Monitoraggio di rifiuti radioattivi

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Monitoraggio di rifiuti radioattivi: sviluppo di sensori e sistemi
Paolo Finocchiaro!
Luigi Cosentino, Alfio Pappalardo, Luca Russo, Sergio Scirè, Carlotta Scirè, Gianfranco Vecchio,!
Claudio Calì, Giovanni De Luca, Pietro Litrico, Carmelo Marchetta, Massimo Piscopo!
INFN Laboratori Nazionali del Sud, Catania, Italy!
Monitoraggio online in tempo reale di rifiuti radioattivi!
local!
data!
storage!
wireless!
network!
Web!
Data!
wired!
network!
DMNR!
Società Italiana di Fisica
XCIC Congresso Nazionale
remote!
data!
storage!
Detector Mesh for Nuclear Repositories!
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P.Finocchiaro
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rifiuti radioattivi prodotti in tutto il mondo
generalmente sigillati in fusti speciali
il deposito andrebbe monitorato per perdite e/o
rotture, per prevenire possibili contaminazioni
di persone e ambiente
il monitoraggio online potrebbe
minimizzare il bisogno di intervento
umano all’interno (ALARA)
Nessun deposito con monitoraggio online!
(a nostra conoscenza)!
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•  Monitoraggio online di depositi di rifiuti radioattivi di durata
breve/media
•  Applicazione di rivelatori non convenzionali per il
decommissioning
•  Monitoraggio in tempo reale
•  Disponibilità dei dati in tempo reale alle autorità di
controllo, vigili del fuoco, comune, (provincia?), regione,
protezione civile...
•  gestione del radwaste tramite procedure e strumenti
avanzati atti a ridurre i rischi per i lavoratori locali e per
la popolazione
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principalmente radiazione gamma
Plutonio,
tutto mio...
lo sanno, lo sanno, ma io
glielo dico lo stesso!!!
le particelle beta si fermano quasi
immediatamente nel materiale e in aria
le particelle alfa si fermano quasi
immediatamente nel materiale
i frammenti di fissione si fermano
immediatamente nel materiale
i neutroni (da fissione) fuoriescono molto
facilmente ma a dosi molto basse. La quantità
di materiale fissile nei fusti è piccola: viene
rimossa prima di confezionarli (non è così per
le barre di combustibile esaurito)
i raggi gamma sono penetranti, e dunque
fuoriescono facilmente e in abbondanza
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6!
5!
4!
SiPM
2!
1!
3!
7!
8!
9!
10!
11!
12!
ciascun picco corrisponde a un
numero discreto di fotoni rivelati!
bassa tensione (30V)
grande amplificazione (gain)
1 fotone produce un segnale
di circa 10^6 elettroni
SiPM
SiPM
fibra
Radiation!
SciFi!
SiPM!
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SiPM!
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resistenza alle radiazioni ≈100-1000 anni in prossimità di
un fusto con 10-100 mGy/h#
robustezza: sì, scintillatori plastici; i SiPM non si
danneggiano con esposizione a luce ambiente#
bassa efficienza: ≈0.1%#
alta sensibilità: pochi fotoni#
affidabilità: sì#
(possibile sensibilità alla posizione): sì#
maneggevolezza: sì#
basso costo: sì#
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sorgente gamma!
2.7MBq a 10cm!
ricostruzione 3D
tramite fibre incrociate!
fondo!
fondo!
X!
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limite internazionale per lavoratori nucleari!
Radon domestico!
sorgente intensa utilizzata: dose a 1m ≈ 0.0003 mSv/h!
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µSB!
test con sorgenti di 241Am, 22Na, 137Cs, 60Co!
µSL!
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test con fusti radioattivi reali!
deposito temporaneo allʼinterno della ex centrale nucleare!
del Garigliano a Sessa Aurunca (SOGIN S.p.a.)!
4 sensori (+geiger) su un carrello#
via via piazzato in 7 posizioni (P0-P6)#
con tassi di dose crescenti#
inizio test: !
posizioni P0 – P6!
test in P6 per 24h!
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Trasferimento tecnologico!
accordo di collaborazione tra!
INFN e SOGIN!
siglato in data 8-Nov-2012!
durata: 2 anni!
!
implementazione di un prototipo di sistema di monitoraggio
DMNR presso il nuovo deposito del Garigliano!
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interfaccia utente
•  display on-line e controllo dati!
•  tassi di conteggio canale per canale!
•  livelli di allarme programmabili!
dettagli disponibili in tempo reale!
fino al livello del singolo fusto e della!
singola fibra attorno a ciascun fusto!
connessione diretta al
database dei sensori!
tool di navigazione 3D
elettronica e computing interamente sviluppati ai LNS
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ispezione fusti: nuovo braccio robot a controllo remoto!
5 gradi di libertà
carico:
videocamera di ispezione
rivelatore gamma
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upgrade: monitoraggio di neutroni (termici)
voglio il
controllo...
perchè neutroni?!
monitoraggio di combustibile esaurito
sul posto e/o durante il trasporto
individuazione di
possibili diversioni di
elementi di
combustibile da
contenitori Castor
(P.Peerani, M.Galletta, Nuclear Engineering
and Design 237 (2007) 94-99)!
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come?
materiali per la conversione di neutroni termici: 3He
3H
n
3He
p
!(0.025)!
≈ 5330 b!
energia disponibile
0.76 MeV
nessun gamma
perfetto rivelatore a gas ma... penuria mondiale di 3He
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materiali per la conversione di neutroni termici: quale?
6Li!
10B!
!(0.025)!
≈ 940 b!
E disponibile
4.78 MeV
!(0.025)!
≈ 3840 b!
E disponibile
2.79 MeV
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157Gd!
!(0.025)!
≈ 240 kb!
113Cd!
!(0.025)!
≈ 20 kb!
grande E disponibile
ma in forma di raggi gamma:
arduo distinguere i neutroni
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processo fisico
10000
– abbondanza naturale: 7%
un convertitore in 6LiF
cattura un neutrone...
n
1000
Cross section ≈ !
940 b!
6Li
Cross section [b]
6Li
neutroni
termici
6Li(n,t)4He
100
10
1
0.1
0.01
1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7
7Li
Energy [eV]
Rivelazione di 3H e/o 4He
4He
2.05 MeV
3H
2.73 MeV
come?
...e produce 4He ed 3H che si
possono rivelare
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HELNEM: 3He-free Lithium-based NEutron Monitors
9cm2 Si detector + 6LiF (2012)
3cm x 3cm
Si
D.S. McGregor et al., Nuclear
Instruments and Methods in Physics
Research A 500 (2003) 272-308
6LiF
differenza tra spettri non necessaria per reiezione gamma
lead
AmBe
source
paraffin
n/gamma ! 10-5
Fondo
gamma
neutroni
detect.
polyethylene
moderator box
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Si detector + 6LiF: confronto con simulazioni
simulazione GEANT4 semi-quantitativa:
•  neutroni termici
•  gamma 60 keV
•  gamma 662 keV
•  gamma 1.2 MeV
•  gamma 4 MeV
•  # alfa e trizio normalizzati ai dati
•  # gamma scalati manualmente
accordo dati-simulazione molto incoraggiante (sorprendente?)
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test al JRC: Si detector + 6LiF
Si + 6LiF
neutron
source
! neutroni
Fondo
gamma
Alfa
castello in PET
100%
neutroni
Trizio
attesi circa 4 cps
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misurati 3.3
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Si detector + 6LiF
4He
n
3H
7Li
n
7Li
6LiF
converter
6Li
6Li
3H
Silicon
detector
4He
Alpha detected
Triton detected
additional
6LiF
converter
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Si detector + 6LiF
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Si detector + 6LiF
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Si detector + 6LiF
M.Barbagallo et al., Rev. Sci. Instr. 84, 033503 (2013)
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prossimi passi
collaborazione con
nTOF @ CERN
depositi di 6Li su area grande
strumenti
rivelatori a stato solido commerciali
altro...
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...con rivelatori a scintillazione
alpha + gamma
tritium " neutrons
alpha + gamma
tritium " neutrons
buona efficienza intrinseca
sensibili alla posizione
basso costo
RM2013A000254
depositato 2013-04-29
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real-time castor storage monitoring
local!
data!
storage!
remote!
data!
storage!
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Web!
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real-time castor storage monitoring
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applicazioni
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applicazioni con fasci di neutroni
Neutron Resonance Capture Analysis
e.g.: Ancient Charm EU project
Time-of-Flight Neutron Diffraction (ToF- ND)
e.g.: University of Milan, inorganic stereochemistry
secrets of Bronze Age sword unveiled
Bragg Edge Transmission
e.g.: S.Petriw, J.Dawidowski, J.Santisteban,
Porosity effects on the neutron total cross section of graphite
Journal of Nuclear Materials 396 (2010)181-188
Neutron Radiography
!
e.g.: Institute of Atomic and Subatomic Physics - TU Wien
neutron
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X-ray
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nuovi monitor per neutroni?
compatti e portatili?
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produzione scientifica
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• 
A.Pappalardo, talk to be given at the 3rd European Energy Conference, Budapest, 27-30 October 2013
P.Finocchiaro, talk to be given at the 3rd European Energy Conference, Budapest, 27-30 October 2013
L.Russo, to be presented at the 3rd European Energy Conference, Budapest, 27-30 October 2013
P.Finocchiaro, invited talk to be given at XCIX Congress of Italian Physics Society, 2013, Trieste
P.Finocchiaro et al., presented at the 1st SCINTILLA public workshop, Budapest, 12-Sep-2013
P.Finocchiaro, et al., Invited seminar at University of Milan 2013
M.Barbagallo et al., Rev. Sci. Instrum 84 (2013) 033503
G.Vecchio et al., International Journal of Nuclear Energy Science and Engineering, 10089, vol.3, issue 3, (2013)64
G.Vecchio, P.Finocchiaro, Global Journal of Computer Science and Technology Graphics & Vision, v12, n12 (2012) 1-5
P.Finocchiaro et al., IEEE Trans. Nucl. Sci., v59, n4 (2012) 1426-1431
P.Finocchiaro, in “Radioactive Waste: Sources, Types and Management”, Nova Science Publishers, 2012
A.Pappalardo et al., Nucl. Phys. B 215 (2011) 41-43
P.Finocchiaro, invited talk given at the Low Carbon Earth Summit (LCES) 2011, Dalian
L.Cosentino, talk given at the XXXV International Symposium "Scientific Basis for Nuclear Waste Management", 2011,
Buenos Aires
P.Finocchiaro, invited talk at XCVII Congress of Italian Physics Society, 2011, L'Aquila
P.Finocchiaro et al., talk given at the 3rd International Nuclear Chemistry Congress, Terrasini 2011
P.Finocchiaro et al., talk given at ANIMMA 2011, Ghent
A.Pappalardo, presented at the 49th International Winter Meeting on Nuclear Physics, Bormio 2011
P.Finocchiaro, invited talk at the Round Table on "Science and Technology for the solution of the Energy Supply
Problems", Ekaterinburg 2010
P.Finocchiaro, invited talk at SSEM 2010, Royal Society of Chemistry, London
P.Finocchiaro et al., talk given at SSD16 2010, Sydney
M.Barbagallo et al., Rev. Sci. Instr. 81 (2010) 093503
P.Finocchiaro et al., NIM A652 (2011) 143-145
M.Barbagallo et al., NIM A652 (2011) 355-358
P.Finocchiaro, invited seminar at University of California Los Angeles 2010
A.Pappalardo et al., presented at IPRD 2010
P.Finocchiaro et al., presented at SORMA 2010
P.Finocchiaro et al., presented at DNDO workshop 2010
A.Pappalardo et al., presented at E2C European Energy Conference 2010
V.Bellini, M.Capogni, V.Febbraro, and P.Finocchiaro, Appl. Rad. and Isot. 68 (2010) 1320
P.Finocchiaro et al., Nucl. Phys. B197 (2009) 35 Proc. Supp.
M.Capogni, presented at ICRM 2009, Bratislava, Slovak Republic, September 2009
A.Pappalardo et al., presented at ANIMMA 2009
L.Cosentino et al., presented at ICENES 2009
L.Cosentino et al., presented at IPRD 2008
Trieste 23-27/9/2013
www.lns.infn.it/link/DMNR#
theses
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L.Russo, upper level (master) Thesis (2013)
F.Oliveri, first level Thesis (2013)
L.Curcuruto, upper level (master) Thesis (2012)
M.Campione, upper level (master) Thesis (2012)
S.Scirè, upper level (master) Thesis (2012)
C.Greco, first level Thesis (2011)
S.Grillo, first level Thesis (2011)
C.Scirè, upper level (master) Thesis (2011)
V.Finocchiaro, first level Thesis (2011)
G.Guardo, upper level (master) Thesis (2011)
V.Febbraro, upper level (master) Thesis (2009)
S.Scirè, LNS Stage final report (2009)
G.Greco, upper level (master) Thesis (2009)
M.Barbagallo, upper level (master) Thesis (2009)
P.Finocchiaro
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Monitoraggio di rifiuti radioattivi

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