Study of hydrogen diffusion, toward long-term hydrogen monitoring with specialty optical fibers
Étude de la diffusion du dihydrogène dans des fibres optiques spéciales, vers la réalisation de capteurs de fuite lente sous contraintes de température et de pression
Résumé
This thesis deals with the study of the phenomenon of hydrogen diffusion in special optical fibers in order to develop sensors for the monitoring of slow hydrogen release in radioactive wastes repositories under temperature and strain constraints. This study is based on the expertise of the Xlim laboratory of the University of Limoges (France) in the design and the drawing of special optical fibers thanks to the optical fiber drawing tower and more particularly thanks to the "Modified powder in tube" process for the production of multi-material optical fibers, with the expertise of the Department of Electromagnetism and Telecommunications of the University of Mons (Belgium) in the development of optical fiber hydrogen sensors using the original hydrogenation bench which allows continuous in-situ measurement of fiber optic sensors. This study follows the work carried out in collaboration between the two laboratories within the European Modern2020 project and also within the contractual collaboration with the national agency for the management of radioactive waste ANDRA. Hydrogen is an explosive gas at low concentrations in air (from 4% to 75% Vol). Its detection and monitoring is thus crucial in many applications such as fuel cells, geothermal wells, nuclear power plants, radioactive waste storage or repository centers. Conventional hydrogen sensors are developed to detect hydrogen leaks, using a sensitive material such as tin oxide, tungsten oxide, platinum or palladium, whose resistive behavior and physicochemical properties are modified in contact with hydrogen. The direct contact between the sensitive material and hydrogen enables fast response time, in the order of few seconds. Optical fiber sensors are able to detect hydrogen under harsh and explosive conditions, however, most fiber optic sensors are based on a deposit of a thin layer of sensitive material on the surface of the fiber. This configuration limits the sensor robustness and causes stability issues related to the degradation of the film after several exposure cycles. To overcome this problem, we propose an optical fiber composed of a sensitive material (Palladium, Pd) integrated into the silica cladding in order to protect the sensing metal from harsh environments. Or, the insertion of these particles in the optical cladding induces strong attenuations in the fiber, ranging from 3 dB/m in the case of a microstructured fiber (work by Stéphanie Leparmentier) up to 20 dB/m for a polarization maintaining fiber Panda type (work of Maryna Kudinova). On-line measurement dynamics shows faster detection of hydrogen diffusion in the Panda fiber without Pd particles (8 hours to reach 80% of the saturation value “The maximum shift of the dip wavelengths (i.e. birefringence variation) of the FLM interferometer”) compared to a standard optical fiber (15 hours to reach 80% of the saturation value, via the measurement of the Bragg wavelength shift) under the same temperature and pressure conditions, hence the objective of this thesis is to study the interest of these stress applying parts in increasing the intrinsic sensitivity of optical fibers to hydrogen diffusion, in order to increase the performance of optical fiber sensors.
Les travaux de cette thèse traite l’étude du phénomène de diffusion de l’hydrogène dans les fibres optiques spéciales pour la réalisation de capteurs pour la surveillance des fuites lentes d’hydrogène dans les centres de stockages des déchets radioactifs sous contraintes de température et de pression. Cette étude repose sur l’association des expertises du laboratoire XLIM de l’université de Limoges (France) dans la conception et la fabrication des fibres optiques spéciales grâce à la plateforme de fabrication de fibres optiques et plus particulièrement grâce au procédé « poudre Modifié » pour la réalisation de fibres optiques multi-matériaux, avec les expertises du département d’Electromagnétisme et de Télécommunications de l’université de Mons (Belgique) dans le développement de capteurs d’hydrogène à fibres optiques à l’aide du banc original d’hydrogénation qui permet une mesure en continu de capteurs à fibres optiques. Cette étude fait suite aux travaux menés en collaboration entre les deux laboratoires dans le cadre du projet européen Modern2020 et également dans le cadre de la collaboration contractualisée avec l’agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs ANDRA. Les capteurs d’hydrogène conventionnels à fibres optiques sont basés sur un dépôt d’une couche mince d’un matériau sensible à l’H2 tel que le Palladium sur la face extérieure de la fibre. Cette couche se dégrade au fil des cycles d’hydrogénation/déshydrogénation entraînant une influence sur les performances des capteurs, ce qui rend ces capteurs incompatibles avec les applications qui demandent un fonctionnement sur du long-terme. Les travaux antérieurs développés au sein du laboratoire XLIM ont montré la possibilité d’insérer le matériau sensible dans la gaine des fibres optiques afin de le protéger contre les perturbations extérieures. Or, l’insertion de ces particules dans la gaine optique induit de fortes atténuations dans la fibre, allant de 3 dB/m dans le cas d’une fibre microstructurée (travaux de Stéphanie Leparmentier) jusqu’au 20 dB/m pour une fibre à maintien de polarisation de type Panda (travaux de Maryna Kudinova). Le test de comparaison de la cinétique de mesure de la diffusion de l’hydrogène dans les fibres Panda avec et sans particules de Palladium a montré que le suivi de la longueur d’onde d’un minimum du spectre d’interférence (d’une fibre Panda sans particules de Palladium insérée dans un miroir en boucle) permet de détecter plus rapidement la diffusion de l’hydrogène dans la fibre Panda SAL (8 heures pour atteindre 80 % de la valeur à saturation) par rapport à une fibre standard (15 heures pour atteindre 80 % de la valeur à saturation, via la mesure de la longueur d’onde de Bragg) hydrogénée dans les mêmes conditions de température et de pression, d’où l’objectif de cette thèse pour étudier l’intérêt de ces zones de contraintes dans l’augmentation de la sensibilité intrinsèque des fibres optiques à la diffusion d’hydrogène, afin d’accroître les performances des capteurs à fibres optiques.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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