___________________

¹ Voir Agence internationale de l'énergie atomique, Material Modification, à l'adresse https://www.iaea.org/topics/material-modification.

² Ian Downie, Nordion, présentation au comité le 13 octobre 2020.

³ Mike Fuller et Mark Shilton, QSA Global, Inc., présentation au comité le 13 octobre 2020.

radiographie, qui montre les fissures ou les défauts. La radiographie montre également les différences de densité du matériau. La présence d'une inclusion métallique dans un échantillon de plastique, par exemple, est identifiée par radiographie, que le matériau ait ou non une épaisseur différente à cet endroit. De même, une fissure ou un défaut à l'intérieur d'un matériau peut ne pas entraîner une différence d'épaisseur mesurable dans le matériau mais produire une différence d'absorption et de diffusion des photons par rapport au matériau intact qui est révélée par la radiographie. Il est essentiel que la source émette une énergie capable de pénétrer le matériau examiné et de produire une image présentant un contraste et une définition adéquats, que ce soit pour un film développé ou une image numérique.

Certaines radiographies sont effectuées dans des enceintes blindées ou des chambres fortes pour protéger l'opérateur et le public de l'exposition aux rayonnements. Le plus souvent, la radiographie est effectuée sur des sites éloignés, ce qui nécessite le transport de la source et du détecteur/film sur place, généralement dans un camion de chambre noire mobile. Par exemple, pour inspecter de nouveaux oléoducs ou gazoducs, un film sensible est collé sur la soudure autour de l'extérieur du tuyau. La caméra de radiographie est positionnée à l'extérieur ou à l'intérieur (via une chenille) du tuyau, et une source radioactive se déplace jusqu'à la position de la soudure. Une fois en position, la source radioactive est exposée à distance et une image radiographique de la soudure est produite sur le film, lequel est ensuite développé et examiné pour détecter des signes de défauts. Parmi les autres exemples où la radiographie industrielle est réalisée sur le terrain, on peut citer les raffineries de pétrole, les usines chimiques, les plates-formes offshore, les barges de pose, les réservoirs de stockage, les appareils à pression, les pipelines, les ponts et les bâtiments.

6.1.1 Technologies des radio-isotopes

La plupart des appareils de radiographie utilisent l'iridium-192, mais un nombre important d'appareils de radiographie utilisent le cobalt-60 ou le sélénium-75. Le choix du radio-isotope dépend du matériau à radiographier et de son épaisseur. Les rayons gamma à haute énergie du cobalt-60 sont normalement utilisés pour les sections d'acier plus épaisses, de un à plusieurs centimètres. L'iridium-192 est utilisé pour l'acier jusqu'à 2,5 cm d'épaisseur, et le sélénium-75 est utilisé pour les métaux plus légers et plus fins. Les sources de radiographie sont généralement des sources de catégorie 2 dans le système de l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA). Le tableau 1.2 indique la demi-vie, les émissions radioactives et les énergies de ces radio-isotopes, et le tableau 6.1 résume les caractéristiques de base des caméras de gammagraphie industrielle en fonction du radio-isotope particulier.

Les caméras de gammagraphie sont constituées d'un boîtier en acier, généralement fermé par soudage, qui entoure un écran en uranium appauvri, en tungstène ou en plomb. L'uranium appauvri (UA) est normalement utilisé comme blindage pour l'iridium-192 en raison de sa forte densité et de sa capacité à protéger en toute sécurité les sources de haute activité avec des débits de dose externes conformes aux exigences réglementaires. Le tungstène est généralement utilisé pour le blindage des sources de sélénium-75. La source est fixée à un fil court ou à un câble flexible court, souvent appelé « queue de cochon » (voir la figure 6.1) qui positionne la source en position blindée et permet de la verrouiller solidement la source en position de stockage.

Une caméra de gammagraphie peut être de type projecteur ou de type directionnel (voir la figure 6.2a-c). Dans une caméra de type projecteur, la source est projetée à partir de la position blindée de la caméra et se déplace dans un tube de guidage jusqu'à la position souhaitée, puis revient à la position blindée à la fin du temps d'exposition. Dans une caméra de type directionnel, la source ne quitte pas le dispositif, mais est déplacée hors de sa position de stockage blindée jusqu'à un point où la source peut exposer un objet dans une direction limitée.

TABLEAU 6.1 Caractéristiques de base des caméras de radiographie industrielle à base de radio-isotopes

^a De ASNT, 2019.

certains avantages par rapport à la gammagraphie traditionnelle, tels que des temps d'exposition réduits et la nécessité d'une zone contrôlée plus petite. Cependant, la nécessité de remplacer fréquemment les tubes, ce qui est coûteux, et leur utilisation fréquente font que la gammagraphie reste l'option la plus fiable et la plus adaptée.

Comme indiqué au chapitre 4, RadiaBeam, une petite entreprise bénéficiaire du programme SBIR (Small Business Innovation Research) de l'Administration nationale de la sécurité nucléaire a mis au point un Micro-Linac qu'elle a étudié en tant que remplacement potentiel des sources d'iridium-192 pour la radiographie industrielle. Ces machines ont été jugées trop coûteuses à fabriquer et ne pouvaient pas concurrencer le coût relativement bas des sources d'iridium-192. RadiaBeam en est aux premiers stades de la recherche sur la mise au point d'un linac compact de 1 MeV fonctionnant sur batterie qui, s'il s'avère concluant, produirait des rayons X de plus haute énergie qu'un tube à rayons X et aurait donc des énergies similaires à celles de l'iridium-192. En raison de sa faible consommation d'énergie, cette technologie ne nécessiterait pas de refroidissement par eau. Ce concept proposé nécessite un travail supplémentaire considérable pour créer un modèle fonctionnel qui pourrait être testé sur le terrain. Le représentant de RadiaBeam qui a informé le comité a reconnu qu'il est peu probable que cette nouvelle technologie puisse égaler le faible prix de l'utilisation de radioisotopes facilement disponibles et éprouvés, malgré la nécessité de remplacer régulièrement les sources d'iridium-192.⁴

Le contrôle automatisé par ultrasons (AUT), une alternative à la radiographie industrielle, émet des ondes ultrasonores dans un matériau inspecté. Ces ondes sont réfléchies ou diffusées par les défauts ou les imperfections du matériau ainsi que par les surfaces extérieures du matériau. Le détecteur mesure les différences de temps dans le retour de ces ondes acoustiques depuis les défauts et les surfaces extérieures pour déterminer les formes et les emplacements des défauts. Les scans nécessitent un examen et une interprétation habiles par des techniciens formés et certifiés, et l'interprétation des images peut être subjective en fonction de l'expérience de l'opérateur (Moran et al., 2015). Bien que les méthodes de radio-isotopes et de radiographie aux rayons X puissent détecter un large spectre de défauts pouvant résulter du soudage, des différences dans la physique rendent chaque méthode sensible à un type de défaut particulier - la radiographie est adaptée à la détection de défauts volumétriques tels que les scories et la porosité, tandis que les ultrasons sont plus adaptés à la détection de défauts planaires tels que les fissures et l'absence de fusion. Le tableau 6.2 présente une comparaison de la réponse de mesure entre la radiographie industrielle utilisant les rayons gamma et les ultrasons.

En 2009, la Commission de réglementation nucléaire des États-Unis (la NRC des États-Unis) a financé le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) pour qu'il réalise une analyse documentaire (Moran et al., 2010) afin d'aider à comprendre les questions liées à l'interchangeabilité de l'AUT avec la radiographie industrielle. L'étude du PNNL portait sur le remplacement de la radiographie par l'AUT, en particulier lors de la construction de réacteurs nucléaires ; toutefois, il est probable que les résultats puissent être extrapolés à d'autres utilisations actuelles de la radiographie et de l'AUT. L'examen a conclu que l'AUT était réalisable pour la radiographie dans certains cas ; cependant, les techniques d'utilisation de l'AUT ne sont pas actuellement définies de manière adéquate et devraient être spécifiées, ou une norme de performance devrait être définie.

6.1.3 Considérations relatives à l'adoption de technologies alternatives

Les sources radioactives continuent d'être la méthode préférée pour les CND industriels dans les opérations de terrain éloignées, car les alternatives ne sont pas encore égales ou supérieures en termes de capacité à détecter les

___________________

⁴ Salime Boucher, RadiaBeam Technologies, LLC, présentation au comité le 17 décembre 2020.

défauts, elles fournissent des images qui ne sont pas facilement interprétables, et elles sont plus coûteuses et moins robustes. Pour ces raisons, l'adoption d'alternatives telles que les rayons X et l'AUT pour les CND industriels a été lente.

Comme dans les applications médicales, avec les progrès réalisés en matière de ressources informatiques et de logiciels d'analyse sophistiqués, la radiographie industrielle utilise de plus en plus la radiographie numérique pour remplacer les images conventionnelles sur film dans certaines applications. L'image est capturée sur des plaques de phosphore et numérisée, ce qui permet de l'interpréter et de la stocker facilement. L'image numérisée peut être améliorée à l'aide d'un logiciel, ce qui rend l'image plus facile à interpréter. Comme les plaques phosphorescentes nécessitent moins d'énergie pour produire une image, le temps d'exposition et la zone d'exclusion des rayonnements peuvent être réduits. En outre, cela permet d'utiliser des sources radioactives de plus faible activité.

L'utilisation de la radiographie numérique par rapport au film présente actuellement certains inconvénients, tels que des coûts d'investissement initiaux plus élevés, des limitations quant à l'utilisation des plaques de phosphore sur le terrain, des plaques de phosphore plates qui ne peuvent actuellement pas être pliées autour des tuyaux, et des exigences supplémentaires en matière de formation. Cependant, à mesure que ces problèmes sont résolus, l'utilisation de la radiographie numérique devrait augmenter. Un livre blanc publié en 2017 par SGS, une société de services d'inspection et d'essai de premier plan, indique que l'utilisation de la radiographie numérique représente environ 10 % de l'ensemble de la radiographie et qu'elle augmentera probablement à l'avenir (Montes et Taylor, 2017).

Comme pour la radiographie par rapport à l'AUT, les technologies des accélérateurs viendront très probablement compléter la radiographie, plutôt que de la remplacer. Les technologies plus récentes seront probablement utilisées conjointement avec des sources radioactives, à moins que la réglementation n'interdise les radio-isotopes ou que la disponibilité des radio-isotopes pose des problèmes. Différents principes physiques s'appliquent aux divers types et qualités de faisceaux d'ions et de faisceaux d'électrons, de sorte qu'ils mesurent tous des paramètres différents et ont tous une valeur. L'atelier 2019 sur les accélérateurs organisé par le ministère de l'énergie (DOE) (2019) a conclu que des améliorations technologiques fondamentales supplémentaires sont nécessaires pour miniaturiser, stabiliser (c'est-à-dire augmenter la durée de vie opérationnelle et la robustesse) et réduire le coût de la génération de faisceaux d'ions et d'électrons à haute énergie.

Les pays en développement utilisent également des techniques non radio-isotopiques pour les CND. L'AIEA fournit notamment une assistance technique sur diverses techniques de contrôle non destructif par rayonnement aux États membres qui en font la demande. Par exemple, en 2009, avec l'aide de l'AIEA, le Centre d'essais non destructifs de l'Institut de l'énergie atomique du Vietnam a commencé à adopter la radiographie numérique pour remplacer les films radiographiques traditionnels, et 10 ans plus tard, il avait mis en service 15 machines de radiographie numérique (Marais, 2019).

Les appareils de radiographie industrielle sont très robustes et peuvent être utilisés pendant des décennies avec un minimum de maintenance requise. Cela permet aux entreprises de ne pas remplacer les équipements en fonctionnement et de différer les coûts d'investissement liés à l'achat de systèmes plus sophistiqués et plus coûteux. L'utilisation d'un appareil de radiographie industrielle n'est pas difficile à apprendre ou à exécuter. Bien qu'il ne faille qu'environ 160 heures de formation pour obtenir un certificat d'utilisation de cet appareil, les exigences obligatoires comprennent les principes du rayonnement et de la radiographie, la formation à la sécurité, l'interprétation et le traitement des films radiographiques, ainsi qu'une formation en cours d'emploi en tant qu'assistant radiographe.⁵ Grâce à sa facilité d'utilisation, à son faible coût d'exploitation et à sa capacité à être utilisé dans des endroits éloignés sans alimentation externe, de nombreux pays en développement continueront d'utiliser l'équipement gamma au lieu des systèmes de radiographie.

Le comité est conscient des travaux importants menés en France pour identifier les technologies de remplacement des caméras de gammagraphie. Un groupe de travail collaboratif en France, coordonné par la Confédération francaise pour les essais non destructifs et la Société française de radioprotection, a étudié l'amélioration des performances de sécurité de la radiographie industrielle et les alternatives possibles à l'utilisation de sources gamma. Lors de conférences organisées par l'AIEA (Martin, 2013) et d'autres,⁶ les intervenants ont reconnu que le remplacement de la gammagraphie par l'AUT ou d'autres alternatives n'est pas encore pour demain. Cela est dû aux contraintes techniques de la nouvelle technologie et au temps nécessaire pour effectuer des validations et élaborer des normes. Il est toutefois reconnu que ces nouvelles technologies continueront à être principalement complémentaires à la gammagraphie.

L'une des raisons pour lesquelles la radiographie industrielle devrait rester largement utilisée dans un avenir immédiat est qu'aucune alternative n'a été développée pour certaines applications, par exemple l'obtention d'une radiographie de profil d'un corps de vanne pour déterminer si la vanne est complètement fermée. Des équipements

___________________

⁵ Voir https://atslab.com/training/rt-certification.

⁶ Réunion ad hoc des États parties prenantes impliqués dans les alternatives technologiques aux sources radioactives de haute activité. Vienne, Autriche, 23–24 mai 2019.

et des techniques ultrasoniques avancés continueront d'être développés ; cependant, la plupart des utilisateurs ne sont toujours pas disposés à accepter ou à interpréter les résultats, et beaucoup d'utilisateurs veulent voir une image directe qui ne nécessite pas d'interprétation.⁷ Un niveau plus élevé d'équipement et un niveau plus élevé de qualifications techniques se traduisent par un coût plus élevé. Les utilisateurs ne sont pas disposés à payer des coûts plus élevés pour des technologies alternatives lorsque des méthodes de base éprouvées fonctionnent à moindre coût. Dans l'ensemble, la radiographie par radio-isotopes offre des coûts d'exploitation considérablement inférieurs pour obtenir de bons résultats d'inspection. En outre, certaines méthodes de CND peuvent ne pas être pertinentes en tant que méthode d'inspection valide. La plupart des ingénieurs CND évaluent les méthodes d'inspection en fonction de la détectabilité des défauts, du type de défaut dans le matériau concerné, de l'accessibilité et de la rentabilité de la méthode utilisée.

6.2 JAUGES INDUSTRIELLES

Les jauges industrielles radioactives fixes sont utilisées dans l'industrie depuis 70 ans pour mesurer l'épaisseur, la densité ou le niveau de remplissage d'un produit pendant sa fabrication ou son traitement sans entrer en contact avec le matériau lui-même. Les jauges d'épaisseur sont utilisées dans la transformation pour s'assurer que l'épaisseur d'un produit ou d'un matériau est la même partout, ou pour s'assurer que le revêtement d'un matériau est uniforme. Les jauges de densité sont utilisées dans la production de ciment, de pétrole et de routes pour s'assurer que la densité d'un matériau est constante. Les jauges de niveau de remplissage vérifient la quantité de matériau dans un récipient, fournissent un contrôle continu pendant la production et peuvent être trouvées dans de nombreuses industries, y compris les usines d'embouteillage.

Les jauges industrielles radioactives fixes sont installées de façon permanente à un endroit précis. En général, les objets examinés passent devant la jauge fixe contenant la source radioactive sur une bande transporteuse, un pipeline ou dans une cuve pour être inspectés. Un détecteur de rayonnement est placé sur le côté de l'objet opposé à la source. Lorsque la source radioactive est exposée, un rayonnement est émis par la jauge et une partie du rayonnement traverse le solide ou le liquide testé. Le reste du rayonnement est absorbé par l'objet. Tout rayonnement qui peut traverser complètement l'objet sera mesuré au niveau du détecteur et transformé en un signal électrique permettant l'analyse.

Les jauges à tuyau tournant évaluent les longueurs des tuyaux en acier usagés destinés à être réutilisés. Cela permet d'identifier la corrosion, l'érosion ou d'autres défauts du tuyau avant qu'il ne soit placé dans un système qui, en cas de défaillance d'un seul tuyau, pourrait causer des problèmes économiques, environnementaux et sanitaires dévastateurs.

Les instruments de mesure du débit mesurent la quantité de substance qui s'écoule dans une section transversale de tuyau par unité de temps. La quantité mesurée est restituée sous forme de masse ou de volume. Les applications typiques de débit mesurent les gaz, les vapeurs et les liquides réactifs ou visqueux dans les pipelines. Elles mesurent également les solides en vrac sur les bandes transporteuses dans de nombreuses industries, telles que l'exploitation minière, les matériaux de construction, la production d'énergie et l'industrie de la pâte et du papier.

Les jauges de haut fourneau sont utilisées dans la fabrication de l'acier, et les sources de cobalt 60 servent à mesurer l'usure du revêtement réfractaire en surveillant l'épaisseur du revêtement de ces récipients étanches. Ces jauges peuvent fournir des données sur les flux de gaz et de matériaux, informations utiles pour le contrôle de précision du haut fourneau.

Dans l'industrie minière, les minéraux tels que l'or, le cuivre et le zinc sont libérés de la boue minière à l'aide d'un autoclave de grand diamètre avec des parois de réservoir épaisses. La jauge est utilisée à l'intérieur de l'autoclave pour mesurer le niveau et le niveau d'alerte de la boue et fonctionne dans des conditions d'abrasion et de température et pression élevées.

Dans l'industrie du pétrole et du gaz, le processus d'élimination du coke du brut lourd se déroule à des températures extrêmes, pouvant atteindre 489 °C (930°F). Des jauges industrielles sont utilisées pour mesurer le niveau de coke dans le réservoir. D'autres techniques de mesure ont tendance à échouer ou sont extrêmement peu fiables.

L'industrie pétrochimique utilise des jauges de niveau dans divers processus pour séparer les produits dans de grands réservoirs aux parois épaisses. En général, les processus de séparation sont exposés à des matériaux hautement abrasifs ou corrosifs. L'utilisation d'une technique de mesure invasive à l'intérieur du réservoir n'est pas possible en raison de ces conditions.

Le dragage utilise une jauge pour mesurer la densité et le débit du matériau dragué et constitue une méthode bien établie dans l'industrie du dragage. Monté sur la paroi extérieure de la canalisation, le système de mesure de la densité fournit des lectures stables sous des vibrations extrêmes. Les systèmes de mesure de la densité dans les applications de dragage sont utilisés pour le contrôle continu des processus sur les pipelines. Pendant la mesure, les propriétés d'écoulement du matériau ne sont pas affectées par cette méthode sans contact.

Dans toutes ces applications, la jauge de densité ou de niveau est une technologie bien établie qui fournit

___________________

⁷ David Tebo, Team Inc., présentation au comité le 12 juin 2020.

des résultats précis et reproductibles, une mesure en temps réel pendant le fonctionnement et une grande stabilité de mesure. Elle n'a également aucun impact sur le matériau mesuré, car la mesure est sans contact, avec une installation simple à l'extérieur de la cuve.

6.2.1 Sources radioactives

Les principaux radionucléides utilisés dans les jauges industrielles fixes sont le césium-137 et le cobalt-60. Les activités vont de 0,05 Ci à 5 Ci (1,85-185 GBq) pour le césium-137 et de 0,25 Ci à 10 Ci (9,75-370 GBq) pour le cobalt-60 et sont classées dans les sources de catégorie 3 et de catégorie 4 selon le système de catégorisation de l'AIEA.

Les jauges ont une construction simple et robuste consistant en un boîtier en acier rempli de plomb, de tungstène ou d'acier comme blindage (voir la figure 6.5). Les sources radioactives utilisées dans l’appareil respectent les exigences de forme spéciales et les normes de rendement élevé de la norme ISO 2919 pour les sources de jaugeage. Les jauges fonctionnent en faisant tourner la source en position exposée pour prendre la mesure, puis en la ramenant en position blindée à la fin de la mesure. Ces dispositifs nécessitent peu d'entretien et fonctionnent de manière fiable pendant des années avec une assistance minimale.

Les jauges sont généralement utilisées dans des environnements difficiles tels que des températures et des pressions élevées, dans et autour de matériaux corrosifs et abrasifs, et sous des vibrations excessives. Les installations à tester sont généralement de grandes cuves à parois épaisses et souvent situées dans des endroits difficiles d'accès. Les sources de jaugeage sont montées de façon permanente à l'extérieur de la cuve et nécessitent une énergie élevée pour pénétrer les parois.

6.2.2 Technologies alternatives

Comme nous l'avons mentionné plus haut, les systèmes de mesure radiométrique, c'est-à-dire ceux qui utilisent des sources radioactives, sont généralement utilisés dans des conditions de traitement extrêmes, telles que des températures élevées, des pressions élevées et des environnements industriels corrosifs, car les mesures radiométriques ne nécessitent pas de contact avec le matériau à mesurer. Lorsque ces types de conditions ne sont pas présents, l'industrie préfère souvent utiliser des techniques alternatives non radio-isotopes. Ces techniques (voir la figure 6.6) utilisent le radar, le radar guidé, les ultrasons et la pression différentielle, et nécessitent un accès au matériau à l'intérieur du réservoir ou de la conduite.

___________________

⁸ La complétion de puits comprend les étapes de transformation d'un puits foré en un puits productif. Ces étapes comprennent le tubage, la cimentation, la perforation, le remplissage de gravier et l'installation d'un arbre de production, toutes ces opérations étant généralement effectuées après la diagraphie du puits.

de puits aux États-Unis. Presque tous sont des petites ou moyennes entreprises et fournissent environ 60 à 70 % des unités de diagraphie aux États-Unis. Toutefois, le nombre d'unités de diagraphie d'une société de diagraphie n'est pas équivalent au volume d'activités de diagraphie qu'elle fournit. Les grandes sociétés de diagraphie internationales intégrées ont un volume d'affaires mondial bien plus important que celui des 200 petites et moyennes sociétés de diagraphie réunies. Sur les quatre grandes sociétés internationales de diagraphie, deux (Halliburton et Baker-Hughes) sont d'origine américaine, et Schlumberger, une société d'origine française, a son siège aux États-Unis et en France. La quatrième, Weatherford, a été formée à partir d'un conglomérat de plusieurs sociétés basées au Royaume-Uni et aux États-Unis et s'est retirée du marché américain. On ne sait pas comment la concurrence va se dérouler dans les années ou les décennies à venir, étant donné les divers facteurs qui influent sur la demande de diagraphie des puits (voir la section 6.3.3). Les grandes sociétés de diagraphie disposent des ressources technologiques et financières nécessaires pour développer des alternatives à la diagraphie par radio-isotopes. Elles ont investi dans la recherche d'alternatives et certaines ont lancé des techniques alternatives à base de radio-isotopes, soit commerciales, soit expérimentales.

Un large éventail de techniques de diagraphie ont été développées et déployées, qui, aux fins du présent rapport, peuvent être classées en trois grandes catégories (voir tableau 6.3) :

1. Techniques non nucléaires qui n'incorporent pas de source de rayonnement ionisant (voir la brève discussion ci-dessous sur les aspects de certaines de ces techniques) ;
2. Techniques conventionnelles de radio-isotopes qui incorporent une source scellée de rayonnement ionisant (voir la section 6.3.1 pour une discussion détaillée) ; et
3. Techniques de sources neutroniques alternatives qui utilisent des accélérateurs au deutérium et/ou au tritium (voir la section 6.3.2 pour une discussion détaillée).

Les techniques non nucléaires comprennent les réseaux acoustiques, les capteurs électriques et électromagnétiques, les magnétomètres, les outils de résonance magnétique nucléaire et les capteurs de température, de pression et de dimensions. Ces techniques tendent à compléter les techniques basées sur les radio-isotopes, comme on le verra plus en détail à la section 6.3.3. Les aspects techniques de ces techniques non nucléaires comprennent les concepts suivants concernant ce qui est mesuré, la manière dont les mesures sont effectuées et les diagraphies enregistrées (voir l'encadré 6.1 sur l'importance des diagraphies dans l'exploration pétrolière).

L'auto-potentiel, également appelé potentiel spontané (P.S.), mesure la différence de tension entre les électrodes d'un outil de fond de puits. En ajoutant une source de courant électrique dans la sonde, la résistivité peut être

mesurée entre les électrodes ou les bobines d'émission et de réception. La composition matérielle des roches de la couche géologique inspectée affecte la résistivité mesurée. Un journal des mesures de résistivité (voir la figure 6.7) peut être utilisé pour estimer la porosité de la couche et la teneur en fluide des pores. Les bobines d'induction électromagnétique sont généralement utilisées pour mesurer la résistivité. Plus précisément, la bobine émettrice envoie le signal électromagnétique dans la formation géologique, et les signaux induits de la formation sont collectés par la bobine réceptrice pour mesurer la résistivité apparente. En outre, un outil de constante diélectrique est parfois utilisé pour aider à mesurer la teneur en eau et les types de roches dans la formation. La constante diélectrique mesure la capacité d'un matériau à stocker l'énergie électrique lorsqu'un champ électrique est appliqué.Dans ce cas particulier, l'outil utilise des fréquences micro-ondes comprises entre quelques mégahertz et 1,1 gigahertz.

La mesure directe de la pression de formation est utile pour étalonner d'autres mesures et pour comparer les résultats directement ou indirectement liés à la pression de formation. De tels étalonnages et comparaisons comprennent les sondes à thermistance mesurant la température du trou de forage, les pieds à coulisse mesurant les diamètres et les télémètres de fond de trou mesurant les formes.

La diagraphie sonique est réalisée en mesurant la vitesse des ondes acoustiques dans la formation entre une source et un récepteur dans la sonde. La vitesse des ondes acoustiques est un indicateur de la porosité et de la teneur en fluide pour un type de roche donné. Des informations plus sophistiquées peuvent être recueillies à partir de réseaux qui mesurent la vitesse des ondes de compression (P), de cisaillement (S), et même des ondes guidées (Stoneley).

Les diagraphies magnétiques sont réalisées en abaissant différents types de magnétomètres dans le trou de forage, le plus souvent dans le cadre de l'exploration minière, afin de déterminer les variations des propriétés magnétiques de la formation, telles que la susceptibilité et la rémanence (l'induction magnétique restant dans une substance après la suppression du champ magnétique externe appliqué). Selon l'application, les variations du champ magnétique total, de ses composantes vectorielles et/ou de ses gradients tensoriels sont enregistrées.

La porosité et la perméabilité des formations géologiques dépendent de la teneur en fluide et des espaces interstitiels contenant les fluides. En appliquant un champ magnétique puissant, les atomes d'hydrogène du fluide (généralement de l'eau et des hydrocarbures) vont aligner leurs moments magnétiques. Cette technique est appelée résonance magnétique nucléaire (RMN), qui est une méthode d'imagerie médicale bien connue (bien qu'en médecine, elle soit connue sous le nom d'imagerie par résonance magnétique [IRM]). Lorsque le champ magnétique diminue, les noyaux d'hydrogène se relaxent pour retrouver leur état d'origine et émettent des signaux

qui peuvent être détectés. Les signaux mesurés peuvent être utilisés pour mesurer l'emplacement, la concentration et la densité des atomes d'hydrogène et ainsi déduire la porosité et la perméabilité de la formation. Étant donné que l'intensité du champ magnétique diminue rapidement avec la distance et que les milieux géologiques tels que la boue sur les parois du trou de forage atténuent le champ magnétique, la RMN est utile pour mesurer la porosité et la teneur en eau des roches à proximité du puits de forage.

6.3.1 Technologies des radio-isotopes

Les deux technologies de radio-isotopes les plus couramment utilisées pour la diagraphie des puits de pétrole font appel à des sources de césium 137 et à des sources de neutrons d'américium 241-béryllium (AmBe), souvent regroupées dans le même outil de fond de puits. Ces deux technologies se caractérisent par des émissions de rayonnements stables qui, contrairement à de nombreuses technologies alternatives candidates, ne sont pas affectées par des conditions environnementales extrêmes en fond de puits, telles que des chocs et vibrations mécaniques intenses et continus, des températures élevées et des pressions élevées. Les deux types de sources contiennent des radio-isotopes maintenus dans des oxydes réfractaires solides ou des vitrocéramiques qui sont solidement scellés à l'aide de conteneurs métalliques à double ou triple paroi.

Les sources de radio-isotopes présentent des avantages qui conviennent bien aux applications de fond de puits dans des conditions extrêmes : petite taille, émission de rayonnement stable au cours d'un travail de diagraphie, fonctionnement simple, coût relativement faible, pas de besoins en énergie et rayonnement isotrope, ce qui est optimal pour une application de fond de puits. En outre, les sources de césium-137 ont une durée de vie relativement longue d'environ 15 ans. De plus, la plage d'activité de ces sources se situe généralement entre 1 et 3 Ci (37-111 GBq) et les quantités sont de catégorie 4 (CISA, 2019). Les inconvénients des sources scellées sont qu'elles ne peuvent pas être éteintes ou pulsées, que leurs énergies gamma ou neutroniques ne peuvent pas être modifiées et qu'elles représentent un risque potentiel pour la sécurité et la radioprotection en cas de perte, de vol ou de mauvaise utilisation (CISA, 2019).

Le rapport 2008 des National Academies a noté que, bien qu'une source radioactive de césium-137 de catégorie 3 puisse potentiellement être remplacée par une machine à rayons X alternative telle qu'un linac, il existait des obstacles importants au développement d'un outil pratique (NRC, 2008). Ces problèmes comprenaient la taille de la machine, son large spectre énergétique, sa stabilité et son rayonnement anisotrope. Compte tenu de ces problèmes, peu de travaux de développement ont été effectués depuis 1987. Le comité de 2008 a jugé que le remplacement de ces sources n'était pas une priorité, et il semble qu'il n'y ait pas eu d'avancée matérielle dans les technologies de diagraphie du césium-137 depuis cette date.

Les sources de neutrons AmBe sont un mélange d'oxyde ²⁴¹AmO₂ et de poudres métalliques ⁹Be. Celles-ci sont étroitement comprimées sous une forme cylindrique pour maximiser la probabilité d'une réaction des particules alpha avec le béryllium et sont généralement encapsulées dans un conteneur en acier inoxydable soudé ou à triple paroi (voir la figure 6.8).

___________________

⁹ Une technologie à double usage a des applications dans des produits commerciaux et dans des systèmes d'armes. Un générateur de neutrons D-T est une technologie à double usage, et ces générateurs sont soumis à des réglementations d'exportation.

l'adoption de technologies alternatives basées sur les accélérateurs a été progressive et dépendait essentiellement de la validation de la technique par rapport aux données existantes. Cela représente une opportunité qui pourrait être traitée par des actions collectives d'associations industrielles et éventuellement d'agences gouvernementales.

Le rapport 2008 des National Academies a noté que les sources AmBe utilisées dans les journaux d'analyse élémentaire pourraient être remplacées par des accélérateurs D-T commutables (NRC, 2008). Notamment, les accélérateurs T-T ne sont pas aussi utiles que les accélérateurs D-T en raison du rendement neutronique environ 100 fois plus faible et parce que le tritium (un radionucléide) est utilisé à la fois pour les noyaux accélérateurs et les noyaux cibles. De plus, alors que le remplacement de l'outil de porosité AmBe serait plus difficile, l'un des principaux fournisseurs de services avait commercialisé en 2008 deux outils accélérateurs D-T, l'un pour la diagraphie de porosité nucléaire et l'autre pour la diagraphie filaire LWD. En conséquence, le rapport recommandait qu'un groupe de travail de l'industrie soit chargé de résoudre les obstacles techniques à la mise en œuvre des remplacements par accélérateur des sources de diagraphie AmBe (NRC, 2008). Le Nuclear Special Interest Group de la Society of Petrophysicists and Well Log Analysts a fait des progrès considérables dans la mise en œuvre de cette recommandation, et aujourd'hui, la plupart des grands prestataires de services et certains petits et moyens prestataires proposent dans leur gamme de produits des sources à accélérateur pulsé pour la diagraphie à neutrons. Les participants à l'atelier 2019 du DOE (DOE, 2019) ont discuté de ce qui suit :

• Il y a eu quelques développements récents notables : (1) un dispositif à rayons X de faible énergie (> 300 keV) et (2) générateurs de neutrons autres que les accélérateurs D-T (Badruzzaman et al., 2019 ; Bondarenko et Kulyk, 2017 ; Jurczyk, 2018 ; Simon et al., 2018).
• Pour la porosité neutronique basée sur le générateur D-T, bien qu'une société ait commercialisé des outils permettant à la fois la diagraphie filaire et la diagraphie en cours de forage, d'autres sociétés n'ont pas mis ces outils sur le marché en raison de facteurs économiques. En outre, l'outil LWD s'est révélé performant, mais l'outil filaire a connu un rendement médiocre en raison des conditions environnementales du trou de forage.
• Bien que le développement récent de l’outil de mesure de la densité des rayons X se fonde sur des essais sur le terrain prometteurs de la R&D des années 1980 sur l’outil de mesure de la densité par rayons X du linac 3,5 MeV (King, 1987), le nouvel outil est plus petit, plus simple et prometteur dans les essais sur le terrain. Mais il reste encore des défis à relever en ce qui concerne l’application aux conditions environnementales plus extrêmes de LWD.

En outre, une technique de densité, connue sous le nom de densité inélastique neutron-gamma (INGD), utilise les rayons gamma produits lors de la diffusion inélastique de neutrons à haute énergie. L'INGD a été signalée pour la première fois au milieu des années 1990 pour des applications en puits tubé ; elle a été intégrée à un outil LWD basé sur un générateur D-T en 2000 (Evans et al., 2000) et commercialisée en 2012 (Reichel et al., 2012). Cependant, en raison de la physique mixte neutron-photon, la technique INGD n'est pas aussi précise que la densité gamma-gamma, mais elle peut être utilisée dans des circonstances particulières. De plus, pour une mesure alternative de la densité basée sur la physique des photons, l'utilisation de rayons X bremsstrahlung fournirait un analogue beaucoup plus proche des rayons gamma à base de césium 137. Le mécanisme physique fondamental des rayons X et des rayons gamma est la diffusion Compton. Ainsi, un mécanisme basé sur un générateur de rayons X pourrait potentiellement remplacer la méthode basée sur le césium-137. En revanche, la méthode neutron-gamma offre « une pseudo-densité », utile uniquement lorsque la densité gamma-gamma « est indisponible ou impossible à obtenir » et selon les circonstances détaillées par Badruzzaman et al. (2014).

Une autre technique basée sur un accélérateur est l'accélérateur de particules alpha à foyer de plasma dense (DPF). En utilisant la réaction (alpha-Be), l'accélérateur DPF peut générer un spectre de neutrons qui se rapproche très étroitement du spectre d'une source AmBe. Il a donc été démontré que cette technique reproduit presque exactement la réaction de porosité des neutrons. Cependant, l'accélérateur DPF (alpha-Be) nécessitera une R&D à long terme avant d'être incorporé dans un outil de diagraphie commercial (Badruzzaman et al., 2019).

L'industrie pétrolière est une entreprise particulièrement cyclique. À l'heure actuelle, avec les faibles prix du pétrole et du gaz, les entreprises de diagraphie de puits connaissent des difficultés extrêmes et durables en matière de revenus et d'utilisation des équipements. L'utilisation des infrastructures de diagraphie est en baisse de 50 à 60 % et la pression sur les prix entraîne des remises importantes et une diminution concomitante des revenus. Les licenciements de 50 à 60 % du personnel, dus à la COVID-19 et à la baisse des prix du pétrole, ont eu de graves répercussions, et les faillites sont omniprésentes dans l'industrie en ce moment. Par conséquent, les principaux fournisseurs de services réévaluent les besoins du marché. Dans l'environnement de marché actuel, de nombreuses entreprises ne peuvent pas se permettre d'acheter de gros capitaux ou de changer de technologie.¹⁰ En raison de la réduction de l'utilisation,

___________________

¹⁰ Kenny Jordan, Association of Energy Service Companies, présentation au comité le 13 octobre 2020.

de nombreuses sources de neutrons de césium-137 et d'AmBe peuvent être « bloquées » dans les petites et grandes entreprises d'exploitation de puits qui n'ont aucune raison de passer à une autre technologie, car ces sources constituent une immobilisation importante qui pourrait être coûteuse à remplacer. En outre, pour une société de diagraphie en difficulté financière, les coûts nécessaires pour éliminer en toute sécurité une source inutilisée peuvent être prohibitifs. Ces sources inutilisées représentent donc un risque important pour la sécurité, surtout si la réduction des budgets globaux des entreprises a entraîné une diminution des dépenses et de l'importance accordée à la sécurité du stockage des sources.

La demande future de diagraphie des puits pour l'exploration et la production pétrolières et d'autres applications est incertaine. La plupart des nations reconnaissent désormais l'importance de prendre des mesures pour réduire immédiatement et fortement les émissions de gaz à effet de serre (GES) afin de ralentir et même d'inverser les effets du changement climatique. Ces mesures auront des effets considérables sur la production et la distribution d'énergie. Par exemple, les efforts mondiaux visant à limiter les émissions de GES ont déjà entraîné une diminution de la demande de charbon¹¹ pour la production d'électricité, avec une augmentation concomitante du déploiement des technologies d'énergie renouvelable, notamment l'énergie solaire, éolienne et géothermique.

Il est presque certain que l'industrie pétrolière mondiale sera considérablement affectée par les mesures internationales prises pour réduire les émissions de GES. Certains de ces changements sont déjà en cours (Krauss, 2020). L'un des changements les plus probables sera une réduction de la demande de carburants liquides pour le transport, à mesure que les parcs automobiles et de camions s'électrifient.¹² La diminution de la demande entraîne une baisse du prix du pétrole, ce qui entraîne une diminution des dépenses d'exploration, qui à son tour devrait entraîner une diminution des dépenses pour les services de diagraphie des puits.

Deux points sont pertinents pour cette étude dans ce scénario de prix bas. Premièrement, la diminution des dépenses en services de diagraphie signifierait que de nombreuses sources conventionnelles de césium-137 et d'AmBe deviendraient excédentaires et seraient soit stockées par l'entrepreneur de diagraphie, soit éliminées, soit éventuellement abandonnées. En fonction du coût et de la disponibilité d'une filière d'élimination sûre, cela pourrait entraîner soit une augmentation, soit une diminution du risque pour la sécurité.

Deuxièmement, une conséquence possible de la diminution des dépenses pour les services de diagraphie serait une réduction des efforts de R&D pour construire des sources alternatives de diagraphie. Comme indiqué ci-dessus, seuls quelques-uns des principaux fournisseurs de services ont la capacité de R&D nécessaire pour développer des alternatives aux sources radioactives. Sans un marché futur important, ces entreprises n'auraient pas d'incitation financière à réaliser de tels investissements.

Même si la demande globale de pétrole et de gaz est susceptible de diminuer au cours des prochaines décennies, il y aura toujours un besoin de combustibles pétroliers dans des applications clés, comme les carburants liquides pour l'aviation et le gaz naturel comme combustible de transition pour la production d'électricité. L'exploration de ces ressources continuera à nécessiter des services de diagraphie précis et fiables, utilisant des sources conventionnelles ou alternatives.

Les domaines où l'on peut s'attendre à une croissance du marché de la diagraphie comprennent l'exploration et la production de minéraux, l'exploration des eaux souterraines et l'exploration géothermique. Par exemple, on estime que la demande de cuivre sera multipliée par un facteur de 4 à 5 entre 2015 et 2100, sous l'effet de la croissance démographique et des systèmes d'énergie renouvelable (Schipper et al., 2018). Mais le secteur de marché le plus important pour la croissance future des services de diagraphie de puits sera peut-être celui du captage et du stockage du carbone en subsurface, où bon nombre des méthodes utilisées dans l'exploration et la production conventionnelles de pétrole et de gaz seront utilisées pour sélectionner, vérifier et surveiller les réservoirs de stockage du dioxyde de carbone (NETL, 2017a,b, n.d.).

6.4 SYSTÈMES D'ÉTALONNAGE

Les systèmes d'étalonnage produisent des champs de rayonnement d'énergie et d'intensité connues pour l'étalonnage des équipements de surveillance des rayonnements, des dosimètres pour garantir leur fonctionnement précis, et des appareils industriels et de téléthérapie qui utilisent du cobalt 60. Les systèmes d'étalonnage utilisent des sources radioactives de haute activité (environ 400-2 200 Ci [15-82 TBq]). Il s'agit de sources de catégorie 2 selon le système de catégorisation de l'AIEA. Les installations d'étalonnage utilisent des sources de césium-137 et de cobalt-60. L'irradiateur de référence utilisé pour les étalonnages au cobalt 60 était le Gammacell 220 produit par Nordion, qui a été abandonné en 2008,¹³ mais un grand nombre de ces irradiateurs se trouvent encore dans

___________________

¹¹ Dans de nombreux cas, les centrales électriques au charbon ont été remplacées par des centrales au gaz naturel. Le passage du charbon au gaz a permis d'économiser environ 500 millions de tonnes de dioxyde de carbone depuis 2010 (AIE, 2019).

¹² Par exemple, General Motors a récemment annoncé qu'elle introduirait 30 nouveaux véhicules électriques dans le monde d'ici 2025 et qu'elle éliminerait progressivement les véhicules à essence et à moteur diesel d'ici 2035. De même, les véhicules électriques représentent désormais 54 % des parts de marché en Norvège (Klesty, 2021), dépassant ceux à moteur à essence, diesel et hybride (qui seront complètement éliminés d'ici 2025).

¹³ Voir https://www.nordion.com/products/irradiation-systems.

des installations dans le monde entier (AIEA, 2019c) ; Hopewell Designs a créé un irradiateur de remplacement (Rushton et al., 2016). Le reste de cette section porte entièrement sur les systèmes d'étalonnage au césium 137 en raison du risque de sécurité posé par le chlorure de césium en poudre, qui est très dispersible par rapport aux sources solides et métalliques de cobalt 60.

Les sources d'étalonnage radioactives produisent des débits de dose mesurés avec précision et traçables selon des normes acceptées. Aux États-Unis, le National Institute of Standards and Technology (NIST) fait office de laboratoire primaire de dosimétrie des rayonnements et, à ce titre, il maintient les étalons de mesure nationaux et étalonne les instruments des laboratoires secondaires. Un réseau d’installations secondaires et tertiaires garantit que chaque instrument de détection du rayonnement mesure avec précision et est traçable selon la norme du NIST. Au niveau international, la métrologie démontre l'équivalence des mesures dans différents pays et facilite l'exactitude des mesures commerciales. Indépendamment de la source de rayonnement pour les applications médicales et autres, l'étalon et les étalonneurs sont toujours nécessaires.

L'étalonnage est nécessaire pour de multiples applications de sources radioactives. Pour donner une idée de l'ampleur de l'étalonnage nécessaire aux États-Unis, il existe plus de 19 000 licences spécifiques aux radionucléides. Il s'agit notamment d'hôpitaux et d'installations de traitement du cancer, de cliniques de médecine nucléaire, d'installations de recherche, d'universités, d'installations de formation et d'installations industrielles, y compris des sociétés d'exploration pétrolière. Les instruments sont utilisés pour garantir le respect de la réglementation en matière de sécurité et de santé associée à la licence. Les autres utilisateurs sont les organismes du gouvernement fédéral, à savoir l’Agence de protection de l’environnement et le DOE, qui comprend les Laboratoires nationaux, le Programme d’aide radiologique, le Centre fédéral de surveillance et d’évaluation radiologiques, le Centre d’aide aux urgences radiologiques/Site de formation, l’Équipe de recherche en cas d’urgence nucléaire et le Groupe d’intervention en cas d’accident, ainsi que les entités étatiques et locales. Tous ces organismes et programmes s'appuient sur des instruments étalonnés, d'où l'importance de veiller à ce que les États-Unis conservent une capacité nationale à étalonner correctement les instruments de mesure des rayonnements. Ces instruments doivent être étalonnés périodiquement pour garantir qu'ils fournissent des informations exactes à la grande variété de parties prenantes qui les utilisent.

6.4.1 Technologies des radio-isotopes

Le césium-137 a été choisi il y a plus de 50 ans comme base de l'étalonnage national et international en raison de son spectre d'énergie unique optimal (661,7 keV), de sa longue demi-vie et de ses exigences de blindage modérées par rapport aux autres radionucléides. En outre, le césium-137 fournit une énergie photonique au milieu de la région couvrant les tubes à rayons X, le cobalt-60 et les accélérateurs linéaires, et couvre donc des énergies allant de 10 keV à 10 MeV. Au NIST, un étalonneur de césium-137 est utilisé pour déterminer l'étalon de dose de rayonnement dans l'air, ou kerma de l'air. La source de césium-137 utilisée se présente sous la forme de chlorure de césium. En raison de sa facilité de dispersion, le chlorure de césium pose des problèmes de sécurité.

Des millions de détecteurs de rayonnement étalonnés chaque année avec du césium 137 sont utilisés aux États-Unis et dans le monde entier, notamment aux points d'entrée pour mesurer la radioactivité des cargaisons, dans les centrales nucléaires pour surveiller les environs, dans les établissements médicaux pour assurer la sécurité des patients et du personnel médical, et partout où il y a émission ou suspicion d'émission de rayonnement.

Les étalons de césium-137 (voir la figure 6.9) ont une reproductibilité exceptionnelle (environ 0,1 pour cent sur des périodes de plusieurs mois à plusieurs années) et permettent d'effectuer les mesures de faible incertitude requises pour la normalisation au NIST et, par la suite, pour le transfert des étalons aux installations d'étalonnage et aux utilisateurs finaux.

Un expert qui a informé le comité a noté que des connaissances et des procédures importantes sont construites sur l'hypothèse de la disponibilité des champs de rayonnement du césium-137.¹⁴ De nombreux règlements, recommandations et normes documentaires nationaux et internationaux, y compris ceux émis par l'American National Standards Institute, le National Council on Radiation Protection and Measurements, l'Organisation internationale de normalisation et l'AIEA, reposent sur les étalons de césium 137. De plus, les installations d’étalonnage utilisant des étalonneurs au césium 137 doivent démontrer qu’elles sont capables de transférer la norme nationale afin d’être certifiées par des programmes d’accréditation et d’autres programmes de réglementation.

On estime que le nombre actuel d'irradiateurs au césium-137 utilisés pour les applications métrologiques par rayonnement ionisant ne constitue que 1 à 2 % du nombre total d'irradiateurs au césium-137 utilisés aux États-Unis (CIRMS, 2019).

___________________

¹⁴ Malcolm McEwen, Conseil national de recherches du Canada, présentation au comité le 28 janvier 2021.

rayons X puisse être pris en compte dans le développement de nouvelles normes d'étalonnage. Cependant, pour atteindre la précision des normes actuelles, la tension et le courant de la source d'accélération devraient être réglés avec une extrême précision. De plus, la cible de bremsstrahlung devrait être usinée avec précision, et le faisceau d'électrons devrait être dirigé avec précision sur cette cible. Ces exigences font que la correspondance avec les paramètres naturels de ces radio-isotopes est pratiquement irréalisable à l'heure actuelle.

Le remplacement du chlorure de césium radioactif par d'autres formes bien établies et moins dispersibles de césium-137, telles que les sources vitrifiées et la pollucite, qui sont utilisées pour les sources de jaugeage et de diagraphie du césium-137 depuis les années 1980, pourrait être acceptable pour les applications d'étalonnage car le spectre du césium-137 serait maintenu. La taille de la source devrait augmenter pour s'adapter à l'activité spécifique plus faible des formulations en verre. Comme indiqué à la section 1.3, de telles formes moins solubles et moins dispersibles de césium-137 ont été développées en Inde et sont utilisées dans des irradiateurs de sang. Après avoir essayé différentes méthodes, des chercheurs du Bhabha Atomic Research Center (BARC) ont mis au point en 2015 la technique consistant à verser de manière contrôlée et précise du césium-137 vitrifié dans des crayons en acier inoxydable qui sont ensuite chargés dans des irradiateurs sanguins. À la connaissance de la commission, il n'existe pas de telles recherches en cours sur l'adéquation d'autres formes de césium pour des applications d'étalonnage.

Depuis 2015, la société française ATRON Metrology s'est associée au laboratoire national de métrologie français pour développer une méthode alternative d'étalonnage des radiamètres. Cette méthode utilise un accélérateur électrostatique qui dirige un faisceau d'électrons sur une cible en tantale pour produire des rayons X. L'accélérateur est réglé pour produire des rayons X dans le domaine d'énergie situé entre les énergies gamma du césium-137 et du cobalt-60 (Bordy et al., 2019). Bien qu'ATRON annonce que cette méthode est réaliste du type de spectre rencontré dans les centrales nucléaires, ce n'est pas le type provenant de sources de rayonnement discrètes. De plus, la dérive du dispositif est de 0,3 pour cent sur 11 mois, et l'incertitude dans l'étalonnage des radiamètres est inférieure à 7 pour cent, qui sont tous deux considérablement plus importants que la précision des étalonneurs de césium-137. En outre, la durée de vie du tube est indiquée à environ 4 000 heures, une durée de vie nettement plus courte que celle d'un étalonneur au césium-137, ce qui pourrait entraîner des coûts de maintenance plus élevés pour la technologie ATRON en comparaison. En outre, l'étalonnage est toujours référencé par rapport à l'installation métrologique nationale française, qui utilise toujours le césium-137 (Chapon et al., 2016).

6.4.3 Considérations relatives à l'adoption de technologies alternatives

Le NIST est d’avis que l’élimination du chlorure de césium des instruments d’étalonnage pourrait être préjudiciable aux capacités d'intervention d'urgence de la nation. Cependant, les États-Unis et d'autres gouvernements ont envisagé des changements de politique pour éliminer le chlorure de césium de l'utilisation dans les sources radioactives, et cette politique pourrait être réexaminée dans un avenir proche. Le comité a constaté que le NIST ne prend pas de mesures pour se préparer à un éventuel changement de politique en explorant des technologies alternatives et en effectuant des tests d'équivalence pour s'assurer qu'il n'y a pas d'impact négatif sur les capacités actuelles d'étalonnage et d'essai.

Si un substitut aux calibrateurs au césium 137 devenait disponible à l'avenir et pouvait répondre à toutes les exigences métrologiques, alors toutes les normes documentaires publiées à ce jour, ainsi que les règlements des différents organismes de réglementation (comme la NRC des États-Unis) et les organismes d’accréditation aux niveaux national et international, devraient être réaménagés de manière à ce que la sécurité et la sûreté des travailleurs soumis aux rayonnements et celles du public ne soient pas affectées. Jusqu'à ce que des irradiateurs au césium basés sur une nouvelle forme de césium (autre que le chlorure de césium) ou un autre type de source soient disponibles, les installations d'étalonnage devront s'appuyer sur les irradiateurs au césium-137 existants. En l'absence d'un substitut approprié, l'élimination des sources de césium-137 de catégorie 2 de faible à moyenne portée dans les installations d'étalonnage aurait un effet négatif sur l'infrastructure d'étalonnage aux États-Unis et dans le monde, ce qui affecterait directement la sûreté et la sécurité du public.¹⁵

6.5 GÉNÉRATEURS THERMOÉLECTRIQUES À RADIO-ISOTOPES

Les GTR sont un type de batterie nucléaire qui utilise des thermocouples pour convertir en électricité la chaleur dégagée par la désintégration du radio-isotope. Les GTR sont de conception assez simple et ne comportent aucune pièce mobile. Ils ont été utilisés comme sources d'énergie dans des situations où les systèmes qui les utilisent

___________________

¹⁵ Lettre de Ronaldo Minniti et Michael Mitch, NIST, à Charles Ferguson, National Academies, le 21 mai 2020 ; Malcolm McEwen, Conseil national de recherches du Canada, présentation au comité le 28 janvier 2021.

ne sont pas facilement accessibles, doivent rester opérationnels sans intervention humaine pendant de longues périodes et sont incapables de générer efficacement de l'énergie solaire. Dans ces circonstances, les GTR ont été utilisés comme sources d'énergie dans des satellites, des sondes spatiales et des structures éloignées sans équipage, comme les phares construits par l'ancienne Union soviétique à l'intérieur du cercle polaire, les stations russes en Antarctique et les sites de surveillance arctique commandés par les États-Unis.

6.5.1 Technologies des radio-isotopes

Les radio-isotopes utilisés dans les GTR doivent répondre à trois critères principaux : avoir une demi-vie relativement longue afin de pouvoir produire des niveaux d'énergie soutenus ; avoir une densité de puissance élevée (puissance par unité de masse du radio-isotope) et émettre des rayonnements qui peuvent être protégés. Le plutonium-238¹⁶ et le strontium-90 sont les radio-isotopes les plus couramment utilisés pour le combustible des GTR. Ces deux radioisotopes ont une longue demi-vie, respectivement de 87,7 ans et de 28,8 ans. Les densités de puissance des deux radioisotopes sont également relativement importantes, avec 0,57 W/g pour le plutonium-238 et 0,46 W/g pour le strontium-90. Une différence importante entre les deux radio-isotopes concerne le rayonnement produit : alpha pour le plutonium-238 et bêta pour le strontium-90. En raison de sa capacité de pénétration limitée, le rayonnement alpha émis par le plutonium-238 donne à ce radioisotope un avantage sur le rayonnement bêta plus pénétrant du strontium-90, car il minimise le blindage nécessaire.

Le plutonium-238 a été le radio-isotope préféré pour les GTR destinés aux missions spatiales, car il nécessite moins de blindage et est donc plus léger. La demi-vie plus longue du plutonium-238 est également un avantage pour les missions spatiales car le ravitaillement en carburant n'est pas possible. Depuis les années 1960, les GTR à base de plutonium-238 ont alimenté plus de deux douzaines de missions spatiales américaines. Plus récemment, le MultiMission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG) a été la source d'énergie du rover Perseverance, qui a atterri sur Mars le 18 février 2021. Il contient environ 4,2 kg de plutonium-238 (NASA, 2020), soit environ 73 000 Ci (2,7 PBq) d'activité initiale, ce qui en fait une source de catégorie 1. Le MMRTG fournit une puissance électrique d'environ 110 W lorsqu'il est fraîchement alimenté. Deux jours seulement avant l'atterrissage, les chercheurs de l'Idaho National Laboratory ont annoncé qu'ils travaillaient sur le système d'alimentation de prochaine génération, conçu pour être trois fois plus efficace que le système d'alimentation de Perseverance en utilisant une conversion d'énergie dynamique avec un cycle thermique Stirling ou Brayton (ANS, 2021).

La plus grande limite du plutonium-238 est la difficulté de le fabriquer en quantité suffisante. Après l'arrêt, en 1988, du dernier réacteur national de production de plutonium sur le site de Savannah River (Smith et al., 2019), les stocks de ce combustible devaient être épuisés en 2018. En 2015, le DOE a fait face à la pénurie à venir en rétablissant la production de plutonium-238 au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) pour les futures missions de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) (Walli, 2015). En février 2021, le réacteur isotopique à haut flux de l'ORNL a produit près de 1 kg de plutonium-238, et il a la capacité de produire jusqu'à 700 g par an. Pour aider à atteindre l'objectif de la NASA, à savoir 1,5 kg par an d'ici 2026, le DOE a annoncé le 16 février 2021 que l'Idaho National Laboratory (INL) allait accélérer l'utilisation de son réacteur d'essai avancé (ATR) pour produire du plutonium-238 ; les deux premières campagnes d'irradiation dans l'ATR devraient produire 30 g au printemps 2021 (DOE, 2021).

Pour les applications au sol, l'utilisation des GTR a également commencé dans les années 1960. Dans l'ancienne Union soviétique, plus de 1 000 GTR alimentés par du strontium-90 de catégorie 1 à haute activité ont été déployés. Le plus grand GTR était l'IEU-1 avec une activité initiale de 465 000 Ci (17,2 PBq), et le plus petit GTR, désigné Beta-M/S, avait une activité initiale de 35 700 Ci (1,32 PBq) (Porter, 2015). Au début des années 2000, presque tous les GTR de fabrication soviétique et russe avaient dépassé leur durée de vie initiale. Avec la coordination de l'AIEA, plusieurs pays ont fourni une assistance financière et technique qui a aidé la Russie à éliminer l'utilisation de la quasi-totalité de ses GTR. Par exemple, la Norvège a consacré 20 millions d'euros (environ 24 millions de dollars) pour aider la Russie à retirer et à sécuriser 180 GTR dans les zones côtières du nord-ouest de la Russie, le long des mers de Barents, Blanche et de Kara. La Norvège a également fourni des installations solaires comme sources d'énergie alternatives pour remplacer les GTR qui alimentaient les phares (Digges, 2015). À la fin de l'année 2019, près de 1 000 GTR qui avaient été déployés dans le nord de la Russie et 4 qui avaient été déployés en Antarctique avaient été mis hors service et démontés, les sources de strontium 90 étant stockées à l'Association de production Mayak, située dans l'Oblast de Tcheliabinsk en Russie. Il ne reste que 12 GTR à Kamtchatka, mais il est également prévu de les retirer dans un avenir proche (NASEM, 2020).

___________________

¹⁶ Contrairement au plutonium 239, le plutonium 238 n'est pas fissile et ne peut donc pas être utilisé dans les centrales nucléaires ou les armes nucléaires.

___________________

¹⁷ Tyler Bernstein, Zeno Power Systems, lettre adressée à Ourania Kosti, National Academies, le 31 janvier 2021.

supplémentaire autour du combustible. Le DOE est responsable de la production et de la livraison des GTR à la NASA et effectue une analyse de sécurité avant chaque mission (NASA, 2005).

En 2009, en raison des inquiétudes concernant la fiabilité des approvisionnements en plutonium 238, l'Agence spatiale européenne a décidé d'étudier d'autres radio-isotopes pour alimenter ses GTR spatiaux. L'agence a choisi l'américium-241 parce qu'il était économiquement abordable à haute pureté isotopique et facilement disponible à partir du retraitement européen du combustible nucléaire usé commercial, bien que sa densité de puissance soit environ un cinquième de celle du plutonium-238. En 2013, un consortium technique européen a annoncé qu'un prototype de GTR alimenté en américium-241 avait été testé et que le National Nuclear Laboratory du Royaume-Uni avait produit l'américium-241 (Ambrosi et al., 2013). En 2019, le consortium européen a prévu qu'au cours de la seconde moitié des années 2020, son programme GTR serait prêt à fournir un système d'alimentation pour les missions spatiales (Ambrosi et al., 2019).

6.6 CHAPITRE 6 CONSTATATIONS ET RECOMMANDATIONS

Constatation 14 : Peu de progrès ont été réalisés au niveau national en ce qui concerne l'adoption de technologies alternatives pour d'autres applications commerciales, en particulier pour certaines applications d'essais non destructifs et de diagraphie des puits. Cela s’explique par le fait qu’il n’existe actuellement aucune solution alternative viable ou rentable, que les solutions alternatives compromettent ou n’améliorent pas le rendement, ou qu’elles produisent des données sur les matériaux et les structures qui ne sont pas directement comparables à celles produites par les sources radioactives.

Les CND impliquent souvent des inspections de matériaux dans des lieux extérieurs éloignés où les conditions environnementales et industrielles peuvent être difficiles. Pour décider de la méthode de CND à utiliser, les techniciens CND tiennent compte de la capacité de détection des défauts, des types de défauts dans le matériau concerné, de l'accessibilité du matériau inspecté et de la rentabilité de la méthode. Bien que les méthodes à rayons X puissent fournir des résultats radiographiques similaires à ceux des radionucléides émetteurs de rayons gamma, les systèmes à rayons X nécessitent des systèmes électriques et de refroidissement fiables et ont tendance à être plus grands et moins robustes que les caméras de gammagraphie. Toutefois, les progrès réalisés dans la conception des systèmes à rayons X ont permis de mettre au point des sources pulsées de rayons X qui fonctionnent sur batterie et dont la taille est proche de celle d'une caméra de gammagraphie. Cependant, le remplacement fréquent et coûteux des tubes à rayons X et l'incapacité fréquente de fonctionner font que la gammagraphie reste l'option la plus fiable et la plus privilégiée. Les micro-linacs ont été explorés mais sont plus coûteux que les caméras de radiographie. Les scans ultrasoniques nécessitent un examen et une interprétation habiles par des techniciens formés et certifiés. Alors que les méthodes de radiographie aux radio-isotopes et aux rayons X peuvent détecter un large spectre de défauts, les différences de physique entre les techniques radiographiques et ultrasoniques rendent chaque méthode sensible à un type de défaut particulier - la radiographie est adaptée à la détection de défauts volumétriques tels que les scories et la porosité, tandis que les ultrasons sont plus adaptés à la détection de défauts planaires tels que les fissures et l'absence de fusion.

Pour la diagraphie des puits, les technologies de remplacement des sources radioactives sont confrontées à plusieurs défis techniques, logistiques et financiers. Bien qu'une source de césium 137 puisse potentiellement être remplacée par une source alternative de rayons X telle qu'un linac, les obstacles importants comprennent la taille de la source de rayons X, son large spectre d'énergie, la stabilité de la source et le rayonnement anisotrope. Peu de travaux de développement ont été réalisés depuis 1987. Pour le remplacement des sources de neutrons AmBe, les outils alternatifs (basés sur des accélérateurs) sont considérés comme moins précis que la source AmBe dans la détermination de la porosité. En raison des différences dans la physique, le remplacement des méthodes actuelles pourrait créer des problèmes d'interprétation, notamment une modification de la sensibilité à la porosité et à la lithologie. En outre, certaines sources de neutrons basées sur des accélérateurs intègrent des technologies à double usage, sensibles sur le plan de la sécurité, qui peuvent potentiellement entraver leur utilisation, notamment dans les régions politiquement sensibles.

Recommandation H : La National Nuclear Security Administration devrait s'engager avec d'autres bureaux du Département de l'énergie, la National Science Foundation et les sociétés professionnelles à soutenir des études d'équivalence pour les fournisseurs de services de diagraphie et de radiographie industrielle qui envisagent de remplacer leurs sources radioactives et d'adopter une technologie alternative. Les résultats de ces études devraient être largement diffusés.

L'adoption des outils de diagraphie en sondages ouverts basés sur un accélérateur a été lente pour trois raisons principales. Premièrement, les solutions alternatives proposées n'ont généralement pas reproduit exactement ce que

les outils radioactifs offrent. Deuxièmement, il n'y a pas actuellement de motivation commerciale forte pour effectuer la transition, même pour les grandes sociétés de diagraphie, bien que ces dernières aient les moyens technologiques et financiers et aient effectué des recherches sur les alternatives. Troisièmement, les petites et moyennes entreprises de diagraphie n'auraient pas la capacité technologique ou le financement pour développer, tester et déployer la technologie de l'accélérateur. Par conséquent, même si la technologie correspondait parfaitement aux caractéristiques de réponse, les petites et moyennes entreprises de diagraphie ne seraient pas en mesure d'effectuer une transition rapide. Si on les pousse à faire la transition, la plupart d'entre elles affirment qu'elles feraient probablement faillite.

Il existe une opportunité qui pourrait potentiellement être abordée par des actions collectives d'associations industrielles avec le partenariat et le soutien des agences gouvernementales.

En ce qui concerne le développement et l'adoption de technologies alternatives à la gammagraphie, les experts qui ont présenté des exposés lors des conférences de l'AIEA en 2013 et 2019 ont reconnu que le remplacement par des contrôles par ultrasons ne se fera pas avant plusieurs années. Ils ont souligné les contraintes techniques de la technologie alternative et ont attiré l'attention sur la nécessité de mener des validations et d'élaborer des normes. Même avec ces validations, le contrôle par ultrasons continuera probablement à compléter la gammagraphie. Néanmoins, les études d'équivalence pourraient contribuer à ouvrir la voie à un examen plus approfondi et à l'adoption de solutions alternatives. Il serait également utile de mettre au point des techniques permettant de montrer des images ultrasonores comparables à ce que les utilisateurs ont l'habitude de voir avec les radiographies et qui ne nécessiteraient pas d'interprétation comme c'est le cas avec les techniques ultrasonores actuelles.

Constatation 15 : Aucun progrès n'a été réalisé au niveau national et international en ce qui concerne l'adoption de technologies alternatives pour les systèmes d'étalonnage afin de remplacer les sources de césium-137 et de cobalt-60. Il n’existe aucun substitut évident de nonradio-isotopes pour remplacer les sources de chlorure de césium utilisées dans ces applications, et aucune recherche-développement n’est actuellement consacrée à l’exploration de substituts. L'absence d'alternatives constitue un obstacle aux efforts mondiaux visant à éliminer le césium-137 sous forme de chlorure de césium.

Il y a plus de 50 ans, le césium-137 a été choisi comme base pour l'étalonnage national et international en raison de son rayonnement gamma monoénergétique au milieu du spectre des énergies mesurées et de sa grande précision et reproductibilité dans les installations d'étalonnage. L'étalon césium-137 est utilisé pour étalonner des millions de détecteurs de rayonnement chaque année aux États-Unis et dans le monde. Ces détecteurs sont notamment utilisés dans les centrales nucléaires pour surveiller les environs, aux points d'entrée pour mesurer la radioactivité des cargaisons, dans les établissements médicaux pour assurer la sécurité des patients et du personnel médical, et partout où il y a émission ou suspicion d'émission de rayonnement. Le problème de sécurité réside dans le fait que les systèmes d'étalonnage utilisent le césium 137 sous forme de chlorure de césium, qui présente des risques potentiels de dispersion. Cependant, il n'y a pas eu d'efforts nationaux ou internationaux pour développer des technologies alternatives.

Recommandation I : Le National Institute of Standards and Technology devrait s'engager auprès de la communauté des chercheurs ainsi que des partenaires fédéraux, industriels et internationaux pour lancer des recherches sur les alternatives au chlorure de césium pour les applications d'étalonnage. Cet engagement devrait commencer immédiatement afin de se préparer à l'éventuelle élimination future de l'utilisation du césium-137 sous forme de chlorure de césium.

Le NIST est d’avis que l'élimination du chlorure de césium dans les instruments d'étalonnage aurait des effets négatifs, notamment sur les capacités d'intervention d'urgence de la nation. Les États-Unis et d'autres gouvernements ont envisagé des changements de politique pour éliminer le chlorure de césium dans les sources radioactives telles que le sang et les irradiateurs de recherche. Pour se préparer à d'éventuels changements de politique qui chercheraient à éliminer le chlorure de césium de toutes les sources radioactives de haute activité, le NIST devrait commencer à explorer d'autres options pour remplacer le césium-137, comme les technologies de rayons X à haute énergie ou différentes formes chimiques de ce radionucléide, comme le pollucite ou le césium vitrifié. La forme vitrifiée du césium est utilisée en Inde dans les irradiateurs sanguins. Le remplacement du chlorure de césium radioactif par ces autres formes moins dispersibles de césium-137 pourrait être acceptable pour les applications d'étalonnage car le spectre du césium-137 serait maintenu. Les étapes utiles pour le NIST consisteraient à consulter et à travailler en collaboration avec la communauté des chercheurs et les partenaires des agences fédérales et étatiques et de l'industrie, ainsi qu'avec les partenaires internationaux, et à effectuer des tests d'équivalence pour s'assurer qu'il n'y a pas d'impact négatif sur les capacités actuelles d'étalonnage et d'essai.