Sujet de thèse résumés gaz rares 2009 révisé

Ap152492

Description

CRDS gaz rares thèse 2010 Sujet de thèse : étude de la mesure du xénon par CRDS dans le cadre de l'amélioration de la sureté des réacteurs à neutrons rapides Sujet 2010 Agnès Pailloux, directeur de thèse D Romanini Collaboration DM2S : Philippe Roblin Résumé français Résumé anglais Sujet détaillé Résumé français Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'amélioration de la sûreté qui est un élément clé du développement des réacteurs de génération IV. Elle vise à étudier un système, basé sur une mesure spectroscopique innovante par absorption laser, qui permette le suivi in situ en temps réel de traces de gaz rares indicateurs précoces d'un dysfonctionnement. Le travail de thèse fait appel à diverses compétences qui seront développées, de la spectroscopie à la modélisation d'une décharge, jusqu'à la mise en œuvre d'un système optique innovant. Cette activité s’insère au sein du département de physico-chimie (DPC) doté d’un vaste parc analytique, et dans le service de chimie physique (SCP), dont une des missions est de développer des systèmes optiques innovants pour l’analyse. Les modélisations théoriques sont effectuées en s'appuyant sur l'expertise du département de modélisation des systèmes et des structures (DM2S). Enfin en ce qui concerne les techniques d'absorption laser ultrasensibles, le service collabore avec Daniele Romanini du Laboratoire de Spectrométrie Physique de l’université J Fourier de Grenoble, expert international en mesure ...

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CRDS gaz rares thèse 2010

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Sujet de thèse : étude de la mesure du xénon par CRDS dans le cadre de l'amélioration de la

sureté des réacteurs à neutrons rapides

Sujet 2010

Agnès Pailloux,

directeur de thèse D Romanini

Collaboration DM2S : Philippe Roblin

Résumé français

Résumé anglais

Sujet détaillé

Résumé français

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'amélioration de la sûreté qui est un élément clé du

développement des réacteurs de génération IV. Elle vise à étudier un système, basé sur une

mesure spectroscopique innovante par absorption laser, qui permette le suivi in situ en temps

réel de traces de gaz rares indicateurs précoces d'un dysfonctionnement. Le travail de thèse

fait appel à diverses compétences qui seront développées, de la spectroscopie à la

modélisation d'une décharge, jusqu'à la mise en oeuvre d'un système optique innovant. Cette

activité s’insère au sein du département de physico-chimie (DPC) doté d’un vaste parc

analytique, et dans le service de chimie physique (SCP), dont une des missions est de

développer des systèmes optiques innovants pour l’analyse. Les modélisations théoriques sont

effectuées en s'appuyant sur l'expertise du département de modélisation des systèmes et des

structures (DM2S). Enfin en ce qui concerne les techniques d'absorption laser ultrasensibles,

le service collabore avec Daniele Romanini du Laboratoire de Spectrométrie Physique de

l’université J Fourier de Grenoble, expert international en mesure de traces de gaz par des

techniques d'absorption laser CRDS (Cavity RingDown Spectroscopy) et OFCEAS (Optical

Feedback Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy).

La décharge appropriée à la production de xénon métastable sera étudiée théoriquement et

modélisée. Parallèlement, l'ensemble des paramètres spectroscopiques mis en jeu dans cette

mesure sera déterminé en fonction des conditions de la décharge, afin de modéliser les

transitions optiques dans les conditions expérimentales. Un système complet sera alors réalisé,

optimisé et caractérisé en laboratoire. Une validation expérimentale de la mesure sera

effectuée sur une installation test du CEA. Cette mesure optique doit permettre de détecter des

traces de xénon sans étape de préparation d'échantillon, en temps réel, à des niveaux de 10

10

atomes/cm

3

, gamme de sensibilité recherchée pour la mesure du xénon dans le cadre de la

sécurité des réacteurs.

Résumé en anglais

Study of sensitive xenon measurement by CRDS to improve safety in the fast neutron reactors

Safety is a key point of the IV

th

generation nuclear reactors. Therefore new analytical methods

are investigated for reliably detecting tracers of a nuclear reactor malfunction. This PhD work

aims at studying an innovative laser absorption method to measure gaseous tracers indicating

a reactor malfunction. This work requires various skills from spectroscopy to plasma

discharge modelling, and innovative optical system realization and operation. This study is

part of the research and development activity of the Physical Chemistry Department (DPC),

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which is partly involved in improving and developing tools and analytical methods. The

Expertise of the Systems and Structures Modeling Department (DM2S) is used to work on

theory and modeling. Then the optical system studies are a collaboration work with the

"Spectrometrie Physique" laboratory of the Grenoble University (France), which is a leader

research laboratory in trace gas detection by laser absorption methods CRDS (Cavity

RingDown Spectroscopy) and OF-CEAS (Optical Feedback Cavity Enhanced Absorption

Spectroscopy).

At first, the discharge conditions to generate metastable atoms will be theoretically studied

and modelled. Then spectroscopic issues must be carefully considered, theoretically. Both

studies lead to an experimental set-up, which is realized and optimized. Its performances for

the rare gas detection are evaluated in laboratory conditions. Finally, a real measurement will

be organized in a CEA test facility. This optical measurement is expected to detect in real

time low number density of xenon atoms, in good agreement with the requirements related to

nuclear reactors safety.

Sujet détaillé

La sureté est un élément clé des réacteurs de génération IV. De nouvelles méthodes d'analyse

sont ainsi expertisées dans le but de mesurer plus rapidement et précisément des traceurs

pertinents d'un début de dysfonctionnement. Les isotopes radioactifs des gaz rares sont des

produits de fission qui s'échappent dès la fissuration d'une gaine de combustible, annonçant

ainsi un probable incident. Parmi les produits de fission, les gaz rares sont les plus rapidement

détectables en raison de leur absence de réactivité chimique. Le xénon est le gaz rare le plus

abondant en cas de rupture de gaine, suivi par le krypton. Les densités attendues dans le ciel

de couverture constitué d'argon est de l'ordre de 4.5 10

9

Xe/cm

3

, et 25 fois moins pour le

krypton. Actuellement, les gaz rares à l'état de traces sont détectés par spectrométrie

γ

, après

suppression du bruit de fond donc avec retard, ou par spectrométrie de masse gaz, après

enrichissement en xénon et krypton du gaz de couverture.

Depuis 2006, le CEA travaille au développement et à l’adaptation des techniques d’absorption

laser en cavité de haute finesse (CRDS, OF-CEAS) pour des mesures de traces de gaz (en

parties par milliards) in-situ dans le cadre de différents programmes nucléaires : sécurité et

sureté des réacteurs de génération IV, contrôle des fuites des colis de déchets, localisation de

fuites sur ITER. Cette technique est également appliquée à la détection environnementale de

traces de gaz. Cette activité s’insère au sein du département de physico-chimie doté d’un vaste

parc analytique, et dans le service de physico-chimie, dont une des missions est de développer

des systèmes optiques innovants pour l’analyse. Les modélisations théoriques sont effectuées

en s'appuyant sur l'expertise du département de modélisation des systèmes et des structures

(DM2S), en particulier au service des Fluides numériques, modélisation et études (SFME).

Enfin en ce qui concerne les techniques d'absorption laser ultrasensibles, nous collaborons sur

ces thématiques avec Daniele Romanini du Laboratoire de Spectrométrie Physique de

l’université J Fourier de Grenoble, expert international en mesure de traces par des techniques

d'absorption laser [1]. La CRDS (Cavity RingDown Spectroscopy) et l'OFCEAS (Optical

Feedback Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy) sont des mesures laser en temps réel

(seconde), sensibles (ppb voire ppt) et sélectives (isotopie) [2]. Les dispositifs de mesure sont

compacts, faciles à mettre en oeuvre même en extérieur. Enfin la mesure est absolue, et ne

nécessite par de maintenance.

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Dans le cas de tous les gaz rares, les transitions optiques accessibles à partir du niveau

électronique fondamental sont dans l’extrême UV (

≤

110 nm), domaine spectral inatteignable

par les lasers commerciaux. En revanche, les gaz rares ont des transitions optiques intenses

(coefficient d'absorption de l'ordre de 3.5 10

-9

cm

2

) vers 800-1000 nm, domaine des diodes de

type télécom, mais ces transitions impliquent leur niveau métastable électronique le plus bas,

dans la gamme 8-12 eV selon le gaz rare. La préparation des atomes sur cet état nécessite des

collisions

électroniques,

processus

qui

intervient

dans

les

décharges

linéaires

ou

radiofréquences [3]. Par conséquent, détecter un gaz rare par CRDS nécessite de coupler une

décharge au diagnostic optique. D'après la littérature, de telles configurations ont déjà été

testées avec succès sur divers éléments et isotopes[4][5][6], mais jamais sur le xénon. Par

ailleurs, les équipes travaillant sur la manipulation d'atomes froids préparent les gaz rares sur

un état métastable avant de les manipuler (piège, condensat) [7].

Cette étude commencera par l'étude d'une décharge favorable à la production d'atomes

métastables de xénon fonctionnant à des pressions de l'ordre du mbar; il faut trouver un

compromis entre les collisions électroniques produisant des métastables, une densité atomique

de xénon élevée, et une fréquence de collision des métastables leur permettant d'être détectés

optiquement avant de relaxer sur le fondamental. Une modélisation sera effectuée en

collaboration avec le DM2S/SFME afin de déterminer les paramètres de décharge les plus

pertinents. Puis il faudra adapter cette décharge à une analyse optique en cavité de haute

finesse CRDS ou OFCEAS, dans le but d'obtenir une densité d'atomes métastables quasi

homogène dans la zone de mesure. Le bruit généré par la décharge et le pompage devra être

minimisé afin de conserver les performances de la détection optique. La pression et le flux de

gaz dans la cellule d'analyse seront parfaitement contrôlés. Les effets mémoire seront étudiés.

Tous les isotopes du xénon sont détectés sur la transition à 882 nm, à partir d'un bruit de fond

nul en fonctionnement normal. Les concentrations isotopiques sont modifiées lors d'un

incident, et la concentration totale de xénon dans le gaz de couverture augmente. Les

décalages isotopiques et les structures hyperfines des isotopes impairs seront calculés. Cette

structure isotopique sera comparée aux élargissements présents dans la décharge [8],

notamment Doppler mais aussi collisionnel pour connaitre l'influence de la pression sur les

transitions observées. L'éventuelle influence du champ électrique de la décharge sera prise en

compte, de même l'intensité de saturation de la transition optique sélectionnée, et les

interférences potentielles avec le gaz majoritaire. Pour les isotopes non-radioactifs, les

données spectroscopiques théoriques seront vérifiées expérimentalement dans une cellule

optique pourvue d'une décharge radiofréquence. A partir de ces données spectroscopiques et

de la modélisation des spectres sera déterminé l'intervalle spectral libre de la cavité de haute

finesse du système CRDS ou OFCEAS utilisée pour les mesures. On en déduira une

estimation théorique de la sensibilité des mesures optiques.

Enfin, le système couplé décharge et CRDS ou OFCEAS sera mis en oeuvre et évalué, d'abord

en recherchant expérimentalement les conditions de fonctionnement optimales. Le mesure

optique sera adaptée et optimisée dans cette nouvelle configuration. Les performances de ce

nouvel instrument seront caractérisées en laboratoire. Les premières limites de détection

seront évaluées par dilution progressives du xénon dans l'argon. Des mesures en conditions

réelles pourront alors être réalisées sur les installations de test du CEA ou d'AREVA. Les

premières estimations théoriques montrent que cette méthode doit permettre de détecter le

xénon produit lors d'une rupture de gaine en temps réel et sans préparation d'échantillon,

ouvrant la porte à une mesure plus simple et robuste des gaz rares, traceurs stratégiques de

l'industrie du nucléaire.

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[1]

J. Morville, S. Kassi, M. Chenevier, D. Romanini, " Fast, low-noise, mode-by-mode,

cavity-enhanced absorption spectroscopy by diode-laser self-locking " Appl. Phys. B 80,

1027–1038 (2005); J. Morville, D. Romanini, A.A. Kachanov, M. Chenevier, " Two schemes

for trace detection using cavity ringdown spectroscopy", Appl. Phys. B 78, 465–476 (2004)

[2]

G. Berden, R. Peeters, and G. Meijer, « Cavity ring-down spectroscopy : experimental

schemes and applications, » Int. Rev. Chem., 19, 565-607, 2000. M. Mazurenka & al., Annu.

Rep. Prog. Chem., Sect. C 101 (2005), 100–142

[3]

B. Chapman, “glow discharge processes”, wiley interscience publication, 1980

[4]

C.

Wang,

“Plasma-cavity

ringdown

spectroscopy

for

elemental

and

isotopic

measurements”, J. Anal. At. Spectrom. 22 1347-1363 (2007)

[5]

Meriam Triki, “Cavités optiques de haute finesse pour la mesure de composes à l’état de

trace en phase gazeuse”, these de l’université J. Fourier Grenoble I, 2008

[6]

B.M. van der Ende, C. Winslade, R.L. Brooks, R.H. deLaat, and N.P.C. Westwood,

"CRDS study of auto-ionizing Rydberg states of argon in a microwave discharge", Can. J.

Phys. 87, 575-581 (2009)

[7]

H.J. Metcalf et P. van der Straten, "Laser Cooling and Trapping", Springer 1999

[8]

M.W. Sigrist, “Air monitoring by spectroscopic techniques”, Wiley Interscience

publication 1994

Financement de la thèse par une bourse CEA

Contact : Agnes Pailloux, responsable du sujet de thèse : [e-mail] ou au

01 69 08 65 92

CEA Saclay

Laborartoire d'Interaction Laser Matière au Département de Physico Chimie