Énergie nucléaire

Des sondes à fibres optiques au cœur du réacteur Jules Horowitz

Des sondes à fibres optiques au cœur du réacteur nucléaire Jules Horowitz (JHR).

Le défi
Placer des sondes à base de fibres optiques au cœur d’un réacteur nucléaire pour sécuriser le déplacement de pièces mobiles et prévenir un accident nucléaire.

Contraintes majeures

La sonde doit avoir une durée de vie minimale de 10 ans dans les conditions suivantes :

  • irradiation Gamma ; doses cumulées sur 10 ans : 1 GGy
  • immersion sous 11 m d’eau avec des variations de température de +15 °C à +50 °C
  • flux neutronique thermique : 2.6E+7 n/s/cm²
  • flux neutronique rapide : 7.3E+6 n/s/cm²
  • fluence neutron thermique : 5.7E+15 n/cm²
  • fluence neutron rapide : 1.6E+15 n/cm²
  • hygrométrie : < 85 % en bord de piscine

La sonde doit également être conforme aux contraintes mécaniques suivantes :

  • absence de polymères dans la partie piscine du réacteur
  • longueur des sondes à l’intérieur du réacteur : > 20 m
  • résolution spatiale : < 0.3 mm
  • faible encombrement requis pour la tête de sonde
  • faibles rayons de courbure induits et nombreux de par le cheminement dans le réacteur

Solution SEDI-ATI

Dans le cadre d’un partenariat, nous avons co-développé des préformes pour créer une fibre optique monomode et une fibre optique multimode répondant aux spécifications du client. Les deux fibres sont composées d’un cœur de silice ultra pur, d’un cladding en fluorosilice, d’un revêtement en cuivre et d’un tube en acier inoxydable.

Nous avons assemblé 6 fibres optiques multimodes autour d’une fibre monomode centrale, pour former une sonde optique nucléarisée.

La tête du capteur est hermétiquement scellée en extrémité des fibres, afin d’éviter toute remontée d’eau par capillarité dans la sonde.

Avantages de la solution SEDI-ATI

  • résistance des capteurs et des cordons fibres optiques aux rayonnements
  • immunité aux effets électromagnétiques
  • assemblage brasé (pas de polymère)
  • plus petit, plus robuste et plus facile à manipuler qu’un thermocouple

Des sondes à fibres optiques au cœur du réacteur Jules Horowitz

SEDI-ATI a conçu des sondes à fibres optiques sur mesure à placer à plusieurs endroits à l’intérieur du réacteur Jules Horowitz pour des impératifs de sécurité tels que la surveillance et la sécurisation du déplacement de systèmes mobiles.

Un réacteur expérimental

Construit au CEA Cadarache en France, le réacteur Jules Horowitz (JHR), est un réacteur de recherche à eau sous pression dont l’objectif est d’étudier le comportement des matériaux sous irradiation et des combustibles des réacteurs de puissance. Le réacteur fonctionnera comme un centre international pour chercheurs et industriels. Il servira à la réalisation d’un large éventail d’expériences d’irradiation pour l’industrie électronucléaire et la médecine nucléaire.

Le JHR réalisera des programmes de recherche et de développement qui serviront à optimiser la sûreté et la durée de vie de l’actuelle génération de centrales nucléaires. Il permettra également d’évaluer les innovations à apporter à la prochaine génération de centrales. Enfin, il offrira de nouvelles capacités expérimentales d’irradiation pour étudier le comportement des matériaux et des combustibles sous irradiation. Le réacteur sera également consacré à la production de radio-isotopes médicaux.

L’importance des radio-isotopes pour la santé publique

Parmi les radioisotopes importants pour la santé publique, on trouve le MOLybdène 99 (Mo-99). Par désintégration radioactive, cet isotope est transformé en un autre isotope appelé Tc-99m, qui est le traceur le plus utilisé en médecine nucléaire. 80 % des scintigraphies réalisées dans le monde utilisent cet isotope, ce qui représente environ 30 millions de protocoles médicaux par an, dont 8 millions en Europe.

Cependant, la plupart des réacteurs produisant le Mo-99 sont sur le point d’arriver en fin de vie. C’est la raison pour laquelle le projet JHR a été lancé. Le JHR assurera la continuité de la production de radio-isotopes pour les décennies à venir. Fonctionnant 220 jours par an, le JHR permettra de produire entre 25 % et 50 % des besoins européens, couvrant le traitement de 2 à 4 millions de patients.

Les dispositifs MOLY et SAD

Quatre dispositifs, appelés MOLY (acronyme de MOLYbdène 99), à l’intérieur du réacteur sont destinés à produire ce radio-isotope particulier, le Mo-99. Ils sont installés sur quatre systèmes mobiles, appelés SAD (appareils de déplacement des équipements), au fond de la piscine du réacteur. Les SAD permettent le déplacement radial des appareils MOLY afin de réaliser le chargement et le déchargement de différents échantillons particuliers à tester. Ils permettent également de déplacer chaque échantillon individuellement dans une position prédéfinie avec un haut degré de précision (le pas de réglage est de 0,3 mm +/-0,1 mm) afin de contrôler et de mesurer avec précision le niveau d’irradiation subi. En outre, les SAD permettent d’ajuster les positions d’irradiation des dispositifs MOLY en fonction de la puissance du réacteur (70 MW ou 100 MW), ceci afin d’optimiser la production de Mo-99.

Des capteurs à fibres optiques assurant le déplacement sécurisé des dispositifs MOLY

Pour assurer le déplacement en toute sécurité et le positionnement précis des dispositifs MOLY, SEDI-ATI a été mandatée pour fournir des sondes à fibres optiques nucléarisées. Ces sondes, installées sur les SAD, effectuent des mesures de réflectivité à distance. Elles sont destinées à mesurer la distance précise entre le SAD et le cœur du réacteur afin d’éviter tout contact entre la pièce mobile et le cœur du JHR.

Pour lever toutes les contraintes de sécurité et de fonctionnement du JHR, nous avons dû concevoir une sonde à fibres optiques innovante aux propriétés exceptionnelles ! En effet, les sondes doivent être exposées à des conditions d’irradiation extrêmes telles que des flux neutroniques très intenses et des rayons gamma allant jusqu’à 1 giga Gray.

À cette fin, nous nous sommes associés à des fabricants renommés de fibres optiques pour co-développer deux préformes différentes afin d’obtenir des fibres optiques uniques : une fibre monomode et une fibre multimode. Les deux fibres sont constituées d’un cœur de silice pure, d’un revêtement de fluorosilice, d’un revêtement en cuivre, et sont enfilées dans un tube en acier inoxydable.

Nous avons assemblé 6 fibres multimodes de plus de 20 mètres chacune autour d’une fibre monomode centrale pour former une sonde optique parfaite. Comme la sonde doit être immergée sous une hauteur d’eau de 11 m, la tête du capteur à fibre optique est hermétiquement scellée afin d’éviter une remontée capillaire de l’eau. Il n’y a aucun matériau polymère sur la partie placée à l’intérieur du réacteur. La sonde est également équipée d’une traversée étanche sur mesure pour faire la liaison avec le poste de contrôle.

Environ 90 de ces sondes à fibres optiques seront placées au cœur du réacteur nucléaire Jules Horowitz pour surveiller et sécuriser le déplacement et le positionnement des dispositifs MOLY.

Tests et qualification

La qualification a été réalisée sur le réacteur de recherche ISIS situé sur le site du CEA à Saclay en France, entre juin 2018 et juillet 2020. Les fibres monomodes et multimodes ont été exposées à des conditions d’irradiation qui dépassent de loin les conditions nominales dans un réacteur nucléaire.

A la fin de l’expérience, l’atténuation mesurée dans les fibres après avoir été exposées à 20 GGy, est de 0,2 dB/km dans la fibre monomode et est encore plus faible dans les fibres multimodes !