Development of a characterization method for concrete radioactive waste packages using photofission
Description
The non-destructive characterization of large, concrete radioactive waste packages is a major challenge for criticality safety aspects and long-term management. On the one hand, the fissile mass present inside must be estimated precisely for their transport and storage in the safest possible way. On the other hand, a precise knowledge of their alpha activity makes it possible to send them towards the most appropriate final repository, which potentially implies significant cost savings. The 870 L concrete packages produced by the CEA and stored at the Cadarache center cannot be characterized by gamma spectrometry or passive and active neutron measurements because of insufficient sensitivity and very penalizing uncertainties associated with the high attenuation of neutrons and gamma rays in the waste or in the surrounding concrete layer. Therefore, Active Photon Interrogation (API) is being investigated to locate and quantify fissile material in these bulky concrete waste drums. This technique is based on the photofission phenomenon when actinides are interrogated with photons of energy higher than 6 MeV. Since all actinides have a similar photofission cross section, the method does not allow a direct estimate of the mass of fissile material (e.g. 235U, 239Pu) or the alpha activity (mainly due to plutonium isotopes). It is therefore necessary to use a differentiation method to evaluate the proportions of the actinides of interest. To do this, differences in photofission product yields between actinides are exploited via the measurement of delayed gamma-ray ratios with a high purity germanium detector. New experimental data concerning the production rates of photofission products of 235U, 238U and 239Pu have been measured by irradiating uranium and plutonium samples with a Bremsstrahlung photon beam produced with a linear electron accelerator located in the CINPHONIE irradiation cell of the IRESNE institute, at CEA Cadarache. A preliminary characterization of the Bremsstrahlung photon beam and of the photoneutron flux produced by the accelerator was carried out via photon and neutron activation measurements of reference materials. From the cumulative photofission yields measurements, the most effective photofission product pairs for actinide differentiation were then identified for different mixtures of 235U, 238U and 239Pu isotopes. A method for localizing actinides inside a mock-up of a concrete waste package was also developed and tested, based on both experimental data (differential attenuation of delayed gamma rays emitted by 138Cs) and Monte-Carlo simulations with the MCNP6 code. Localization is an essential step to correct for matrix effects, since the differential attenuation of delayed gamma rays affects actinide discrimination, but also to estimate the uncertainty on the fissile mass evaluated by API. Finally, detection limits ranging from a few grams to tens of grams depending on the waste characteristics and the position of actinides in an 870 L waste package were estimated by simulation with the experimentally validated MCNP model. Ways of improving these detection limits are being studied, in particular by reducing the active background or by measuring high-energy delayed gamma rays with NaI(Tl) scintillation detectors. (author)
Abstract (French)
La caracterisation non-destructive des colis de dechets radioactifs betonnes et volumineux est un defi important pour des questions de surete-criticite et de gestion sur le long terme. D'une part, la masse fissile presente a l'interieur doit etre estimee precisement pour leur transport et leur entreposage de la facon la plus sure possible. D'autre part, une connaissance precise de leur activite alpha permet de les envoyer vers le mode de stockage definitif le plus approprie, ce qui implique potentiellement des economies consequentes. Les colis betonnes de 870 L produits par le CEA et entreposes au centre de Cadarache ne peuvent etre caracterises par spectrometrie gamma ou mesures neutroniques passives et actives en raison d'une sensibilite insuffisante et d'incertitudes tres penalisantes associees a une forte attenuation des neutrons et des rayonnements gamma dans les dechets ou le beton. Par consequent, l'Interrogation Photonique Active (IPA) est etudiee pour localiser et quantifier la matiere fissile dans ces futs de dechets betonnes volumineux. Cette technique est basee sur le phenomene de photofission lorsque des actinides sont interroges avec des photons d'energie superieure a 6 MeV. Puisque tous les actinides ont une section efficace de photofission similaire, la methode ne permet pas d'estimer directement la masse de matiere fissile (par exemple 235U, 239Pu) ou l'activite alpha (principalement due aux isotopes du plutonium). Il faut donc recourir a une methode de differenciation pour evaluer les proportions des actinides d'interet. Pour ce faire, les differences dans les taux de production des produits de photofission selon l'actinide sont exploitees via la mesure de ratios de pics de gamma retardes avec un detecteur germanium haute purete. De nouvelles donnees experimentales concernant les taux de production des produits de photofission de l'235U, l'238U et du 239Pu ont ete mesurees en irradiant des echantillons d'uranium et de plutonium avec un faisceau de photons de Bremsstrahlung issu d'un accelerateur lineaire d'electrons situe dans la cellule d'irradiation CINPHONIE de l'institut IRESNE, au CEA de Cadarache. Une caracterisation prealable du faisceau de photons de Bremsstrahlung et du flux de photoneutrons produits par l'accelerateur a ete menee via des mesures d'activation photonique et neutronique de materiaux de reference. a partir des mesures des taux de production cumulatifs, les couples de produits de photofission les plus efficaces pour differencier les actinides ont ensuite ete identifies pour differents melanges d'isotopes 235U, 238U et 239Pu. Une methode de localisation des actinides dans une maquette de colis de dechets en beton a aussi ete developpee et testee, basee a la fois sur des donnees experimentales (attenuation differentielle des rayonnements gamma retardes emis par le 138Cs) et des simulations Monte-Carlo avec le code MCNP6. La localisation est une etape essentielle tout d'abord pour corriger les effets de matrice, puisque l'attenuation differentielle des rayonnements gamma retardes affecte la discrimination des actinides, mais egalement pour estimer l'incertitude sur la masse fissile evaluee par IPA. Enfin, des limites de detection de l'ordre de quelques grammes a dizaines de grammes selon les caracteristiques du colis et la position de la matiere nucleaire dans le fut de 870 L ont ete estimees par simulation avec le modele MCNP valide experimentalement. Des pistes d'amelioration de ces limites de detection sont etudiees, notamment via la reduction du bruit de fond actif ou la mesure des rayonnements gamma retardes de haute energie avec des detecteurs a scintillation de type NaI(Tl)
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Additional titles
- Original title (French)
- Contribution au developpement d'une methode de caracterisation pour des colis de dechets radioactifs betonnes et volumineux par photofission
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 218 p.
- Report number
- FRCEA-TH--16380
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54123582
- Subject category
- S46: INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY; S38: RADIATION CHEMISTRY, RADIOCHEMISTRY AND NUCLEAR CHEMISTRY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- CONCRETES; DELAYED GAMMA RADIATION; FISSION PRODUCTS; GAMMA SPECTROSCOPY; M CODES; MONTE CARLO METHOD; PHOTOFISSION; PHOTON BEAMS; PHOTONEUTRONS; PLUTONIUM 239; RADIOACTIVE WASTE STORAGE; RADIOACTIVE WASTES; SCINTILLATION COUNTERS; URANIUM 235; URANIUM 238
- Descriptors DEC
- ACTINIDE NUCLEI; ALPHA DECAY RADIOISOTOPES; BARYONS; BEAMS; BUILDING MATERIALS; CALCULATION METHODS; COMPUTER CODES; ELECTROMAGNETIC RADIATION; ELEMENTARY PARTICLES; EVEN-EVEN NUCLEI; EVEN-ODD NUCLEI; FERMIONS; FISSION; GAMMA RADIATION; HADRONS; HEAVY NUCLEI; INTERNAL CONVERSION RADIOISOTOPES; IONIZING RADIATIONS; ISOMERIC TRANSITION ISOTOPES; ISOTOPES; MANAGEMENT; MATERIALS; MEASURING INSTRUMENTS; MINUTES LIVING RADIOISOTOPES; NEUTRONS; NUCLEAR REACTIONS; NUCLEI; NUCLEONS; PHOTONUCLEAR REACTIONS; PHOTONUCLEONS; PLUTONIUM ISOTOPES; RADIATION DETECTORS; RADIATIONS; RADIOACTIVE MATERIALS; RADIOACTIVE WASTE MANAGEMENT; RADIOISOTOPES; SPECTROSCOPY; SPONTANEOUS FISSION RADIOISOTOPES; STORAGE; URANIUM ISOTOPES; WASTE MANAGEMENT; WASTE STORAGE; WASTES; YEARS LIVING RADIOISOTOPES
Optional Information
- Notes
- 129 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses