Soutenance de thèse de Olga OBRAZTSOVA

Aujourd’hui les réacteurs d’irradiations technologiques (MTR) ont un rôle de premier plan pour l’industrie du nucléaire. Leur principal intérêt est de pouvoir réaliser des expériences au-delà des conditions normales de fonctionnement des réacteurs de puissance afin d’effectuer des études de vieillissement de matériaux et composants sous irradiation. Dans les réacteurs d’irradiation les niveaux de flux neutronique et photonique sont très importants. Un flux neutronique de l’ordre de 10¹⁵.n.cm^-2.s^-1 et des échauffements nucléaires pouvant atteindre 20 W.g s^-1 pour une puissance nominale de 100 MWth sont attendus au sein du cœur du futur réacteur d’irradiation Jules Horowitz (RJH) qui est basé sur le site du CEA Cadarache (France). Un des besoins cruciaux est la mise en œuvre d’un dispositif de détection de rayonnement dans les conditions extrêmes (flux neutroniques et photoniques élevés, et températures élevées). Cette thèse est la suite du projet européen I_SMART qui avait pour principal objectif le développement et la réalisation d’un dispositif innovant de détection de rayonnement basé sur le carbure de silicium (SiC) dans des conditions extrêmes de température (> 500 °C) et sous un niveau de flux neutronique élevé. L’un des résultats principaux de ce projet est la réalisation d’un détecteur de neutrons thermiques et rapides en carbure de silicium (SiC) dopé au bore-10 afin d’effectuer la détection de neutrons thermiques. Parmi les matériaux semi-conducteurs le carbure de silicium et le diamant ont les caractéristiques les plus adaptées pour les applications en conditions extrêmes. Cette thèse a pour principal objectif la comparaison des performances des détecteurs de neutrons à semi-conducteurs dont les parties sensibles sont faites de carbure de silicium (SiC) et de diamant pour la mesure de neutrons en conditions réelles. Pour cela nous avons réalisé les essais d’irradiation dans le réacteur de recherche MINERVE au CEA Cadarache. Les deux détecteurs montrent la capacité à effectuer la mesure de neutrons thermiques dans un environnement mixte neutron-gamma du réacteur nucléaire. La stabilité des performances du SiC dans les conditions d’opération sous des flux intenses des neutrons (~10⁹ n.cm^-2.s^-1) et de photons gamma a été révélée par nos études contrairement au diamant. Dans le cadre de cette thèse nous avons également testé les capteurs pour la détection des neutrons rapides de 14 MeV afin d’étudier les réponses de capteurs aux neutrons rapides et investiguer la future possibilité de mesurer en ligne des flux de neutrons rapides. Les tests d’irradiation ont été réalisés en collaboration avec l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) à Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Les mesures ont été menées sous un flux de neutrons de l’ordre de 9.4×10⁶ n.cm^-2.s^-1 issus d’un générateur de neutrons de 14 MeV par réaction de fusion (Deutérium + Tritium). Les résultats d’études montrent que les deux détecteurs ont la capacité de mesurer le spectre de neutrons de 14 MeV avec une résolution énergétique de 3%. L’ensemble de ces travaux contribue à l’amélioration de la fonctionnalité du détecteur de neutrons en SiC, qui peut être augmentée en intégrant le détecteur à une électronique adaptée et aux outils spécifiques pour l’analyse du signal développés dans le cadre de cette thèse.

Nowadays, the material testing reactors (MTR) are playing a crucial role for nuclear industry. The research reactors allow carrying out the research on material damage and nuclear fuel advanced studies. A new Material Testing Reactor (MTR), the Jules Horowitz Reactor (JHR), is under construction at the CEA Cadarache (French Alternatives Energies and Atomic Energy Commission). Neutron flux expected in the JHR core is about 10¹⁵ n.cm^-2.s^-1 and nuclear heating up to 20 W.g s^-1 for a nominal power of 100 MWth. Harsh radiation environment near the nuclear reactor core requires the radiation detectors to be resistant to high radiation level and high temperature. Neutron radiation detector for nuclear reactor applications plays an important role in getting information about the actual neutron flux. This thesis is a continuation of the European project I_SMART which aimed to develop an advanced and innovative system based on silicon carbide material for radiation detection at very high temperature (> 500 °C) and under strong radiation flux. The major result of this project is the development of a SiC-based detector doped with boron-10 isotope capable to measure thermal and fast neutrons. Most suitable semiconductors for harsh environment applications are SiC and diamond thanks to their outstanding properties. The aim of this thesis is to compare the ability of these two semi-conductors to detect neutrons. For this purpose, the neutron irradiation tests of detectors were implemented at MINERVE research reactor at CEA Cadarache. The results show that both detectors are capable to detect thermal neutron in the nuclear reactor’s mixed neutron-gamma environment. The study of the radiation stability of detectors reveals that the diamond-based detector suffers from the «polarization effect» and does not have the stable response in time contrary to the SiC-based detector. In this work we also studied the response of both materials to 14 MeV neutron beam with the prospect for future applications for fusion facilities. For this purpose we carried out the irradiation tests in collaboration with Karlsruhe Institute of Technology at Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). The detectors were exposed to 14 MeV neutron flux of 9.4×10⁶ n.cm^-2.s^-1 produced by the deuterium-tritium neutron generator. Both detectors showed a well-characterized 14 MeV neutron spectrum with the energy resolution of about 3%. This work helps to improve the SiC-based detector characterization. The functionality of this detector could be enhanced by integrating it with appropriate radiation resistant electronics and tools for the signal analysis which was developed in the frame of this thesis.