Influence of gamma-rays and Neutron Exposure on Optical Fiber Sensor Performances

Influence d'une irradiation gamma et neutronique sur les performances des capteurs à fibres optiques Le projet Cigéo, dirigé par l'Andra (Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs), vise à assurer le stockage à long terme des déchets radioactifs en milieu souterrain. Pour accompagner cette initiative, l'Andra développe un système de surveillance avancé intégrant des techniques à la fois in et ex situ. Parmi celles-ci, les capteurs à fibre optique se démarquent comme une solution prometteuse pour la mesure distribuée de la température et des déformations. Leur capacité à fournir des données déportées, en temps réel avec une résolution spatiale élevée les rend particulièrement adaptés au suivi de l'intégrité structurelle des cellules de stockage dans un environnement fortement irradiant. Les fibres optiques en silice sont largement utilisées dans divers secteurs industriels en raison de leur faible atténuation dans le domaine de l'infrarouge, de leur immunité aux interférences électromagnétiques et de leur capacité de multiplexage. Leur résistance aux radiations peut être améliorée par des ajustements de composition et de structure pouvant les rendre adaptées aux environnements extrêmes tels que ceux rencontrés pour les applications spatiales, les réacteurs nucléaires et les installations de physique des hautes énergies. Cependant, dans le stockage Cigéo, ces capteurs seront exposés à un environnement radiatif complexe combinant rayonnements gamma et neutrons, ainsi qu'à d'autres contraintes environnementales, notamment des températures élevées et la présence d'hydrogène gazeux. Sur une période de surveillance de 100 ans, les doses de radiation attendues varient entre 0.9 MGy(SiO2) et 8.76 MGy(SiO2), avec une fluence neutronique atteignant 1.18×10^14 n.cm-2. Si les effets du rayonnement gamma sur les fibres optiques sont bien documentés, les mécanismes de dégradation induits par les neutrons restent encore insuffisamment explorés, en particulier concernant leur impact sur la performance des capteurs et leur stabilité à long terme. Cette thèse étudie le comportement des câbles à fibre optique utilisés pour la mesure des déformations et de la température dans un environnement radiatif mixte. Une combinaison de campagnes d'irradiation neutron/gamma et de rayons X, associée à des caractérisations en ligne et avant/après irradiation, a été réalisée afin d'évaluer les dégradations induites par les radiations et d'optimiser la performance des capteurs. Une attention particulière a été portée aux effets combinés des radiations, de la température et de la diffusion de l'hydrogène, ce dernier pouvant altérer de manière significative les réponses des fibres optiques. Deux techniques de mesure distribuée complémentaires, la Réflectométrie Optique Temporelle Cohérente à Longueur d'Onde Modulable (TW-COTDR) et l'Analyse Optique de Domaine Brillouin à Pré-Pompage Pulsé (PPP-BOTDA), ont été sélectionnées pour leur haute résolution spatiale et leur capacité à répondre aux exigences de surveillance du stockage Cigéo. Les recherches menées au laboratoire Hubert Curien suivent une approche méthodique, allant de la compréhension fondamentale des phénomènes physiques jusqu'à la qualification des câbles à fibre optique pour cet environnement. Les résultats de cette étude contribuent au développement de capteurs optiques plus résistants pour la surveillance des déchets nucléaires et apportent des perspectives d'atténuation des effets des radiations. Ce travail consiste en la qualification de câbles capteurs candidats pour les premières phases de mise en œuvre du projet Cigéo, garantissant ainsi la fiabilité des solutions de surveillance à long terme dans cet environnement exigeant.