DMNR: un dimostratore di sistema per il monitoraggio online in tempo reale di depositi di scorie

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1 DMNR: un dimostratore di sistema per il monitoraggio online in tempo reale di depositi di scorie Paolo Finocchiaro, Luigi Cosentino, Alfio Pappalardo, Sergio Scirè, Carlotta Scirè, Gianfranco Vecchio, Claudio Calì, Giovanni De Luca, Pietro Litrico, Massimo Piscopo, Valentina Finocchiaro, Fabio Li Puma INFN Laboratori Nazionali del Sud, Catania, Italy local data storage Data wireless network wired network remote data storage Web DMNR Detector Mesh for Nuclear Repositories Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 1

2 rifiuti radioattivi confinati in fusti di lunga durata progetto DMNR: monitoraggio on-line di depositi di rifiuti radioattivi di brevemedio termine applicazione di rivelatori non convenzionali per il decommissioning monitoraggio in tempo reale: attività, stabilità meccanica, corrosione, temperatura, etc. progetto DMNR: obiettivi disponibilità di dati in tempo reale alle autorità di controllo, vigili del fuoco, governo locale e nazionale, etc. gestione del radwaste per mezzo di strumenti avanzati e procedure atte a ridurre i rischi ai lavoratori locali, alla popolazione circostante, all ambiente Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 2

3 non vorremmo mai vedere... Non ci sono depositi con monitoraggio online (a nostra conoscenza) Il monitoraggio in tempo reale può minimizzare il bisogno di operatori umani all interno (ALARA) Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 3

4 Normative Sul Nirex Report N/077, Vol.1, par Monitoring la Nuclear Decommissioning Authority (NDA) raccomanda che when designing waste repositories care should be taken in order to allow for future implementation of more effective monitoring systems La IAEA sottolinea il ruolo del Source Monitoring, anche se finora tutti gli sforzi vengono rivolti verso monitoraggio ambientale e personale Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 4

5 cosa è emesso da un fusto di rifiuti? la radioattività che di fatto fuoriesce consiste di raggi gamma le particelle beta vengono arrestate nel materiale stesso e nell aria le particelle alfa vengono arrestate all interno del materiale i frammenti di fissione sono arrestati immediatamente nel materiale i neutroni (da fissione) fuoriescono molto facilmente, ma sono a basse dosi. Il materiale fissile (ambito) è pochissimo: è rimosso in fase di pre-trattamento, prima del confezionamento i raggi gamma sono penetranti, dunque fuoriescono facilmente e in abbondanza Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 5

6 quanto è emesso da un fusto di rifiuti? per litro per fusto Nuclear species Specific activity [Bq/l] Total activity [Bq] Co E E+07 Sr E E+11 Tc E E+08 Cs E E+11 Eu E E+07 Eu E E+08 Pu E E+09 Pu E E+09 Pu E E+08 Pu E E+07 U E E+09 U E E+09 U E E+08 U E E+06 U E E+07 U E E+07 Th E E+07 Th E E+09 Tl E E+09 Am E E+08 fusto in acciaio, contiene 20 litri di rifiuti incorporati in cemento e circondati da uno strato di malta (dati forniti da ANN) attività tipica di un fusto di scorie (gamma/s) contributo più rilevante per la rivelazione Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 6

7 Perchè monitorare? Vogliamo una registrazione completa della storia di ciascun fusto. A oggi esistono fusti con contenuto non specificato e storia non definita. Possibilità di incidenti, in particolare: fusti danneggiati durante spostamenti (principalmente per ispezionarli!) la matrice cementizia contenente il rifiuto può incrinarsi e/o subire perdite rifiuti liquidi????? Cosa è auspicabile? monitoraggio individuale e continuo dei fusti, anche durante eventuali spostamenti meglio ancora, NON spostare i fusti e controllarli sul posto Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 7

8 Come monitorare? radiation hardness anni in prossimità di fusti con mgy/h robustezza SI, scintillatori plastici; SiPM non danneggiato dalla luce ambiente bassa efficienza, alta sensibilità SI affidabilità SI (possibile sensibilità alla posizione) SI maneggevolezza SI basso costo SI Sensori: richieste e obiettivi la soluzione proposta quando la radiazione colpisce la fibra viene prodotto un piccolo impulso di luce, e il SiPM è in grado di rivelarlo la coincidenza abbatte i conteggi spuri Una griglia di fibre scintillanti lette alle estremità tramite Silicon PhotoMultipliers (SiPM) Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 8

9 Photon SiPM: risposta alla luce illuminato con luce laser polarizzato a 32V potere risolutivo > bassa tensione di bias (30V) grande amplificazione fisica (gain) 1 fotone dà luogo ad un segnale di 10 6 elettroni measured charge Q (from QDC) risoluzione temporale <100ps (non richiesta per questa applicazione) 1-cella carica = k n-celle carica = nk Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 9

10 Counts [a.u.] Counts [a.u.] Counts [a.u.] ma... contiamo davvero raggi gamma? SI! Test effettuati con sorgente 60 Co in tre posizioni diverse lungo la fibra la semidifferenza tra i tempi di arrivo della luce alle due estremità ci dà la posizione di impatto x v (t left t right ) 2 Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 10

11 calculato efficienza di rivelazione gamma (sorgente puntiforme) simulato misurato simulazioni GEANT e misure accoppiamento ottico non facilmente simulabile (ma effetto sistematico) andamento dell efficienza ben riprodotto scalando i dati di uno stesso fattore si ottiene una deviazione <1% tra misura e simulazione efficienza intrinseca ai gamma misurata normalizzazione sistematica dovuta ad accoppiamento ottico e PDE dopo normalizzazione al primo punto i dati sono autoconsistenti Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 11

12 efficienza geometrica: si può variare scegliendo lunghezza e spessore della fibra SciFi Radiation SiPM SiPM più fibre accoppiate a SiPM più grandi sensori flessibili, sia fisicamente che concettualmente Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 12

13 progetto DMNR: in sintesi Tutti i dettagli sul singolo fusto disponibili in tempo reale Storia e specifiche dei fusti disponibili Display on-line e controllo dati Tassi di conteggio canale per canale Livelli di allarme programmabili prototipo di piattaforma in scala 1:1 braccio robotico per ispezione remota rivelatore a scintillazione videocamera a colori Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 13

14 Front-end e schema di acquisizione dati local Data Base Discr LAN Discr Coinc unique ID wireless WAN remote Data Base counters WEB Discr Coinc control authorities Discr unique ID population organizations IAEA waste drum units FPGA data acquisition and control local wireless and LAN global WAN Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 14

15 test sorgente gamma mista 2.7MBq distanza 10cm fibra scintillante rapporto segnale/fondo istantaneo 9 fondo fondo durata 4.5 giorni Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 15

16 counts/s Test 3 fibre e sorgente gamma mista 2.7MBq top fiber#0 top alloggiamento opto-elettro-meccanico SiPM middle bottom fiber#1 middle fiber#2 bottom below gamma source time bin = 8 s durata 12 min side-below middle-side top-side fiber#0 top fiber#1 middle fiber#2 bottom Time bin = 8s middle-center top-center center-below 150 no source center-below OFF time [s] Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 16

17 Test ricostruzione 3D tramite fibre incrociate minifusto: 5 fibre e sorgente gamma mista 2.7MBq X Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 17

18 test con fusti di scorie reali test preliminare con fusti reali presso un deposito all interno della ex centrale nucleare del Garigliano (SOGIN S.p.a.) 4 sensori (+geiger) su un carrello posizionato in 7 locazioni (P0-P6) con tasso di dose crescente Si ringraziano A.Lucciola, C.Nasti, G.Pipola, A.Gargiulo, F.Pisciotta, U.Doti, A.M.Esposito, M.Iorio, A.Mariani, S.Alfieri di Sogin S.p.a. per aver consentito l accesso al deposito e per il prezioso aiuto e supporto durante il test. lasciato in P6 per una notte quindi rimosso rapidamente Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 18

19 inizio test : posizioni P0 - P6 durante la notte campionamento a 10s campionamento a 1s fine test: rimozione rapida Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 19

20 Conclusione Se si vuole perseguire l obiettivo nucleare bisogna convincere la gente (e noi stessi) che siamo in grado di gestire il problema dei depositi di scorie, nel breve, medio e lungo termine. sapere o non sapere? Ciò che ho mostrato sin qui spero rappresenti un piccolo passo nella direzione di rendere la gente più consapevole di rischi e vantaggi Status SIF - XCVII on 29-Apr-2010 congresso Nazionale - Preliminary - L Aquila test results - DMNR Settembre DMNR: monitoraggio online scorie radioattive - P.Finocchiaro 20