteurs du colis. Il est également envisageable d’accroître le temps de mesure. Néanmoins, une autre limitation importante est la diffusion des neutrons dans la matrice des déchets, qui dévie en partie le faisceau de neutrons signés de l’objet à caractériser et réduit la sélectivité spatiale de la technique de la particule associée. Dans certains cas, comme celui d’objets au centre du colis de 870 L, même avec une bonne précision statistique de comptage, la caractérisation élémentaire de la zone d’intérêt est impossible.

Enfin, il serait avantageux de coupler la technique de la particule associée avec d’autres méthodes d’investigation telle que l’interrogation neutronique pulsée, avec laquelle on peut mesurer les rayonnements gamma de capture de certains éléments dont les sections efficaces sont de plusieurs centaines de barns, comme pour les toxiques chimiques que sont le bore, le cadmium et le mercure [121]. Les inconvénients de cette technique sont l’absence de sélectivité spatiale et la forte absorption du flux neutronique thermique interrogateur, mais la sensibilité pour ces éléments est a priori plus grande et les deux méthodes peuvent être utilisées de façon complémentaire pour répondre à différents objectifs de caractérisation élémentaire des colis de déchets MAVL.