Monitoraggio di rifiuti radioattivi
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Monitoraggio di rifiuti radioattivi
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! Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 1 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)! Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 2 • 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 Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 3 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 Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 4 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! Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 SiPM! Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 5 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# Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 6 sorgente gamma! 2.7MBq a 10cm! ricostruzione 3D tramite fibre incrociate! fondo! fondo! X! Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 7 limite internazionale per lavoratori nucleari! Radon domestico! sorgente intensa utilizzata: dose a 1m ≈ 0.0003 mSv/h! Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 8 µSB! test con sorgenti di 241Am, 22Na, 137Cs, 60Co! µSL! Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 9 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! Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale test in P6 per 24h! Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 10 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! Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 11 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 Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 12 ispezione fusti: nuovo braccio robot a controllo remoto! 5 gradi di libertà carico: videocamera di ispezione rivelatore gamma Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 13 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)! Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 14 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 Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 15 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 Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 157Gd! !(0.025)! ≈ 240 kb! 113Cd! !(0.025)! ≈ 20 kb! grande E disponibile ma in forma di raggi gamma: arduo distinguere i neutroni Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 16 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 Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 17 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 Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 18 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?) Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 19 test al JRC: Si detector + 6LiF Si + 6LiF neutron source ! neutroni Fondo gamma Alfa castello in PET 100% neutroni Trizio attesi circa 4 cps Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi misurati 3.3 P.Finocchiaro 20 Si detector + 6LiF 4He n 3H 7Li n 7Li 6LiF converter 6Li 6Li 3H Silicon detector 4He Alpha detected Triton detected additional 6LiF converter Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 21 Si detector + 6LiF Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 22 Si detector + 6LiF Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 23 Si detector + 6LiF M.Barbagallo et al., Rev. Sci. Instr. 84, 033503 (2013) Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 24 prossimi passi collaborazione con nTOF @ CERN depositi di 6Li su area grande strumenti rivelatori a stato solido commerciali altro... Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 25 ...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 Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 26 real-time castor storage monitoring local! data! storage! Società Italiana di Fisica remote! data! storage! XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Web! Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 27 real-time castor storage monitoring Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 28 applicazioni Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 29 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 Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi X-ray P.Finocchiaro 30 nuovi monitor per neutroni? compatti e portatili? Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 31 produzione scientifica • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 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 Società Italiana di Fisica XCIC Congresso Nazionale Trieste 23-27/9/2013 www.lns.infn.it/link/DMNR# theses • • • • • • • • • • • • • • 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) Monitoraggio di rifiuti radioattivi P.Finocchiaro 32