Le LNE-LNHB dispose d’une installation dédiée à l’étalonnage de sources neutrons, basée sur la méthode dite du « bain de manganèse ». Cette méthode est utilisée depuis les années 1960 dans les laboratoires nationaux de métrologie comme méthode de référence pour mesurer le débit d’émission de sources neutrons. La gamme de mesure du débit d’émission neutronique actuellement couverte par la méthode du bain de manganèse au LNE-LNHB est de quelques 105 s-1 à 109 s-1, avec une incertitude-type relative de 0,5 % à 2 %.
Ce projet vise à élargir la gamme de mesure du laboratoire à des sources de plus faible émissivité (jusqu’à quelques 103 s-1) afin de répondre de manière plus large aux besoins d’étalonnage. En effet, les demandes d’étalonnage de telles sources sont amenées à croître en raison des règles de l’autorité de sureté nucléaire (ASN), limitant à 10 ans la durée d’utilisation des sources radioactives, en application de l’article L.1333 du code de la santé publique. Ces sources sont utilisées dans une grande variété d’applications : la prospection géologique, le contrôle non-destructif par neutronographie, les analyses de traces par activation neutronique, l’irradiation de matériaux, le démarrage et le pilotage des réacteurs nucléaires (en particulier les réacteurs compacts utilisés dans les chaudières de propulsion navale), ou encore l’étalonnage de dosimètres.
Objectifs
Développer un nouveau dispositif de mesure dédié à la caractérisation de sources neutrons de type XBe ou de sources de fission spontanée. Ce dispositif sera complémentaire à la méthode de référence du bain de manganèse et permettra d’étendre la gamme de mesure du laboratoire aux sources de plus faible émissivité, jusqu’à quelques 103 s-1.
Etudier la faisabilité d’une spectrométrie neutron des sources. Un développement spécifique sera réalisé afin de mettre au point un algorithme de reconstruction du spectre.
Résumé et premiers résultats
Dans le cadre de ses missions en tant que laboratoire national de métrologie des rayonnements ionisants, le LNE-LHNB assure la métrologie des neutrons en termes de débit d’émission sous 4π sr, dont l’unité est la s-1. Le laboratoire dispose d’une installation dédiée à l’étalonnage de sources neutrons, basée sur la méthode dite du « bain de manganèse » : la source est immergée dans une solution de sulfate de manganèse, les neutrons créent 56Mn par réaction (n, γ) sur 55Mn et le débit d’émission de la source est déduit de l’activité en 56Mn de la solution, via une modélisation ad-hoc du système. Cette méthode est utilisée depuis les années 1960 dans les laboratoires nationaux de métrologie comme méthode de référence de la mesure de débit d’émission neutronique. Cette grandeur est aujourd’hui inscrite dans la portée d’accréditation COFRAC du laboratoire afin de répondre de manière adéquate aux besoins d’étalonnage en France. La délivrance d’un certificat d’étalonnage COFRAC garantit la traçabilité des résultats au système international d’unités (SI) grâce aux inter-comparaisons organisées par le BIPM. La gamme de mesure avec la technique du bain de manganèse est de quelques 105 s-1 à 109 s-1, avec une incertitude-type relative de 0,5 % à 2 %. Le débit d’émission minimal mesurable est particulièrement limité par l’activité de 56Mn créée dans la solution. En dessous de 105 s-1, cette activité devient relativement faible, inférieure au Bq, et difficile à mesurer avec une précision satisfaisante.
L’étude proposée vise à développer un nouveau dispositif pouvant mesurer des sources de plus faible émissivité, jusqu’à 103 s-1. Ce dispositif sera complémentaire de la technique du bain de manganèse et permettra d’élargir les capacités du laboratoire pour la caractérisation de sources neutrons. Il sera constitué d’un récipient de type Marinelli de gros volume pouvant accueillir la source et plusieurs types de détecteurs de neutrons en même temps : compteur proportionnel de type 3He par exemple, détecteur à scintillation, détecteur par activation neutronique. Le récipient sera rempli d’eau pour thermaliser les neutrons. La combinaison des techniques de mesure permettra d’optimiser la mesure du débit d’émission et de réduire les incertitudes.
Les mesures avec les différentes voies seront exploitées pour étudier la faisabilité d’une spectrométrie de la fluence neutronique de la source. En effet, la connaissance du spectre d’émission neutronique constitue aussi une étape importante de leur caractérisation pour un certain nombre d’applications. Cette partie fera d’objet de développements spécifiques pour mettre au point un algorithme de reconstruction de spectres. Ce travail est motivé par des études récentes réalisées au CEA/LIST/DM2I pour la caractérisation de sources de type PuBe, fabriquées par le CEA ATALANTE pour les besoins de la propulsion navale. Les résultats avaient en effet mis en évidence des écarts significatifs entre les spectres en énergie mesurés et ceux calculés à l’aide de différents codes de référence, par exemple SOURCES 4C. D’autre part, la connaissance du spectre en énergie des neutrons est aussi nécessaire pour estimer le débit d´équivalent de dose afin de mieux estimer la réponse d’instruments de radioprotection.
Impacts scientifiques et industriels
- Réalisation de prestations d’étalonnage de sources neutrons en termes de débit d’émission neutronique et de mesure de spectre en énergie.
- Extension de la gamme de mesure du laboratoire.
- Amélioration des incertitudes de mesures.
- Développement d’un outil de caractérisation des spectres en énergie de sources neutrons. De nombreux domaines d’application bénéficieront de ce type de développement : optimisation des champs neutroniques utilisés dans le démarrage de réacteurs embarqués, dosimétrie neutronique, caractérisation de détecteurs secondaires, etc.
Partenaires
CEA/LIST/DM2I/LCAE, Laboratoire Capteurs Architectures Electroniques
- Collaboration sur la partie conception et réalisation du dispositif de mesure
- Collaboration sur la partie spectrométrie neutron
CEA/DEN/DPN/STXN
- Collaboration sur la partie spectrométrie neutron pour les sources de types PuBe
IRSN/LMDN, Laboratoire de Métrologie et de Dosimétrie des Neutrons
- Collaboration sur la partie spectrométrie neutron