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1 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! Data! wireless! network! wired! network! remote! data! storage! Web! DMNR! Detector Mesh for Nuclear Repositories! P.Finocchiaro 1

2 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)! P.Finocchiaro 2

3 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 P.Finocchiaro 3

4 principalmente radiazione gamma 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 Plutonio, tutto mio... 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 P.Finocchiaro 4

5 6! 7! 5! 8! SiPM 1! 2! 3! 4! 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 fibra SiPM SciFi! Radiation! SiPM! SiPM! P.Finocchiaro 5

6 resistenza alle radiazioni anni in prossimità di un fusto con 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# P.Finocchiaro 6

7 sorgente gamma! 2.7MBq a 10cm! fondo! fondo! ricostruzione 3D tramite fibre incrociate! X! P.Finocchiaro 7

8 limite internazionale per lavoratori nucleari! Radon domestico! sorgente intensa utilizzata: dose a 1m msv/h! P.Finocchiaro 8

9 µsb! test con sorgenti di 241 Am, 22 Na, 137 Cs, 60 Co! µsl! P.Finocchiaro 9

10 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! P.Finocchiaro 10

11 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! P.Finocchiaro 11

12 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 P.Finocchiaro 12

13 ispezione fusti: nuovo braccio robot a controllo remoto! 5 gradi di libertà carico: videocamera di ispezione rivelatore gamma P.Finocchiaro 13

14 voglio il controllo... upgrade: monitoraggio di neutroni (termici) 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)! P.Finocchiaro 14

15 come? materiali per la conversione di neutroni termici: 3 He n 3 He 3 H p!(0.025)! 5330 b! energia disponibile 0.76 MeV nessun gamma perfetto rivelatore a gas ma... penuria mondiale di 3 He P.Finocchiaro 15

16 materiali per la conversione di neutroni termici: quale? 6 Li!!(0.025)! 940 b! E disponibile 4.78 MeV 157 Gd!!(0.025)! 240 kb! 113 Cd!!(0.025)! 20 kb! 10 B!!(0.025)! 3840 b! E disponibile 2.79 MeV grande E disponibile ma in forma di raggi gamma: arduo distinguere i neutroni P.Finocchiaro 16

17 processo fisico 6 Li abbondanza naturale: 7% un convertitore in 6 LiF cattura un neutrone... 6 Li n Cross section! 940 b! Cross section [b] neutroni termici 6Li(n,t)4He Li E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 Energy [ev] Rivelazione di 3 H e/o 4 He 4 He 3 H 2.05 MeV 2.73 MeV...e produce 4 He ed 3 H che si possono rivelare come? P.Finocchiaro 17

18 HELNEM: 3 He-free Lithium-based NEutron Monitors 9cm 2 Si detector + 6 LiF (2012) D.S. McGregor et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 500 (2003) LiF 3cm x 3cm Si differenza tra spettri non necessaria per reiezione gamma n/gamma! 10-5 AmBe source lead paraffin Fondo gamma neutroni polyethylene detect. moderator box P.Finocchiaro 18

19 Si detector + 6 LiF: 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?) P.Finocchiaro 19

20 test al JRC: Si detector + 6 LiF Si + 6 LiF 100% neutroni neutron source! neutroni castello in PET Fondo gamma Alfa Trizio attesi circa 4 cps misurati 3.3 P.Finocchiaro 20

21 Si detector + 6 LiF 4 He 3 H 6 LiF converter n 6 Li 7 Li 7 Li 6 Li n Silicon detector additional 6 LiF converter 3 H Triton detected 4 He Alpha detected P.Finocchiaro 21

22 Si detector + 6 LiF P.Finocchiaro 22

23 Si detector + 6 LiF P.Finocchiaro 23

24 Si detector + 6 LiF M.Barbagallo et al., Rev. Sci. Instr. 84, (2013) P.Finocchiaro 24

25 prossimi passi collaborazione con CERN depositi di 6 Li su area grande strumenti rivelatori a stato solido commerciali altro... P.Finocchiaro 25

26 ...con rivelatori a scintillazione alpha + gamma tritium " neutrons alpha + gamma tritium " neutrons buona efficienza intrinseca sensibili alla posizione basso costo RM2013A depositato P.Finocchiaro 26

27 real-time castor storage monitoring local! data! storage! remote! data! storage! Web! P.Finocchiaro 27

28 real-time castor storage monitoring P.Finocchiaro 28

29 applicazioni P.Finocchiaro 29

30 applicazioni con fasci di neutroni Time-of-Flight Neutron Diffraction (ToF- ND) e.g.: University of Milan, inorganic stereochemistry Neutron Resonance Capture Analysis e.g.: Ancient Charm EU project 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) Neutron Radiography! e.g.: Institute of Atomic and Subatomic Physics - TU Wien neutron X-ray P.Finocchiaro 30

31 nuovi monitor per neutroni? compatti e portatili? P.Finocchiaro 31

32 produzione scientifica A.Pappalardo, talk to be given at the 3rd European Energy Conference, Budapest, October 2013 P.Finocchiaro, talk to be given at the 3rd European Energy Conference, Budapest, October 2013 L.Russo, to be presented at the 3rd European Energy Conference, Budapest, 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) 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) P.Finocchiaro, in Radioactive Waste: Sources, Types and Management, Nova Science Publishers, 2012 A.Pappalardo et al., Nucl. Phys. B 215 (2011) 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 SSD , Sydney M.Barbagallo et al., Rev. Sci. Instr. 81 (2010) P.Finocchiaro et al., NIM A652 (2011) M.Barbagallo et al., NIM A652 (2011) 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 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) P.Finocchiaro 32

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