[0001] La présente invention concerne les techniques d'inspection des installations nucléaires. Elle vise à estimer la distribution de substances radioactives dans la structure de l'installation.

[0002] Il existe plusieurs méthodes pour déterminer in situ la quantité de radionucléides dans une installation nucléaire. Cependant, la limitation principale de ces méthodes réside dans la détermination de la distribution en profondeur de ces radionucléides, en particulier dans les enceintes en béton faisant partie de l'installation. La connaissance de cette distribution est essentielle pour les activités de démantèlement, par exemple pour déterminer l'épaisseur de matériau à enlever.

[0003] Une méthode de contraste par distance consiste à effectuer deux mesures à deux distances du milieu à caractériser (mur ou sol, par exemple), puis à exploiter leur rapport. Voir A. Al-Ghamdi, et X. G. XU, "Estimating the Depth of Embedded Contaminants From in-Situ Gamma Spectroscopic Measurements", Health Physics, Vol. 84, No. 5, mai 2003, pp. 632-636. Cette première méthode convient pour des sources à géométrie définie localisées près de la surface inspectée, mais pas pour des sources de forme inconnue.

[0004] Une autre méthode utilise l'atténuation de deux raies gamma. Elle suppose l'existence d'un isotope émettant deux énergies différentes. Voir M. Korun, et al., "In-situ measurements of the radioactive fallout deposit", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Vol. A300, No. 3, février 1991, pp. 611-615, ou M. Korun, et al., "In- situ measurement of Cs distribution in the soil", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Vol. B93, No. 4, septembre 1994, pp. 485-491. Cette méthode ne permet d'estimer qu'un seul paramètre en profondeur. De plus, cette approche suppose une distribution spatiale uniforme des radionucléides.

[0005] Le brevet US 6 528 797 décrit une méthode angulaire applicable à tout matériau/milieu à condition que ses propriétés d'atténuation soient négligeables, connues, mesurables ou estimables. La méthode angulaire permet de caractériser des distributions en profondeur complexes. La distribution en profondeur est calculée sans connaissance a priori, sans hypothèse sur sa forme, sans nécessité d'utiliser des méthodes invasives complémentaires. La méthode est basée sur une différenciation en angle et en énergie. [0006] Les techniques actuelles ne permettent pas de déterminer commodément sur site, de façon rapide et précise la contamination radiologique en profondeur dans des ouvrages de génie civil, par exemple, une installation nucléaire. L'obtention d'une cartographie en trois dimensions de la contamination présente dans les murs de l'installation nucléaire à démanteler serait très utile pour optimiser à la source le tri des déchets. Cette cartographie pourrait être directement liée à une classification officielle, en répertoriant l'activité par unité de masse tout en évaluant la composition isotopique des sources radioactives. Par ailleurs, la localisation et la détermination des sources radioactives en profondeur restent un problème de taille pour les études de radioprotection lors de chantiers de démantèlement. Les méthodes existantes restent trop contraignantes.

[0007] A l'heure actuelle, on effectue des analyses spectrochimiques d'éléments carottés en laboratoire. Celles-ci induisent des coûts et des délais spécifiques ainsi que du travail réglementaire lors de la constitution de dossiers de demande d'autorisation de transport.

[0008] Un objectif de la présente invention est de proposer une technique capable de déterminer de façon rapide et précise la profondeur de contamination dans le cas de sources volumiques dont la distribution n'est pas connue ou pour des sources hétérogènes.

[0009] Un autre objectif de la présente invention est de proposer un système et un procédé in situ et non destructifs de détermination de la profondeur de contamination radiologique. Cela permet d'évaluer correctement les volumes de déchets afin d'optimiser leur séparation et leur classification.

[0010] Il est proposé un procédé et un système d'inspection d'une installation nucléaire. Le procédé comprend :

- disposer un détecteur de rayonnement devant une surface d'une portion de l'installation, le détecteur étant collimaté pour recevoir du rayonnement d'une région cylindrique de la portion de l'installation;

- réaliser plusieurs mesures du rayonnement reçu par le détecteur de rayonnement pour différentes énergies d'émission et différentes distances, le long de l'axe de la région cylindrique, entre le détecteur de rayonnement et la surface de la portion d'installation; et - analyser les mesures de rayonnement en subdivisant la région cylindrique en plusieurs mailles de façon à estimer des niveaux de radioactivité respectifs dans les mailles.

[0011] Le système comprend:

- un détecteur de rayonnement collimaté pour recevoir du rayonnement d'une région cylindrique d'une portion de l'installation et réaliser plusieurs mesures dudit rayonnement pour différentes énergies d'émission et différentes distances, le long de l'axe de la région cylindrique, entre le détecteur de rayonnement et la surface de la portion d'installation; et

- un analyseur pour analyser les mesures de rayonnement en subdivisant la région cylindrique en plusieurs mailles de façon à estimer des niveaux de radioactivité respectifs dans les mailles.

[0012] Le détecteur de rayonnement peut notamment être disposé de façon à ce que la région cylindrique ait son axe perpendiculaire à la surface de la portion d'installation.

[0013] Dans une réalisation, les mailles sont des tranches de la région cylindrique subdivisées perpendiculairement à l'axe de la région cylindrique.

[0014] L'analyse des mesures de rayonnement peut comprendre une inversion d'un système linéaire Ç.a = m, où:

• m est un vecteur ayant pour composantes les mesures de rayonnement réalisées;

• a est un vecteur ayant pour composantes les niveaux de radioactivité à estimer pour les différentes mailles; et

• C est une matrice ayant pour composantes des valeurs précalculées en fonction:

- des énergies d'émission du rayonnement dans les mesures réalisées;

- des distances, lors des mesures réalisées, entre le détecteur de rayonnement et la surface de la portion d'installation; et

- des temps pendant lesquels les mesures de rayonnement sont réalisées.

[0015] Une méthode de régularisation peut être appliquée dans l'inversion du système linéaire.

[0016] Un mode de réalisation du système proposé comprend un collimateur associé au détecteur de rayonnement, réglable pour n'envoyer vers le détecteur que du rayonnement provenant de ladite région cylindrique, quelle que soit la distance choisie entre le détecteur de rayonnement et la surface de la portion d'installation. Le collimateur peut notamment avoir une partie mobile et une partie fixe permettant la translation du détecteur le long de l'axe de la région cylindrique à l'intérieur du collimateur.

[0017] Le système peut encore comporter un dispositif de visée laser pour assurer que l'axe de la région cylindrique reste perpendiculaire à la surface de la portion d'installation.

[0018] D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en perspective montrant schématiquement le principe d'inspection d'une installation nucléaire selon l'invention;

- la figure 2 illustre la géométrie d'un modèle selon l'invention auquel il peut être fait référence pour l'estimation des niveaux d'activité d'une installation nucléaire.

- la figure 3 montre un exemple de paramètres dimensionnels qui ont été testés pour valider la méthode d'estimation des niveaux d'activité selon l'invention ;

- la figure 4 est une vue en perspective d'un système pour inspecter une installation nucléaire dans un milieu selon un mode de réalisation préféré de l'invention ;

- la figure 5 est une vue en coupe selon l'axe X' de la partie fixe du collimateur du mode de réalisation illustré dans la figure 4.

[0019] Le procédé selon l'invention utilise une différenciation en distance et en énergie pour obtenir des profils radioactifs. Il comporte la réalisation de plusieurs mesures (deux, trois, quatre voire plus) sur un milieu 1, à des distances D différentes pour plusieurs raies d'émissions par un système de détection comprenant au moins un détecteur de rayonnement 2 (figure 1).

[0020] Le « milieu » dont il s'agit, est une portion d'une installation nucléaire contenant des radionucléides. Cette portion peut faire partie du sol ou d'éléments structurels d'une construction en béton ou en acier, contaminée par des radionucléides.

[0021] Pour effectuer les mesures, on dispose le détecteur de rayonnement 2 devant une surface 20 du milieu 1. Le détecteur de rayonnement 2 est disposé de façon à ce qu'il reçoive du rayonnement d'une région cylindrique 25 de diamètre d ayant son axe X perpendiculaire à la surface 20.

[0022] Le détecteur de rayonnement 2 est collimaté pour recevoir du rayonnement en provenance de cette même région cylindrique 25 quelle que soit la distance D. La collimation est par exemple réalisée à l'aide d'un collimateur en plomb aligné sur l'axe X, qui peut donc être vu aussi comme un axe X' du système de détection.

[0023] Plusieurs mesures du rayonnement reçu par le détecteur 2 sont effectuées à différentes énergies d'émission et pour différentes distances D, le long de l'axe X, entre le détecteur de rayonnement 2 et la surface 20 du milieu 1.

[0024] Les mesures à des distances différentes par rapport à la surface 20 sont réalisées par translation du détecteur de rayonnement 2 parallèlement à son axe X'. Les énergies d'émission sont présélectionnées en fonction du spectre des radionucléides qu'on s'attend à rencontrer dans la structure, par exemple des raies de l'Europium 152 et/ou 154 qu'on trouve souvent dans des bétons activés.

[0025] Les mesures de rayonnement sont analysées à l'aide d'un calculateur faisant référence à un modèle selon lequel la région cylindrique examinée est subdivisée en plusieurs mailles de diamètre d, ayant par exemple des épaisseurs régulières, de façon à estimer des niveaux de radioactivité respectifs dans les mailles.

[0026] La figure 2 illustre la géométrie d'un modèle auquel il peut être fait référence pour estimer des niveaux d'activité a _j selon l'invention. Les notations sont les suivantes:

• O est le point situé à l'intersection de l'axe X' du détecteur de rayonnement 2 avec la surface 20 du milieu 1 à laquelle le détecteur de rayonnement 2 fait face;

• A est un point de l'ouverture du détecteur de rayonnement 2, formant le centre d'un petit élément de surface dS = r.dr.dcû, où r et ω désignent des coordonnées polaires de A dans le plan sensible du détecteur 2 qui est perpendiculaire à l'axe X';

• A' est le centre d'un petit élément de volume cylindrique dV appartenant à la région cylindrique 25. Ce point A' est situé à une profondeur p en arrière de la surface 20 et à une distance r' de l'axe X (Χ'). Relativement au point origine O et à l'axe X (Χ'), le point A' a pour coordonnées polaires (p, r', Θ), et le volume élémentaire dV a pour expression dV = r'.dr'.dO.dp = dS'.dp, en notant dS' = r'.dr'.dO; et • J est l'intersection entre le segment allant de A' à A et la surface 20.

[0027] Le carré de la distance A'A entre les points A et A' est donné par:

A'A ² = (D+p) ² + (p.sin0 - r.sinco) ² + (p.cos0 - r.cosco) ² (1) tandis que la distance A'J entre les points A' et J est donnée par:

A'J = A'A x p/(D+p) (2)

[0028] Le flux élémentaire δφ(Ε) du rayonnement gamma à l'énergie d'émission E allant du volume élémentaire dV autour du point A' à la surface de détecteur élémentaire dS autour du point A peut s'exprimer de la manière suivante:

-μ(Ε).Α7

δφ(Ε) = .dS.dS'.dp (3)

4π. A' A ² où μ(Ε), en unités de cm ^"1 , est le coefficient d'atténuation du rayonnement dans le béton à l'énergie E.

[0029] Pour une mesure à la distance D de la surface 20 du milieu 1, le nombre M _D (E) d'événements comptés par le détecteur 2 à une énergie E est exprimé par:

M _D (E) = e(E).Y(E).t _D .∑ai.F _Dji (E) (4)

i=l

où: n est le nombre de mailles dans la subdivision de la région cylindrique 25;

t _D est la durée de la mesure faite à la distance D; ε(Ε) est le rendement intrinsèque du détecteur 2 à l'énergie E;

Y(E) est le rapport de branchement de la raie d'émission d'énergie E;

a _j est le niveau d'activité volumique de la maille i, c'est-à-dire une quantité qu'on cherche à déterminer; et

F' _D ; est une intégrale de flux pour la maille cylindrique i ayant le même diamètre que la région 25 et allant de la profondeur p _j . _j à la profondeur p _j , donnée par:

Pi

F _D>i (E) = J | |δφ(Ε) (5)

Pi-! S S' [0030] A titre d'exemple, on peut choisir de discrétiser la région cylindrique 25 du milieu de béton en n = 4 mailles M1-M4 comme illustré sur la figure 3, et d'effectuer deux mesures à deux distances D _j , D2 pour deux énergies différentes E _j , E2 du rayonnement gamma. En notant:

F _D>i = e(E).Y(E).F _D>i .t _D (6) on introduit la matrice:

¾ _! ,l ( ^E l ) ¾ _! ,2 ( ^E l) ¾ _! ,3 ( ^Ε ΐ) ¾ _! ,4 ( ^Ε ΐ )

¾ _! ,l ( ^E 2) ¾ _! ,2 ( ^E 2) ¾ _! ,3 ( ^E 2) ¾ _! ,4 ( ^E 2)

C = (7)

¾ ₂ ,l ( ^E l ) ¾ ₂ ,2 ( ^E l) ¾ ₂ ,3 ( ^E l ) ¾ ₂ ,4 ( ^E l )

¾ ₉ ,l ( ^E 2) ¾ ₉ ,2 ( ^E 2) ¾ ₉ ,3 ( ^E 2) ¾ ₉ ,4 ( ^E 2) et le système linéaire:

£a = m (8) où: m = (M _Di (Ej), (E2), M _D2 (Ej), M _D2 (E2)) ^T est un vecteur dont les composantes sont les mesures de rayonnement réalisées M _D (E); a = (a _j , a ₂ , a ₃ , a ₄ ) ^T est un vecteur dont les composantes sont les niveaux de d'activité volumique a _j à estimer pour les différentes mailles.

[0031] En observant les relations (6), (5), (3), (2) et (1), on voit que les composantes F _D ; de la matrice £ peuvent être calculées à l'avance en fonction:

- des valeurs de (Ει), (Ε2), de 8(Ej), ε(Ε2) et de Y(Ej), Y(E2) qui sont elles-mêmes des fonctions connues des énergies d'émission E _j , E2 du rayonnement utilisé dans les mesures;

- des distances D _j , D ₂ entre le détecteur 2 et la surface 20; et

- des temps t _D , t _D pendant lesquels les mesures de rayonnement sont réalisées.

[0032] Une inversion du système linéaire (8) permet alors d'estimer les niveaux de radioactivité a _j à partir des mesures M _D (E).

[0033] La méthode ci-dessus présente une grande liberté dans le choix des paramètres d'entrée: maillage, distances de mesure, et énergies. Ceux-ci sont fonction de la situation rencontrée et de la méthode de résolution du système.

[0034] Le système linéaire (8) peut être résolu de différentes manières. Pour pouvoir le faire, il ne faut pas moins de mesures indépendantes M _D (E) que d'inconnues a _j , de sorte que le nombre de lignes i de la matrice (i est le nombre de mesures, c'est-à-dire le nombre de distances de mesures D multiplié par le nombre d'énergies considérées E) est au moins égal à son nombre de colonnes n. Dans l'exemple illustratif ci-dessus, on a pris i = n = 4.

[0035] Une méthode de résolution directe du système linéaire peut être choisie : génération des vecteurs multiplication par la matrice C puis sélection des m _k correspondants en les comparant aux mesures à l'aide d'un critère de norme. L'algorithme commence par encadrer l'espace des solutions puis effectue un crible discret plus ou moins précis de tout l'espace.

[0036] Une technique de résolution par moindres carrés est d'une utilisation commode pour inverser le système (8). Elle consiste à rechercher le vecteur a qui minimise la norme Il C.a - m II ² . Classiquement, la solution s'exprime par: â = (C ^T -C) ^"1 -C ^T -m (9)

[0037] Pour améliorer la stabilité de la solution trouvée, on peut avoir recours, de façon connue, à une technique de régularisation consistant à exprimer le vecteur des niveaux d'activité estimés â selon: â = (Ç ^T .Ç + λ.Δ ^τ .Δ)- ¹ .£ ^τ .ιη (9) où: est une matrice diagonale de taille n x n, par exemple la matrice identité pour une régularisation au premier ordre; et λ un paramètre de régularisation, par exemple déterminé suivant la méthode dite "L-Curve" (voir P.C. Hansen, "Analysis of discrète ill-posed problems by means of the L-curve", SIAM Review, Vol. 34, No. 4, décembre 1992, pp. 561-580) qui établit un compromis fiable entre l'adéquation aux données et le modèle de régularisation via une courbe en L.

[0038] La figure 3 montre un exemple de paramètres dimensionnels qui ont été testés pour valider la méthode d'estimation des niveaux d'activité. Le milieu source, par exemple un mur en béton d'épaisseur 20 cm, a une région cylindrique 25 de diamètre 6 cm discrétisée en quatre mailles 3 (M1-M4) d'épaisseur p _j — _j _ _j = 5 cm. Chaque maille est supposée contenir une activité volumique moyenne a _j (i = 1, 2, 3, 4). Pour limiter le temps de calcul, on a assimilé le détecteur de rayonnement 2 à un point P (P1-P2) dans les tests, cette hypothèse n'affectant pas les résultats obtenus.

[0039] Il est utile d'avoir un contraste de distance assez important tout en obtenant une mesure significative. Les tests ont été conduits avec deux mesures effectuées à une première distance D _j = 10 cm puis à une deuxième distance D2 = 70 cm avec des temps de mesure ¾ = 180 s et T _Q2 = 5 ¾ = 900 s. Ce choix a notamment permis d'améliorer le conditionnement de la matrice £. Les raies des isotopes 152 et 154 de l'Europium ont été utilisées car ces isotopes sont souvent présents dans des bétons activés. La géométrie ci- dessus conduit à obtenir une matrice carrée £ de rang quatre. Étant donné la mise en place de deux mesures, il est nécessaire d'utiliser au moins deux raies d'émission à deux énergies différentes pour pouvoir déterminer (au sens mathématique du terme) le système linéaire. La prise en compte de trois raies peut être avantageuse pour permettre la surdétermination du système.

[0040] Une fois que les mesures ont été effectuées dans la région cylindrique 25, l'appareillage comportant le détecteur de rayonnement 2 peut être déplacé parallèlement à la structure pour procéder à une nouvelle estimation. On peut ainsi obtenir une cartographie 3D des niveaux de radioactivité dans la structure.

[0041] La méthode offre une flexibilité importante avec la possibilité de choisir en fonction de la situation les énergies d'émission du rayonnement, le maillage, les distances et les temps de mesure.

[0042] Une possibilité est de coupler le procédé ci-dessus, qui exploite les pics photoélectriques, à une méthode spectrale prenant en compte la totalité du spectre. La vallée du pic sera différente selon la profondeur de la source (atténuation différente); on va donc épurer le spectre et ne travailler que sur le fond. Le procédé donne une infinité de couples (intensité, profondeur) en travaillant sur les raies, et la méthode spectrale donne l'écrantage en travaillant sur le fond, donc le couple (intensité, profondeur) à considérer.

[0043] La figure 4 illustre un système 4 selon l'invention qui comprend un appareillage de détection 5 et un analyseur (non représenté) intégré ou relié à l'appareillage 5.

[0044] L'appareillage de détection 5 comprend le détecteur de rayonnement 2 (non visible sur la vue de la figure 4), un collimateur 7 dans lequel le détecteur 2 est logé pour recevoir le rayonnement émis par la région cylindrique 25, un pied 9 et une embase 8.

[0045] Le détecteur de rayonnement 2 peut être un scintillateur classique de type LaBr ₃ couplé à un photomultiplicateur. Le collimateur 7 disposé sur le pied 9 est, par exemple, en plomb et acier pour constituer un blindage pour le détecteur de rayonnement.

[0046] Dans un mode de réalisation, l'analyseur, par exemple un analyseur multicanaux, possède un processeur de signal, une interface PCI connectée au détecteur de rayonnement 2 et un moyen d'affichage pour afficher l'information liée aux mesures.

[0047] Les informations des rayonnements gamma détectés par le scintillateur, amplifiés par le photomultiplicateur et analysés par l'analyseur multicanaux sont de préférence acheminées par câble vers un appareil de visualisation (moyen d'affichage), par exemple, un PC contenant le logiciel de visualisation spectrale ainsi que l'algorithme de traitement permettant de réaliser l'inversion. Ce dernier permet de reconstruire une image de la distribution volumique de la distribution d'activité volumique en profondeur selon le procédé de l'invention.

[0048] Grâce au déplacement du collimateur 7 et du détecteur de rayonnement 2 dans le collimateur, l'appareillage de détection 5 peut interroger une surface identique quelle que soit la distance entre le milieu à caractériser et le détecteur de rayonnement 2. Afin de faciliter le déplacement du détecteur de rayonnement 2 dans le collimateur 7, celui-ci contient une partie fixe 10 fixée au pied 9 et une partie mobile 11, par exemple une glissière sur le dessus. La partie mobile 11 peut être glissée sur la partie fixe 10 permettant la translation du détecteur de rayonnement 2 qui se trouve à l'intérieur du collimateur 7. Un vernier peut être utilisé pour indiquer la position du détecteur dans le collimateur.

[0049] Pour interroger une surface identique quelle que soit la distance entre le milieu à caractériser et le détecteur de rayonnement, c'est-à-dire obtenir une propriété de « voir » la même surface à différentes distances de recul, la partie fixe 10 du collimateur 7 est munie d'une forme interne qui se décompose en deux cônes cylindriques opposés tête- bêche comme illustré sur la figure 5. [0050] Le diamètre d'un premier cône extérieur 12 diminue et le diamètre d'un second cône intérieur 13 augmente de façon progressive vers l'intérieur du collimateur. La surface oblique du premier cône extérieur 12 est plus inclinée que celle du second cône intérieur 13, formant ainsi deux cônes asymétriques dont le second cône intérieur 13 est plus long que le premier cône 12. Entre ces deux cônes asymétriques, une gorge 14 est aménagée.

[0051] Pour que les rayonnements atténués arrivant sur le détecteur de rayonnement soient atténués de la même façon, on peut faire en sorte que la même épaisseur de blindage soit traversée quelle que soit l'angle d'incidence des rayonnements que l'on veut atténuer en provenance du milieu à caractériser.

[0052] Un système de visée laser, par exemple, permet d'assurer la perpendicularité de l'appareillage de détection 5 par rapport au milieu à caractériser.

[0053] L'utilisation de la technique proposée ici réduit le temps de caractérisation d'un milieu et le coût associé, ainsi que le risque d'exposition du personnel. L'invention est directement applicable sur les chantiers d'assainissement et de démantèlement, sur des structures verticales (mur) ou horizontales (sol).

[0054] Naturellement, la présente invention est sujette à de nombreuses variantes quant à sa mise en œuvre. Bien que quelques modes de réalisation aient été décrits, on comprend bien qu'il n'est pas concevable d'identifier de manière exhaustive tous les modes possibles. Ces modes de réalisation décrits sont de simples illustrations de la présente invention. Diverses modifications peuvent être apportées sans sortir du cadre de l'invention qui ressort des revendications annexées.