Le Jefferson Lab aux États-Unis signe un accord CRADA pour promouvoir la commercialisation d'un moniteur souterrain continu du tritium : surmonter les défis de la surveillance en ligne des particules bêta de faible énergie dans les eaux souterraines des installations nucléaires et de fusion

Le Thomas Jefferson National Accelerator Facility (communément appelé Jefferson Lab) du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE) a annoncé la signature officielle d'un accord de recherche et développement coopératif (Cooperative Research and Development Agreement, CRADA) avec la start-up Canary Instruments, afin de promouvoir conjointement la commercialisation de son nouveau moniteur environnemental souterrain continu des radio-isotopes (Subsurface Continuous Radioisotope Environmental Monitor, SCREM) développé en interne. Cette technologie est spécialement conçue pour la surveillance en ligne en temps réel de la pollution au tritium dans les eaux souterraines autour des centrales nucléaires, des installations de combustible nucléaire et des futures centrales de démonstration de fusion nucléaire.

Dans le système actuel de surveillance radiologique des eaux souterraines des installations nucléaires, les méthodes de détection dominantes reposent sur un échantillonnage périodique manuel envoyé en laboratoire. Bien que les mesures soient précises, il s'agit d'opérations « à forte intensité de main-d'œuvre et de temps », et elles ne fournissent qu'un instantané des données du plan d'eau au moment du prélèvement, ce qui rend difficile la capture en temps utile des rejets radioactifs soudains et sporadiques à faible concentration. Le système SCREM est conçu pour répondre aux besoins de surveillance à long terme ; il peut être directement enfoui dans des puits de surveillance ou des forages géologiques et, grâce à sa propre alimentation, assurer une acquisition et un enregistrement continus de données in situ pendant plusieurs mois à plusieurs années, améliorant significativement la sensibilité et la continuité temporelle de la détection d'isotopes à faible concentration.

En ce qui concerne la voie technologique de détection et l'architecture physique sous-jacente, le SCREM a surmonté le goulot d'étranglement physique lié à la difficulté de pénétration et de détection à distance des particules bêta (Beta Particles) de très faible énergie émises lors de la désintégration du tritium. Le système adopte une conception combinant une structure en grille de fibres scintillantes sans gaine (Unclad Scintillating Fibers) et des photomultiplicateurs au silicium (Silicon Photomultiplier, SiPM) :

Contact direct avec l'eau et grande surface d'immersion :le réseau de fibres scintillantes sans gaine est directement en contact avec les eaux souterraines et permet à l'eau de le traverser, maximisant la surface de contact entre les fibres et le plan d'eau, de sorte que les particules bêta de très faible énergie présentes dans l'eau puissent directement bombarder le scintillateur et exciter des photons ;

Lecture SiPM miniaturisée et à faible consommation :les signaux lumineux sont transmis le long des deux extrémités des fibres vers les SiPM. Comparés aux photomultiplicateurs traditionnels (PMT), volumineux, à haute tension et sensibles à la température et à l'humidité souterraines, les SiPM offrent une sortie de signal importante sous basse tension dans un boîtier miniature extrêmement compact, et leurs caractéristiques de réponse spectrale correspondent étroitement à la longueur d'onde d'émission des fibres ;

Mesure en coïncidence à double extrémité pour éliminer le bruit thermique :les signaux photoniques collectés aux deux extrémités des fibres sont discriminés par un circuit de mesure en coïncidence (Coincidence Detection) de précision, ce qui élimine presque totalement le bruit de fond thermique dans l'environnement souterrain profond. En outre, en ajustant les dimensions et les paramètres des fibres, cette architecture peut également être étendue de manière flexible à la surveillance en ligne des rayons gamma (Gamma Rays), des particules alpha (Alpha Particles) ou des neutrons.

La start-up Canary Instruments, qui a acquis cette technologie, a été créée et incubée par le programme de soutien à la transfert technologique « Boost Platform » du Département de l'Énergie des États-Unis. Bien que le brevet original du SCREM couvre les scénarios d'application de surveillance des eaux souterraines des centrales nucléaires à fission traditionnelles, Canary Instruments se concentrera initialement sur le marché des dispositifs de démonstration de fusion nucléaire, dont le cadre réglementaire est plus souple et la commercialisation plus rapide. S'appuyant sur cet accord CRADA, les chercheurs des deux parties continueront d'approfondir l'optimisation de l'électronique de lecture, la validation des performances de référence et le développement d'un prototype entièrement fonctionnel, afin d'accélérer la chaîne de transfert des réalisations majeures en détection de physique nucléaire des laboratoires nationaux vers la protection de la sécurité des infrastructures industrielles.