Incertitudes de mesure dans les expériences intégrales - A. Gruel, B. Geslot SPESI/LP2E - CERN Indico
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Incertitudes de mesure dans les expériences intégrales A. Gruel, B. Geslot SPESI/LP2E CEA Cadarache Workshop NACRE "Incertitudes" - 12/06/2018 Cadarache
INTRODUCTION Previously… Workshop NACRE « L'avenir des mesures des sections efficaces de capture et de fission », 9-10/11/2016 Expériences intégrales : les installations – potentiels et verrous P. Leconte et al. Instrumentation pour les mesures intégrales de taux de capture et de fission A. Gruel et al. Atelier NEEDS « Expériences intégrales et instrumentation », 15/09/2017 Mesures intégrales sur VENUS-F critique et sous-critique A. Billebaud et al. Le projet PRINCESS : état d’avancement et perspectives É. Dumonteil et al. De la mesure de la réactivité d’un réacteur sous-critique au projet SALMON J.-L. Lecouey et al. Projet d’expériences intégrales pour la période 2018-2020 P. Leconte et al. 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 2
INTRODUCTION Des types de mesure variés… Irradiation dans un flux élevé Mesures de (variation de) réactivité Mesure de taux de réaction EOLE Expériences de criticité Expériences de propagation Des installations qui peuvent être très différentes Réacteur, faisceau, expériences analytiques … qui répondent à des besoins divers Amélioration des données nucléaires (section efficaces, rendements de fission, paramètres cinétiques, …) Tests/qualification de méthodes/instrumentation (température, suivi de réactivité en sous-critique, …) Validation de codes de calcul, … GELINA 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 3
INTRODUCTION Importance d’affecter les bonnes incertitudes aux mesures Ne pas masquer un biais éventuel, en affectant une incertitude trop importante Une incertitude trop faible risque de conduire à rejeter des résultats pourtant bons (dans une comparaison calcul/expérience par exemple) Permet d’estimer des sensibilités réalistes (ex: tolérance mécanique) Écarts C/E + cov(E) Données nucléaires Code ajustées Covariance a priori d’ajustement/réévaluation/ assimilation de données Covariance a Sensibilités posteriori Nécessité d’incertitudes maitrisées, listées, documentées 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 4
INTRODUCTION Les incertitudes dans les mesures intégrales : vaste sujet… Système de mesure Mesure/expérience Évaluation du • Réglages initiaux • Conditions expérimentales paramètre cible • Calibration/étalonnage (durée, température, …) • Données nucléaires • Stabilité, … • Statistique de mesure • Données technologiques • Répétabilité/reproductibilité (dimensions, composition, • Facteurs correctifs température, …) (calculés/analytiques) Comment l’illustrer ? 3 exemples – Mesures de spectrométrie gamma → approche analytique – Mesures par oscillation → approche empirique – Mesures par chambres à fission → améliorations possibles 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 7
Mesures par spectrométrie gamma Mesures par oscillation Mesures par chambre à fission Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache | PAGE 8
MESURES PAR SPECTROMÉTRIE GAMMA Généralités Type de mesure standard, permet de remonter à plusieurs quantités différentes Taux de réaction Distribution de taux de capture/fission Puissance Flux neutronique Sections efficaces, rapports de branchement Données de décroissance Période radioactive Rendements de fission Différentes contributions aux incertitudes et surtout une approche différente à chaque fois Les paramètres considérés comme « connus » sont différents, et contribuent donc – ou non – à l’incertitude finale = 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 9
MESURES PAR SPECTROMÉTRIE GAMMA Généralités Système de mesure Réglages électroniques de la chaîne de mesure Résolution en énergie Taux de temps mort Gamme de mesure Va conditionner l’incertitude type sur toutes les mesures réalisées par la suite Méthode d’analyse des spectre Logiciel, algorithme, … Recommandations Calibration Efficacité Énergie Relation réponse/quantité mesurée dans la configuration d’étalonnage 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 10
MESURES PAR SPECTROMÉTRIE GAMMA Généralités Expérience Irradiation Conditions expérimentales : durée, position, environnement Transfert vers le système de mesure : temps de refroidissement Mesure Durée et nombre de mesures Statistique Reproductibilité/répétabilité Conditions expérimentales différentes de la configuration d’étalonnage : facteurs correctifs calculés ou analytiques Auto-absorption Source volumique : fait intervenir des calculs (généralement MC) Impact de la collimation Décroissance des produits d’activation pendant les différentes phases : fait intervenir des données nucléaires 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 11
MESURES PAR SPECTROMÉTRIE GAMMA Exemple : nappe de puissance Exemple 1 : nappe de taux de puissance Mesure relative sur des combustibles de même nature Simplification des termes d’efficacité Spectrométrie intégrale Très bonne statistique Pas de correction de décroissance analytique Utilisation d’un crayon décroissant mesuré en parallèle – Hypothèse : même décroissance des PF et PA FLUOLE-2 dans EOLE Composantes de l’incertitude finale : Statistique = 0,1 – 0,3 % Répétabilité (3 mesures) = 0,3 % Reproductibilité (2 ou 3 mesures) ≈ 1 % Symétrie du réseau ≈ 1 – 2 % 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 12
MESURES PAR SPECTROMÉTRIE GAMMA Exemple : nappe de puissance 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Incertitudes autres que statistique 1 2 3 4 5 Influence des incertitudes technologiques sur 6 7 8 9 la distribution de puissance 10 11 12 13 Tolérance mécanique 14 15 16 → variation de l’épaisseur de lame d’eau 17 18 19 → variation locale du taux de fission 20 21 22 Position de la barre de pilotage 23 24 25 → variation locale importante 26 27 28 → bascule du flux 29 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 Autres paramètres pouvant influer 6 7 8 9 Variation de composition 10 11 12 Défaut de fabrication (assymétrie, défaut d’alignement, …) 13 14 15 16 17 18 19 20 Importance de la métrologie technologique (dimensions, 21 22 23 24 masse, composition) 25 26 27 28 29 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 13
MESURES PAR SPECTROMÉTRIE GAMMA Exemple : activité Exemple 2 : activité Mesure absolue de l’activité d’un radionucléide Calibration du système de mesure : Mesure : Calcul : Corrections : , , Données nucléaires de décroissance : , Éventuellement : rendement de fission, rapport de branchement, masse du dosimètre/isotope = 2 2 = 2 + 2 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 14
MESURES PAR SPECTROMÉTRIE GAMMA Exemple : activité Exemple 2 : activité Spectrométrie de pic particulier Statistique variable Correction de décroissance analytique Nécessite la bonne connaissance de la décroissance du RN mesuré Composantes de l’incertitude finale : Statistique = 0 – qlq % DN ( , ) = 0,1 % – qlq % , < 1 % dosimètre/isotope Importance du choix des données d’entrées, et de la phase d’étalonnage 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 15
MESURES PAR SPECTROMÉTRIE GAMMA Conclusion Conclusion Pas la même incertitude dominante dans les 2 cas : Données technologiques du réseau Données nucléaires À l’inverse, dans le 1ier cas, cette technique peut permettre d’investiguer des données géométriques locales (épaisseur de lame d’eau, …) À partir des mêmes données (taux de comptage), on peut remonter à des paramètres physiques différents, et/ou à des résultats différents ! Covariance expérimentale qui peut être difficile à quantifier… Traçabilité !! 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 16
Mesures par spectrométrie gamma Mesures par oscillation Mesures par chambre à fission Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache | PAGE 17
MESURES PAR OSCILLATIONS Généralités Principe Perturbation dans un spectre neutronique bien caractérisé Mesure de la variation de réactivité (effet global) Mesure de la perturbation locale du flux 8 Position Oscillateur (V) 6 4 2 0 0 100 200 300 400 500 600 -1 -2 Angle Pilote (V) -3 Réacteur -4 -5 -6 0 100 200 300 400 500 600 Échantillon Chambre pilote - Consigne (V) 0.1 (sections inconnues) 0.05 0 -0.05 -0.1 0 100 200 300 400 500 600 Perturbation dépendant des sections de réaction Temps (s) de l’échantillon de mesure par conception (échantillon, spectre), on cherche à maximiser la sensibilité à la section d’intérêt 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 18
MESURES PAR OSCILLATIONS Généralités Différentes methodes dépendant de : Type et fréquence perturbation Avec ou sans compensation Positions des détecteurs Without compensating rod With compensating rod Detector Asymptotic period method Calibrated control rod method Low frequency Power history method Global perturbation Pile-oscillator method Reactivity-oscillator method Local oscillator method - Local High frequency perturbation Hybrid pile-oscillator method Hybrid reactivity-oscillator Both 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 19
MESURES PAR OSCILLATIONS Généralités Signal global directement lié à l’effet en réactivité de la perturbation Le signal mesuré est la difference entre 2 états : ( réacteur + échantillon ) – ( réacteur + aluminium ) Le signal est composé de plusieurs sources : ∆ = ∆ é + ∆ + ∆ Active lenghth 10 cm 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 20
MESURES PAR OSCILLATIONS Mesures dans MINERVE Technique « Reactivity oscillator » Détection variation globale de flux détecteur à dépôt de bore dans le réflecteur Compensation de la variation de réactivité Pilote automatique rotatif à secteurs de cadmium ∆ ∝ ∆ Barre rotative à secteurs de Cd +5pcm -5pcm 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 21
MESURES PAR OSCILLATIONS Mesures dans MINERVE Oscillateur Capteur MINERVE Absorbant Moteur + Système Détecteur - d’acquisition Commande 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 22
MESURES PAR OSCILLATIONS Mesures dans MINERVE Les mesures doivent être comparés dans les mêmes conditions expérimentales Corrections pour prendre en compte : Dérive de puissance durant une mesure (< 1 %) Dérive (lente) du signal entre les mesures liée à la température de l’eau (< 2 %) 1cycle Signal Power 10 min 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 23
MESURES PAR OSCILLATIONS Traitement des incertitudes Many sources of error Empirical approach based on Electronic noise multiple measurements: Mechanical errors Improve statistics by averaging results Neutron detection Estimate experimental standard deviation Reactor power Discard outlier measurements Water temperature Monitor signals drift over time (bias) Sample location in the core Allow statistical tests on measurements Experiment design to optimize Simplification : 2 uncertainty sources Oscillation period & duration Repeatability = signal variability during one measurement (intraclass standard Short measurements (5 cycles / deviation) measurement) Reproducibility = signal variability from Several measurements (4 to 5 for each one measurement to another (interclass sample) standard deviation) Tests samples to monitor drifts Errors calculated over the whole program 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 24
MESURES PAR OSCILLATIONS Traitement des incertitudes 1. Signal for one cycle (sample ) 2. Average over n measurements of p cycles Sij S c e t 1 S Sij n p ij 3. Repeatability 4. Reproducibility S S 2 ij i i , j , ˆ S S 2 2 p Nm 1 e i ˆ c2 i Nm 1 5. Final uncertainty 6. Assumptions need validation Samples are equivalent ˆ e2 ˆ c2 ˆ S 2 T Source of errors are uncorrelated n p n Uncertainties independent on reactivity worth Error due to signal corrections 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 25
MESURES PAR OSCILLATIONS Vérification des hypothèses Sij Si Intra-class standard deviation 2 No trend observed on repeatability ˆ e2 i , j , Observed standard deviation: e ~ 1.1 kUP p Nm 1 Distribution of intra-class errors is close to a Gaussian curve 250 Histogramme Sij Si 200 Gauss Nomre de mesures 150 100 50 0 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 26
MESURES PAR OSCILLATIONS Vérification des hypothèses Inter-class standard deviation S S 2 Strong dependence with temperature had to be corrected first i Overall standard deviation: ˆ 2 i Nm 1 c c ~ 1.3 kUP (0.01 pcm) Standard deviation based on monitoring samples are consistent 1.03 M-H2O-1 20% 1.03 M-H2O-1 (sigma=0.5%) C-B10-4 1.02 15% C-B10-4 (sigma=0.7%) Exp std: 1.6 kUP Température 1.02 Variation température 10% Signal normalisé Signal normalisé 1.01 1.01 5% 1 0% 1 -5% 0.99 0.99 -10% Exp std: 2.2 kUP 0.98 -15% 0.98 Date de la mesure Date de la mesure 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 27
MESURES PAR OSCILLATIONS Test statistique A statistical test is required to: Detect measurement outliers Check consistency between observed std. and calculated uncertainty Under the assumption that measurements are normally distributed, T follows a c2 law with n-1 degrees of freedom: V S T ( ) n 1 ˆ S 2 Total calculated uncertainty A test failure means that: Some measurements are to be removed T(Ti)=13 > 11.1 (outliers) 0.9% Uncertainty estimation is not correct 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 28
MESURES PAR OSCILLATIONS Test statistique … but this simple statistical test is weak. This can be demonstrated by a simple Monte Carlo simulation (with n~5) First scenario: standard deviation is increased exp = 1.5 S Detection rate : 35 % Second scenario: one measurement in the set is strongly biased Bias = 2 S Detection rate : 25 % 500 600 450 500 400 350 H0 rejected 400 H0 rejected 300 250 300 200 200 150 100 100 50 0 0 -10 0 10 20 30 40 50 60 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Test result Test result 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 29
MESURES PAR OSCILLATIONS Mesures locales Panier Mesures locales MAESTRO- SL Séparer les effets couplés des sections efficaces (absorption et diffusion) Détecteur Signal Local = variation du flux thermique autour de l’échantillon Dépôts Fissiles Réponse maximisée à la diffusion (indépendante (H=6cm) de la réactivité de l’échantillon) Échantillon (H=10cm) 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 30
MESURES PAR OSCILLATIONS Mesures locales 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 31
MESURES PAR OSCILLATIONS Mesures locales 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 32
Mesures par spectrométrie gamma Mesures par oscillation Mesures par chambre à fission Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache | PAGE 33
MESURES PAR CHAMBRES À FISSION Généralités Principe de fonctionnement E Neutron Dépôt fissile convertisseur de neutron Gaz 235,238U, 238,239,240,242Pu, 241Am, 237Np, 232Th Émission de PF ionisation du gaz inter-électrodes Signal ∝ taux de fission/unité de masse - + ++ Produit - ∝ nombre de neutrons - de fission Optimisées pour les mesures de flux en réacteur Dépôt fissile Mesures en ligne, masses déposées faibles : quelques µg à mg Régime chambre d’ionisation Signal Fonctionnement en mode impulsion Mieux adaptées à la caractérisation du spectre ou flux Encombrement réduit (diamètre < 1 cm) Fabrication sur mesure : géométrie, masse, dépôt Ø4mm (CF4) Atelier de fabrication au Ø8mm SPEx/LDCI (CF8R) Ø3mm (CF3) 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 34
MESURES PAR CHAMBRES À FISSION Généralités Exemples d’utilisation en réacteur Mesures de réactivité Temps de doublement Mesure de poids en réactivité en sous-critique Mesures/caractérisation énergétique du flux Indices de spectre (rapport de taux de fission d’isotopes différents) Traverse de flux Mesures de puissance, niveau de flux Nécessitent une chambre calibrée et parfaitement connue pour la modélisation 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 35
MESURES PAR CHAMBRES À FISSION Exemple Indice de spectre Rapport de taux de réaction, pour caractériser le spectre neutronique Exemple : ഥ 235 238 238 , 5 5 ഥ 238 = − , avec la composition (ppm massique) du dépôt 235 235 , 8 8 Incertitude dominante : masse efficace , = , avec ത = ഥ σ , Dépend de sections efficaces de référence (dosimétrie) Nécessite une installation caractérisée (calculs MC) Caractérisation géométrique de l’emplacement de calibration (gradients radial et axial) + précision et reproductibilité Biais lié à la géométrie de la chambre (longueur de dépôt, matériaux environnants, impuretés du dépôt) chaque correction apporte une contribution supplémentaire à l’incertitude finale 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 36
MESURES PAR CHAMBRES À FISSION Exemple Mesure de l’indice de spectre ∝ au rapport des sections dans le spectre d’étalonnage Méthode ne dépendant pas de la masse efficace ? , Τ = , , é é , On considère = , é é , Hypothèse requises : – 2 CF de même masse déposée possèdent la même masse efficace – Masse efficace ∝ masse déposée Maîtrise du processus d’électro-déposition – Concentration solution mère, rendement d’électrolyse – Étalonnage masse déposée par spectrométrie gamma Retour sur les sections efficaces de fission (étalonnage indépendant des sections à caractériser) 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 37
MESURES PAR CHAMBRES À FISSION Conclusions Tracer les schémas de calcul utilisés (méthode + bibliothèque de DN) Prise en compte des effets d’environnement, réacteur- et CF-dépendant (ex : -1,2 % pour une CF 238U dans un spectre de fission) nécessite une modélisation précise des détecteurs Préserver la cohérence dans le dépouillement des mesures (algo. de traitement des spectres) Étalonner les CF un même emplacement permet de réduire efficacement l’incertitude finale (réduction des facteurs corrélés) dans le calcul des indices de spectre facteur 2 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 38
MESURES PAR CHAMBRES À FISSION Perspectives Amélioration des mesures par CF Autres réactions (n, ), (n,p) Autre géométrie Ex : CF double-dépôt dos à dos, on s’affranchit des biais liés à la reproductibilité, aux différences entre 2 CF, au niveau de flux, ...) Cible Double CI Système de remplissage Détection en coïncidence Remplissage Capteur de pression Connectique 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 39
CONCLUSIONS Bonnes pratiques Identification systématique des différentes sources Métrologie recommandée, analyses chimiques Traçabilité Répétabilité/reproductibilité Étalonnage toujours dans des conditions différentes de la mesure Prise en compte de la méconnaissance de toutes les conditions externes Références Evaluation of measurement data — Guide to the expression of uncertainty in measurement, JCGM 100:2008, GUM 1995 with minor corrections ICSBEP Guide to the Expression of Uncertainties, 2008 The Importance of the Experimental Uncertainty in the BEPU Approach, M. Hursin, BEPU-201 12/06/2018 Workshop NACRE "Incertitudes" - Cadarache 40
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