L’accident de Fukushima-Daiichi du 11 Mars 2011 a fortement marqué l'industrie nucléaire en mettant en évidence plusieurs faiblesses dans le contrôle des systèmes critiques qui assurent la sécurité des centrales nucléaires, en particulier, lors de conditions accidentelles. Cette thèse a été réalisée en collaboration avec AREVA, groupe industriel français actif dans le domaine de l'énergie, avec l’objectif de réaliser des capteurs à fibres optiques résistants aux contraintes sévères d'une centrale nucléaire et, en particulier, de surveiller la température et le niveau de l'eau à l'intérieur d’une piscine de stockage de combustible. La thèse est composée de deux parties organisées en 7 chapitres. Dans la première partie, le chapitre 1 traite des phénomènes contribuant à l'atténuation de la lumière au cours de sa propagation dans la fibre et donne un aperçu des effets des radiations sur les fibres optiques. Pour identifier la technique la plus prometteuse adaptée aux applications visées par AREVA, le chapitre 2 propose un état de l’art sur les capteurs distribués à fibres optiques existants avec une attention particulière à leur emploi dans des environnements radiatifs. La dernière partie de ce chapitre est consacrée à la description détaillée de l’OFDR qui est la technique retenue pour cette application. La deuxième partie est consacrée à la présentation des résultats obtenus et leur analyse. Le chapitre 3 présente le détail des irradiations et des traitements thermiques, les échantillons retenus et les bancs de mesure utilisés. Afin de déterminer la meilleure combinaison fibre/technique par rapport à l’application visée, une étude systématique des capteurs distribués de température et de contrainte a été réalisée. Les effets permanents des rayonnements (niveaux de dose du MGy) sont étudiés dans le chapitre 4. Le chapitre 5 illustre des mesures in situ sur les fibres résistantes aux radiations pour comprendre les effets combinés de la température et des radiations (rayons X), effets représentatifs des conditions nominales et accidentelles des piscines de stockage. Enfin, nous avons développé un prototype de capteur de niveau d’eau pour les piscines de combustible qui est décrit dans le chapitre 6. Ensuite, les principales conclusions et les perspectives de ce travail de thèse sont discutées / Fukushima-Daiichi event on March 11th, 2011, signed a turning point in nuclear industry by highlighting several weaknesses in the control of critical systems that ensure the safety in nuclear power plant (NPP) operating, particularly, in accidentals conditions. This PhD thesis has been carried out in collaboration with AREVA, the French industrial group active in the energy domain, with the aim of realizing optical fiber sensors resistant to the harsh environment constraints of a NPP and, in particular, to monitor temperature and water level several parameters inside the spent fuel pools (SFPs). It consists of two parts organized in 7 chapters. In the first part, chapter 1 deals with the phenomena contributing to the light attenuation during its propagation along the fiber and gives an overview on the radiation effects on optical fibers. To identify the most promising technique suitable for AREVA needs, in chapter 2 is reported the state-of-the-art on the distributed OFSs with particular attention to their employment in radiation environments. The last part of this chapter is devoted to the detailed description of the OFDR that is the selected sensor technique for this application. The second part is devoted to present and discuss the obtained results. Chapter 3 gives the experimental details on radiation and thermal treatments, investigated samples and used setups. In order to determine the best fiber/setup combination, a systematic study on temperature and strain distributed sensors was carried out in relation to the harsh constraints demanded from the application. The permanent radiation (MGy dose levels) effects on different fiber classes are investigated in Chapter 4. Chapter 5 illustrates in situ measurements on radiation resistant fibers to understand the combined temperature and radiation (X-rays) effects representative of the SFP nominal and accidental conditions. Simultaneously, we have developed the OFS design for its integration at SFP facility. The prototype is described and its performance is evaluated in chapter 6. Then, the main conclusion and perspective are discussed / L'incidente di Fukushima-Daiichi dell’11 marzo 2011 ha segnato un punto di svolta per l’industria nucleare, mettendo in evidenza diversi punti deboli nel controllo di sistemi critici che garantiscono la sicurezza nelle centrali, in particolare in condizioni di incidente. Questa tesi è stata condotta in collaborazione con AREVA, il gruppo industriale francese attivo nel settore dell'energia, con l'obiettivo di produrre sensori a fibra ottica resistenti alle condizioni estreme di una centrale nucleare e, in particolare, per controllare diversi parametri all'interno di una piscina di stoccaggio di combustibile nucleare, quali la temperatura e il livello dell'acqua. La tesi si compone di due parti organizzate in 7 capitoli. Nella prima parte, il capitolo 1 riguarda i fenomeni che contribuiscono all'attenuazione della luce durante la sua propagazione nella fibra e permette di comprendere gli effetti della radiazione sulle fibre ottiche. Per identificare la tecnologia più promettente per le esigenze di AREVA, nel capitolo 2 é discusso lo stato dell’arte sui sensori distribuiti con particolare attenzione alle loro performance in ambienti radiativi. L'ultima parte di questo capitolo è dedicato ad una descrizione dettagliata della tecnica OFDR che è la tecnologia scelta per questa applicazione. La seconda parte è dedicata a presentare e discutere i risultati. Il capitolo 3 fornisce i dettagli sui campioni studiati e i trattamenti effettuati su di essi e descrive il setup utilizzato. Per determinare la migliore combinazione fibra/tecnica per l’applicazione prevista, è stato eseguito uno studio sistematico sulla risposta alla radiazione dei sensori distribuiti di temperatura e strain. Glieffetti permanenti della radiazione (dosi dell’ordine del MGy) su diverse classi di fibre, resistenti e sensibili alle radiazioni, sono discussi nel capitolo 4. Il capitolo 5 riporta le misure in situ sulle fibre resistenti alla radiazione per investigare gli effetti combinati di temperatura e radiazioni (raggi X) rappresentativi delle condizioni operative e accidentali nelle piscine di stoccaggio. Infine, abbiamo sviluppato un prototipo di sensore del livello dell’acqua nelle piscine di stoccaggio che è descritto nel capitolo 6. In seguito, le principali conclusioni e le prospettive sono discusse

L'usage des capteurs à fibres optiques devient pratique courante en Génie Civil, et ce typiquement pour les mesures de déformations à coeur ou en surface des matériaux de structures. Les performances métrologiques atteintes d'une telle instrumentation en conditions réelles d'emploi, et en particulier dans le béton, dépendent de l'effet de filtrage créé à la fois par la structure du capteur, les interfaces entre l'environnement et l'élément sensible, la présence d'hétérogénéités, et l'effet d'inclusion au sein du matériau d'emploi. Certaines informations sont accessibles (ex. : grandeurs géométriques). D'autres au contraire, sont déterminées à partir d'hypothèses et de validations expérimentales (ex. : comportements d'un assemblage de matériaux aux propriétés physico-mécaniques différentes). Pour mieux comprendre les phénomènes mis en jeu, et faciliter ainsi à l'utilisateur l'interprétation des informations délivrées par les fibres optiques, des simulations numériques par éléments finis ont été réalisées. Plusieurs modèles ont été testés, en examinant notamment l'influence de la rigidité, des conditions d'ancrage et de la géométrie des capteurs. Parallèlement, des comparaisons ont été effectuées avec des expérimentations réalisées en laboratoire. Des recommandations ont pu ainsi être tirées de ces études, pour l'amélioration de la conception, et de la mise en place sur ouvrages, de tels capteurs.

Ce travail de thèse aborde un problème de la détection des fuites d'eau dans des digues en terre. L'écoulement préférentiel, un indicateur de destruction interne, résulte dans une anomalie thermique. Les capteurs DTS basés sur la fibre optique offrent une solution efficace pour les mesures spatio-temporelles de température. Les données thermométriques sont influencées par différents facteurs comme la réponse du sol, les variations saisonnières, l'environnement géomécanique, etc. Afin d'écarter des phénomènes comme les précipitations, nous proposons un critère basé sur le skewness et le kurtosis. La détection des fuites étant formulée comme un problème de séparation de sources, nous présentons un système basé sur la SVD et l'ICA pour séparer les informations utiles liées aux fuites des autres facteurs. Dans le cas où le nombre d'acquisitions en temps est limité, nous proposons un détecteur de singularités exploitant les dissimilarités entre les mesures journalières de température aux différentes distances.

Aujourd’hui, trois technologies distinctes et complémentaires sont disponibles pour réaliser des mesures réparties de température, de déformation ou de vibration grâce à l’analyses des rétrodiffusion Raman, Brillouin et Rayleigh. Les besoins industriels actuels se portent sur la mesure répartie de déformation pour des infrastructures avec de longs linéaires, comme les canalisations, pour lesquelles une cartographie linéaire et en temps réel de leur état est demandée. Nous nous focalisons alors sur la conception d’un système de mesure Brillouin capable de mesurer de manière répartie et dynamique les déformations subies par une fibre optique. La méthode employée sera celle du flanc de frange ; elle a déjà été développée et expérimentée sur une architecture opto-électronique de type analyseur Brillouin (Brillouin-OTDA), nécessitant l’accès aux deux extrémités de la fibre optique. Dans notre cas, elle est implémentée sur une architecture fonctionnant en réflectométrie. Les résultats expérimentaux obtenus seront caractérisés et validés par la simulation des mesures de la déformation et du déplacement d’une canalisation supportée entre deux appuis simples ; un modèle mécanique, adapté à cette configuration et transposable sur des projets réels, est développé. Par le biais de partenaire industriels de Cementys, ce modèle est utilisé dans deux projets de surveillance de canalisation d’hydrocarbures dont les moyens d’installation et la finalité sont différents. / Today, three distinct and complementary technologies are available for distributed temperature, strain or vibration measurements with the analysis of Raman, Brillouin and Rayleigh backscattered light. Current industrial needs are distributed strain measurements for linear infrastructures, such as pipelines, for which linear and real-time strain distribution is required. The research work aims to design a new distributed and dynamic strain measurement system based on the analysis of spontaneous Brillouin backscatter by reflectometry. Slope assisted technique is used to accelerate the measurement acquisition, currently limited to static events because of their actual principle of sweep frequency acquisition of the Brillouin backscattering spectrum. The experimental results are characterized and validated by the simulation of the measurements of the deformation and displacement of a pipe supported between two simple supports. A mechanical model, adapted to this configuration and transposable on real projects, is developed. Through Cementys industrial partner, this model is then used for two monitoring project of pipelines with different installation facilities and purpose.