L'objectif de cette thèse était d'aboutir à une meilleure compréhension du comportement thermique d'un calorimètre, différentiel non adiabatique permanent, dédié à la mesure de l'échauffement nucléaire en MTR, puis à une optimisation de ce capteur et des méthodes de mesures associées et enfin à une proposition d'une configuration calorimétrique « miniaturisée ». Du fait du principe même de la calorimétrie (quantification d'énergie à partir de mesures de températures), une approche analytique ciblant les aspects thermiques a été conduite. Cette thèse a consisté à la conception, au développement et à l'exploitation de nouveaux outils analytiques thermiques expérimentaux et numériques. Un modèle thermique 2D axisymétrique résolu par méthode des éléments finis (code CAST3M) a été mis en œuvre, validé et utilisé en conditions non irradiées ou irradiées dans le cadre d'une étude paramétrique complète portant sur la réponse de différentes configurations calorimétriques. Ces travaux ont permis le dimensionnement d'un capteur plus sensible adapté aux conditions ciblées lors des premières campagnes d'irradiation en périphérie du réacteur OSIRIS (< 2W/g). Ces travaux ont également permis de définir une nouvelle cellule calorimétrique à échange directionnel radial, plus compacte pour des expériences futures en cœur du réacteur RJH à fort échauffement nucléaire (20W/g). Un dispositif expérimental a été conçu afin d'étudier le calorimètre plus sensible pour différentes contraintes thermiques (puissance injectée, température du fluide caloporteur) et fluidiques (intensité de la convection forcée) imposées. / The aim of this thesis was to reach a better understanding of the calorimeter thermal behavior of a calorimeter, differential non-adiabatic permanent, dedicated to the nuclear heating measurement in MTR, an optimization of the sensor and measurement methods associated and finally a suggestion of a calorimetric configuration "miniaturized." Because of the principle of calorimetry (quantification of energy from temperature measurements), an analytical approach targeting thermal aspects was carried out. This thesis consisted of designing, development and exploitation of new experimental and numerical analytical thermal tools. A 2D axisymmetric thermal model solved by finite element method (CAST3M code) was implemented, validated and used in conditions unirradiated or irradiated through a complete parametric study related to the response of different calorimetric configurations. This work has allowed to design a more sensitive sensor adapted to conditions targeted for the first irradiation campaigns on the OSIRIS reactor reflector (<2W/g). These studies have also allowed to define a new calorimetric cell with radial directional exchange, more compact for future experiments in the RJH core with high nuclear heating (20W/g). An experimental set up was designed to study the most sensitive calorimeter in different thermal conditions (injected power, coolant temperature) and flow conditions (intensity of forced convection) imposed.

L’instrumentation et la mesure en ligne pour les Material Testing Reactors sont en pleine expansion en France en particulier avec la construction du Réacteur Jules Horowitz (RJH) qui possédera des capacités expérimentales accrues (conditions extrêmes). Conception/développement/optimisation de moyens expérimentaux sont requis pour une caractérisation fine des conditions expérimentales régnant dans ce MTR. C’est dans ce contexte que s’inscrivent mes travaux de thèse. Plus précisément depuis 2009, le CEA et l'Université d'Aix-Marseille (Laboratoire IM2NP UMR7334, eq. Microcapteurs-Instrumentation) conduisent des programmes de recherche au sein du laboratoire commun LIMMEX afin de proposer de nouveaux capteurs et dispositifs dédiés à la détermination spatiale et temporelle des flux neutrons/photons et de l’échauffement nucléaire dans les matériaux inertes par interactions rayonnements nucléaires/matière dans les canaux du RJH. Les travaux de ma thèse ont porté sur la calorimétrie, méthode permettant la quantification de l’échauffement nucléaire. L’objectif était d’étudier et d’optimiser la méthode et les capteurs hors flux nucléaires et d'améliorer les étapes conduisant à la quantification de l’échauffement nucléaire. Ces travaux expérimentaux et numériques ont comporté trois volets principaux. Le 1er a porté sur des études sur la réponse et le comportement de calorimètres différentiels classiques. Le 2ème volet a été dédié à des études sur la méthode d’étalonnage des calorimètres prototypes. Le 3ème volet a consisté à l’interprétation de mesures d’échauffement nucléaire et à la simulation de nouveaux capteurs pouvant mesurer un échauffement nucléaire de 20W.g-1 dans le RJH. / The instrumentation and on-line measurement for Material Testing Reactors are booming in France in particular with the construction of the Jules Horowitz Reactor (RJH), which possess increased experimental capacity (extreme conditions). Design / development / optimization of experimental resources are required for a detailed characterization of experimental conditions in the MTR. It is in this context that fit my thesis work. Specifically since 2009, the CEA and the University of Aix-Marseille (IM2NP Laboratory UMR7334, eq. Microcapteurs-Instrumentation) lead research programs in the LIMMEX joint laboratory to provide new sensors and devices dedicated to determining spatial and temporal neutron / photon fluxes and nuclear heating in the inert materials by nuclear radiation / matter interactions in the channels of RJH. The work of my thesis focused on calorimetry method for the quantification of nuclear heating. The objective was to study and optimize the method and sensors excluding nuclear flow and improve the steps leading to the quantification of nuclear heating. These experimental and numerical works involved three main components. The first focused on studies of the response and behavior of conventional differential calorimeters. The second part was devoted to studies on the calibration method calorimeters prototypes. The third component was the interpretation of nuclear heating measures and simulation of new sensors that can measure a nuclear heating of 20W.g-1 in the JHR.

Le futur Réacteur d'irradiation Jules Horowitz (RJH) constituera à partir de 2016 sur le site du CEA Cadarache (France) un outil unique dédié aux besoins de l'industrie et de la recherche dans le domaine de l'énergie nucléaire. La qualité des programmes de recherche qui seront conduits dans le RJH dépendra pour une grande part de la bonne connaissance et de la maîtrise des conditions expérimentales dans les canaux d'essais. Dans ce contexte, le CEA et Aix-Marseille Université conduisent conjointement un projet scientifique et technique baptisé IN-CORE. Ce projet a pour but d'améliorer la connaissance des flux neutroniques et photoniques du cœur du réacteur RJH. Un des enjeux est donc d'identifier les détecteurs capables de mesurer de tels flux et de déterminer les méthodes d'interprétation des signaux les plus appropriées. Les travaux de thèse s'inscrivent dans ce programme ambitieux et ont pour objectif d'étudier les potentialités et l'intérêt de la combinaison des mesures des rayonnements dans la perspective d'une meilleure évaluation des niveaux de flux neutroniques, rayonnement gamma et d'échauffement nucléaire dans les emplacements expérimentaux du RJH. Une première étape du projet a consisté à réaliser et exploiter un dispositif de mesure appelé CARMEN-1, adapté à la cartographie des conditions d'irradiation du réacteur OSIRIS (France). Cette expérience a été l'occasion de tester l'ensemble des détecteurs des flux de rayonnement susceptibles de répondre aux besoins du RJH, notamment ceux récemment développés. / 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). From 2016 this new MTR will be a new facility for the nuclear research on materials and fuels. The quality of the experiments to be conducted in this reactor is largely linked to the good knowledge of the irradiation conditions. Since 2009, a new research program called IN-CORE “Instrumentation for Nuclear radiations and Calorimetry Online in Reactor” is under progress between CEA and Aix-Marseille University. This program aims to improve knowledge of the neutron and photon fluxes in the RJH core. One of the challenges is to identify sensors able to measure such fluxes in JHR experimental conditions and to determine how to analyse the signals delivered by these sensors with the most appropriate methods. The thesis is part of this ambitious program and aims to study the potential and the interest of the combination of radiation measurements in the prospect of a better assessment of the levels of neutron flux, gamma radiation and nuclear heating in the JHR experimental locations. The first step of IN-CORE program was to develop and operate an instrumented device called CARMEN-1 adapted to the mapping of the OSIRIS reactor (France). This experiment was the opportunity to test all the radiation sensors which could meet the needs of JHR, including recently developed sensors.

L'objectif de cette thèse vise à mettre au point et à améliorer les méthodes de mesures d'échauffements nucléaires auprès des maquettes critiques du CEA-Cadarache EOLE et MINERVE, au moyen de détecteurs thermo-luminescents (TLD), de détecteurs à luminescence optiquement stimulée (OSLD – nouvellement mis en œuvre dans le cadre de ce travail de thèse) et d'une chambre d'ionisation. Il s'agit d'identifier, de hiérarchiser, de traiter et enfin de réduire les différentes sources d'incertitudes et de biais systématiques associés à la mesure.Une série d'expériences a été mise en place dans le réacteur MINERVE. Les mesures ont été réalisées dans un environnement en aluminium ou en hafnium à l'aide d'un nouveau protocole : les TLD ont été étalonnés individuellement, la répétabilité de la mesure a été évaluée expérimentalement et les lois de chauffe des TLD ont été optimisées, conduisant à une réduction des incertitudes de mesures. Des mesures de gammas émis de façon différée après arrêt du réacteur MINERVE ont également été réalisées : les résultats obtenus montrent un bon accord des mesures avec les trois types de détecteurs utilisés.L'interprétation de ces mesures nécessite des calculs pour tenir compte des facteurs de correction, liés à l'environnement et au type de détecteurs utilisés. Ainsi, des corrections de la contribution des neutrons à la dose totale intégrée par les détecteurs ont été évaluées à l'aide de deux méthodes de calcul. Ces corrections ont été obtenues sur la base de simulations Monte Carlo couplées neutron-gamma et gamma-électron à l'aide du code MCNP. / The objective of this thesis is to develop and to improve the nuclear heating measurement methods in MINERVE and EOLE experimental reactors at CEA-Cadarache, using thermo-luminescent detectors (TLD), optically stimulated luminescence detectors (OSLD – newly implemented in the context of this thesis) and an ionization chamber. It is to identify, prioritize, treat and reduce the various sources of uncertainty and systematic bias associated with the measurement.A series of experiments was set up in the MINERVE reactor. The measurements were carried out in an aluminum or hafnium surrounding using a new procedure methodology. The TLD are calibrated individually, the repeatability of the measurement is experimentally evaluated and the laws of TLD heat are optimized. The measurements of the gamma emitted, with a delay (delayed gamma) after shutdown of the MINERVE reactor, were also carried out using TLD and OSLD detectors with the aluminum pillbox as well as by ionization chamber. The results show a good correlation between the measurements recorded by these three detectors.The interpretation of these measurements needs to take account the calculation of cavity correction factors related to the surrounding and the type of detector used. Similarly, the correction due to the neutrons contributions to the total dose integrated by the detectors are evaluated with two calculation methods. These corrections are based on Monte Carlo simulations of neutron-gamma and gamma-electron transport coupled particles using the MCNP.

Les programmes d’irradiations technologiques menés dans les réacteurs expérimentaux sont d’une importance cruciale pour le soutien du parc électronucléaire actuel en termes d’étude et d’anticipation du comportement sous irradiation des combustibles et des matériaux de structures. Ces programmes permettent d’améliorer la sûreté des réacteurs actuels et également d’étudier les matériaux pour les nouveaux concepts de réacteurs.Les conditions d’irradiations des matériaux dans les réacteurs expérimentaux doivent être représentatives de celles des réacteurs de puissance. Un des principaux intérêts des réacteurs d'irradiations technologiques (Material Testing Reactors, MTRs) est de pouvoir y mener des irradiations instrumentées en ajustant les paramètres expérimentaux, en particulier le flux neutronique et la température. La maîtrise du paramètre température d’un dispositif irradié dans un réacteur expérimental nécessite la connaissance de l'échauffement nucléaire (terme source) dû au dépôt d'énergie des photons et des neutrons interagissant dans le dispositif. La bonne évaluation de cet échauffement est une donnée clé pour les études thermiques de dimensionnement et de sûreté du dispositif.L'objectif de cette thèse est d'améliorer les méthodes d’évaluation de l'échauffement nucléaire en réacteur. Ce travail consiste en l’élaboration d'un schéma de calcul complet innovant, couplé neutron-photon (permettant d’obtenir la contribution des neutrons, des gamma prompts et des gamma de décroissance), fondé principalement sur le code de transport Monte-Carlo TRIPOLI-4 (à 3-dimensions et à énergie continue). Une validation expérimentale du schéma a été effectuée en s’appuyant sur les mesures de calorimétrie réalisées dans le réacteur OSIRIS (CEA Saclay). Des études de sensibilité ont également été menées pour établir l’impact de différents paramètres sur les calculs d’échauffement nucléaire, dont les données nucléaires. Cela a permis de définir le schéma de calcul définitif pour reproduire au plus près la réalité des irradiations technologiques. Le travail de thèse débouche sur un outil opérationnel et prédictif pour l'estimation de l'échauffement nucléaire répondant aux besoins de l’expérimentation en réacteur de recherche et qui peut être étendu plus largement dans des réacteurs de puissance. / Technological irradiation programs carried out in experimental reactors are crucial for the support of the current nuclear fleet in terms of study and anticipation of the behavior under irradiation of fuels and structural materials. These programs make it possible to improve the safety of the current reactors and also to study materials for the new concepts of reactors.Irradiation conditions of materials in experimental reactors must be representative of those of nuclear power plants (NPPs). One of the main advantages of material testing reactors (MTRs) is to be able to carry out instrumented irradiations by adjusting experimental parameters, in particular the neutron flux and the temperature. The control of the parameter temperature of a device irradiated in an experimental reactor requires the knowledge of the nuclear heating (source term) due to the deposition of energy of the photons and the neutrons interacting in the device. A relevant evaluation of this heating is a key data for the thermal studies of design and safety of devices. The objective of this thesis is to improve the methods of the evaluation of nuclear heating in reactors. This work consists of the development of an innovating and complete coupled neutron-photon calculation scheme (allowing to obtain the contribution of neutrons, prompt gamma and decay gamma), mainly based on the TRIPOLI-4 Monte Carlo transport code (with 3-dimensions and continuous energy). An experimental validation of the calculation scheme has been performed, based on calorimetry measurements carried out in the OSIRIS reactor (CEA Saclay). Sensitivity studies have been undertaken to establish the impact of various parameters on nuclear heating calculations (in particular nuclear data) and to fix the final calculation scheme to be closer to the technological irradiation aspects. The thesis work leads to an operational and predictive tool for the nuclear heating estimation, meeting the experimentation needs of research reactors and can be extended more generally to NPPs.

Les travaux réalisés durant cette thèse rentrent dans cette problématique. Ils concernent d’une part le développement d’un schéma de calculs et d’évaluation des échauffements nucléaires générés dans le réacteur MARIA en utilisant les codes français de transport neutronique TRIPOLI-4 © et APOLLO-2. Les travaux dans ce volet ont concerné principalement les calculs des échauffements photoniques induits par les rayonnements gammas essentiellement. D’autre part des travaux expérimentaux ont été conduits durant cette thèse. Ils ont concerné la mesure des échauffements nucléaires dans des emplacements spécifiques du réacteur MARIA. Cela a permis une première validation des schémas de calcul adoptés. Des comparaisons C/E ont été effectuées. Elles sont présentées et discutées dans cette thèse. Cela a permis d’émettre des recommandations quant aux techniques de mesure des échauffements nucléaires dans le réacteur MARIA et les moyens de modélisation qui peuvent être associés. Les comparaisons calculs-expérience font l’objet du cinquième. Les écarts relevés entre les résultats des modélisations et les mesures des échauffements nucléaires pour différentes configurations de mesures (au moyen de GT et de calorimètre mono cellule KAROLINA) permettent de dégager grâce à ces premiers travaux de thèse des recommandations pertinentes pour les travaux futurs. / This thesis work presents a calculation scheme which enables evaluation of heat generation from nuclear reactions in the MARIA nuclear reactor by use French computational codes TRIPOLI-4 © (TRIPOLI-4 is a registered trademark of CEA) and Apollo-2. Particular attention was devoted to the heat induced by gamma radiation. The thesis also presents measurements of nuclear heating in selected locations inside MARIA MTR reactor. This allows reaching first steps of validation and qualification of computer calculations. Research and analysis presented in the thesis allow one to compare the results obtained by using proposed calculation scheme with the experimental measurement methods. Finally, further works and perspectives were proposed on the development of the calculations and experimental measurements of nuclear heating in nuclear reactors.Qualifying the calculations was possible by performing especially dedicated 7-day core measurement campaigns. Nuclear heating measurements were performed with gamma thermometers and specially designed KAROLINA calorimeter. All measurement devices used were mounted in a dedicated probe, designed and built for this purpose, which allowed for the adjustment of instruments position inside the MARIA core. The main scientific hypothesis of this work is that currently available Monte Carlo simulations of neutron and gamma transport can be used to correct and accurate calculations of prompt nuclear heating in nuclear reactor, whereas delayed component of nuclear heating can be determined experimentally. For this purpose new calculation scheme and improvements in nuclear heating measurements were implemented.

Le Réacteur Jules Horowitz (RJH) est un réacteur d’irradiation technologique actuellement en construction au CEA Cadarache. Ce réacteur permettra de réaliser les études scientifiques sur le comportement des matériaux et des combustibles sous irradiation.Pour répondre aux enjeux du RJH, il est nécessaire de valider les outils de calcul des échauffements photoniques (les codes de calcul et la librairie européenne JEFF3.1.1 de données nucléaires) pour le cas spécifique du RJH. Cette problématique est traitée en 3 volets dans cette thèse.Le 1er volet a consisté à quantifier le biais de calcul dû aux données nucléaires de la librairie européenne JEFF3.1.1 pour les calculs d’échauffements photoniques dans le RJH. Ce travail repose sur l’interprétation, avec le code TRIPOLI-4, de mesures d’échauffements réalisées dans la maquette critique EOLE du CEA Cadarache.Le 2ème volet a consisté à obtenir des éléments sur les biais de calcul des échauffements photoniques dus aux méthodes de calcul elles-mêmes. La comparaison calcul / calcul entre différents codes Monte Carlo met en évidence l’importance du transport des particules chargées pour les calculs d’échauffements.Le 3ème volet de ce travail a consisté à fournir des points de comparaison calcul / mesure pour des mesures d’échauffements réalisées dans le réacteur OSIRIS avec une première version du dispositif CARMEN. Le dispositif CARMEN est un projet de dispositif de mesure multi-détecteur innovant pour le RJH. En conclusion, cette thèse a apporté des éléments de validation des calculs d’échauffements photoniques pour le RJH. Ces éléments ont d’ores et déjà été capitalisés pour les études de sûreté du RJH. / The Jules Horowitz Reactor (JHR) is the next MTR under construction at CEA Cadarache research center. The JHR will be a major research infrastructure for the test of structural material and fuel behavior under irradiation.To be up to the challenges set by the JHR, It is necessary to validate photon-heating calculation tools (calculation codes and the European nuclear-data JEFF3.1.1 library) for specific use in the JHR. This topic is handled with a three-prong work plan. The first part consisted in quantifying the calculation bias due to the JEFF3.1.1 nuclear-data library on JHR photon-heating calculations. This work relies on the interpretation, with the TRIPOLI-4 code, of heating measurements carried out in the EOLE critical mock-up at CEA Cadarache.The second part of this work is dedicated to the determination of photon-heating calculation biases linked to the approximations of calculation schemes. The calculation / calculation comparison between different Monte Carlo codes highlights the importance of charged-particle transport for heating calculations.The third part of this work consisted in providing calculation / measurement comparisons for heating measurements carried out in the OSIRIS reactor with a prototype of the CARMEN device. The CARMEN device aims at measuring neutron flux, photon flux and nuclear heating simultaneously in the different experimental locations of JHR. In conclusion, this work brings forth validation elements for JHR photon-heating calculations. These elements are already taken into account for the estimation of biases and uncertainties associated with photon-heating calculations for JHR performance and safety studies.