Verfahrenskombinierte Freimessung aktivierter Beschleunigerteile

Transkript

1 am Beispiel ausgewählter Anlagenteile vom Forschungsstandort Rossendorf Sven Jansen, VKTA Usedom, Folie 1

2 Gliederung Grundsätze zur Vorgehensweise Messverfahren Ermittlung Nuklidspektrum und Aktivitätsverteilung Bewertung von Freigabeobjekten Protonenbeschleuniger Teile medizinischer Elektronenbeschleuniger Teile aus Beschleunigeranlage der Forschung Folie 2

3 Einleitung Bei Freigabe von Stoffen gemäß 29 StrlSchV muss vorhandene Aktivität der Masse und, sofern eine feste Oberfläche vorhanden ist, der Oberfläche gegenübergestellt 1 werden: vergleichsweise einfach bei Vorliegen Oberflächenkontamination anspruchsvoller bei Vorliegen der Aktivität in Form von Volumenkontaminationen bspw. aus Aktivierung. Keine Aktivierung ohne Kontamination! Freimessung aktivierter Teile durch Kombination von Verfahren, die die Oberfläche beproben, und Verfahren, die das Volumen bewerten Oft ist Kombination mehrerer Messverfahren zur abdeckenden, aber nicht übermäßig konservativen Bewertung unerlässlich. 1 Ausnahmen nennt 29 (2) Satz 5 Folie 3

4 Keine Aktivierung ohne Kontamination Beispiel Rossendorfer Forschungsreaktor Rückbau aktivierter Komponenten Im Betrieb Rückbau kontaminierter Komponenten Folie 4

5 Erkundungs- und Freimessverfahren Erkundungsmessverfahren ODL-Messung Zählratenmessung Gamma-Scanning Freimessverfahren γ-gesamtzählende Messung in Freimessanlage (im besten Fall einschließlich Gammaspektrometrie zwecks Kontrolle Nuklidvektor) In-situ-Gammaspektrometrie mit In Situ Object Counting Systems (ISOCS)-Modellierung flächendeckende Zählratenmessung mit Maximum-orientierter Probenahme + Analytik (γ-spektrometrie, α-spektrometrie, α/β-gesamtzählung, (Ultra-)Low-Level-Strontium- Analytik, ICP-MS, Flüssigszintillationsspektrometrie) OFK-Messung; bei Aktivierung keine Direktmessung OFK mittels Wischtest Folie 5

6 typische Nuklide aktivierter Komponenten typische Aktivierungsnuklide (Aufzählung ohne gezielt erzeugte Aktivierungs-produkte der Nuklearmedizin): H-3, C-14 Cl-36 Mn-54, Fe-55 Co-57, Co-58, Co-60 Ni-63, Zn-65 Ag-110 Ba-133, Eu-152, Eu-154, Eu-155 W-181, Os-191 ausschließlich gammaempfindliche Verfahren sind zur Herleitung des Nuklidvektors nicht ausreichend Kombination mit anderen Verfahren, vorzugsweise Probenahme + Laboranalytik Folie 6

7 Ermittlung der Aktivitätsverteilung Im Vorfeld Bestimmung OFK mittels Wisch- oder Kratzprobenahme Grad der Aktivierung ändert sich mit zunehmender Tiefe im Material Aktivierung ist abhängig von Art und Energiespektrum der Strahlung, die die Aktivierung hervorruft, vorliegender Materialart (Mikrokomponenten!) Entfernung und Ausrichtung zur Strahlenquelle Kenntnis des früheren Einbauorts des Teils hilfreich Aktivierungsmaximum oberflächennah oder in der Tiefe des Gegenstandes Bei Vorhandensein mehrerer Teilchenquellen oder beweglichem Einbau des Teils: Überlagerung einzelner Aktivierungsprozesse über die Eindringtiefe komplexe Aktivierungsverteilung mit ggf. mehreren Aktivierungsmaxima Herausforderung Beschleunigerteile: Betriebsparameter wie bspw. Strahlstrom, Energie des Strahls, Betriebsstunden ungenau dokumentiert Folie 7

8 Ansätze der Freigabebewertung Mögliche Ansätze bei der Freigabebewertung 1) Bewertung des Freigabeobjekts mit dem höchsten innerhalb einer Mittelungsmasse ermittelten Wert der spezifischen Aktivität geringer Aufwand Überschätzung der Aktivität oftmals Freigabefähigkeit nicht nachweisbar, oder es muss ein schlechterer Freigabepfad beschritten werden 2) Ermittlung der Aktivierungsverteilung im zu betrachtenden Volumen im Vorfeld entweder komplexere Berechnungsverfahren oder umfassendere Probenahmen nötig deutlich größerer Freigabeerfolg gegenüber 1) durch geringe Überschätzung der Aktivität Folie 8

9 Beispiel 1: Universitäts-Protonen-Therapie Dresden Messingkollimatoren aus Protonentherapie Strahlenergien bis 225 MeV Bestrahlungsbedingungen bekannt grundsätzliche Materialzusammensetzung bekannt Berechnung Aktivierungsprodukte Beprobung das Bestrahlungsspektrum abdeckender Kollimatoren, Laboranalyse Bildung Nuklidvektor Nuklid Anteil Cr-51 0,2 % Mn-54 5,2 % Fe-55 6,7 % Fe-59 0,3 % Co-56 6,3 % Co-57 27,6 % Co-58 26,3 % Co-60 1,4 % Zn-65 26,2 % Anwendung Abschneidekriterium StrlSchV Anhang IV Teil A 1. e) Aber Frage: Wie umgehen mit kleinsten Aktivitäten? 2. Abschneidekriterium erforderlich! Folie 9

10 Beispiel 1: Universitäts-Protonen-Therapie Dresden Freimessanlage: experimentelle Ermittlung der verwendbaren Kalibrierung an einschichtig mit Kollimatoren belegte Box Ermittlung konservativ abdeckendes Kalibriernuklid Ermittlung konservativ abdeckendes Kalibriermodell ( Geometriemodell ) Zielstellung: Kalibriernuklid + Geometriekalibrierung minimal konservativ Geometriekalibrierung Durchführung Vergleichsmessungen zw. Punkt- und (volumen-)homogener Kalibrierung zwischen verschiedenen (volumen-)homogenen Kalibrierungen Unterschied Kalibrierfaktoren nur ca. 10 % Folie 10

11 Beispiel 1: Universitäts-Protonen-Therapie Dresden Auswahl Kalibriernuklid Vergleich Gammaquantenausbeute (aus dem Nuklidvektor der Kollimatoren resultieren 1,02 γ-quanten pro Zerfall) unter Vernachlässigung der Energieabhängigkeit der Nachweiswahrscheinlichkeit Vergleich der mit verschiedenen Kalibrierungen ermittelten Aktivitäten Auswahl Cs-137+ als Kalibriernuklid energetische Ähnlichkeit zum Median des Zerfallsenergien des Nuklidvektors Quantenemission Cs-137+ mit 0,97 γ-quanten pro Zerfall vergleichbar relative Aktivität 4 % vergleichbar zu der des Ba-133 Nuklid Anzahl γ pro Zerfall Co-60 2,00 Cs ,97 Ba-133 2,55 Eu-152 2,19 Nuklid relative Aktivität Co % Cs % Ba % Eu % Messung der Kollimatoren in homogener Kalibrierung mit Kalibriernuklid Cs-137+ Folie 11

12 Beispiel 1: Universitäts-Protonen-Therapie Dresden Durchführung der Freimessung durch Verfahrenskombination Ermittlung Tomogramm der Aktivitätsverteilung mittels Freimessanlage; ggf. zusätzlich oder substituierend Fluenzmessungen mittels tragbarer γ-empfindlicher Monitore ggf. Entnahme auffälliger Kollimatoren (Aktivitätsmaxima im Tomogramm) Überprüfung des Nuklidvektors durch Gammaspektrometrie am Gebinde Freigabe auf Basis des γ-gesamt-messergebnisses der Freimessanlage unter Nutzung der eingangs beschriebenen Kalibrierung Durchführung der Freimessung unter Nutzung etablierter Freimessverfahren sehr hohe Prozesssicherheit gute Wirtschaftlichkeit hohe zeitliche Anfangsinvestition in Methodik rechnet sich Wiederverwendung der Kollimatoren Folie 12

13 Beispiel 2: Teile medizinischer Elektronenbeschleuniger MLC von unten Beschleunigerteile Beschleunigerrohr mit Driftelementen MLC von oben Folie 13

14 Beispiel 2: Teile medizinischer Photonenbeschleuniger Vorgehensweise wichtige Eingangsbedingung: Zerlegung massiver Teile die (in ihrer Lage weitgehend bekannten) Aktivierungsmaxima dürfen keiner Vollabsorption unterliegen Vorgehensweise grundsätzlich vergleichbar zu den o. g. Messingkollimatoren: Ausschluss Oberflächenkontamination Ermittlung Aktivitätsverteilung bei Unsicherheit Nuklidvektor: Probenahme + Laboranalytik sofern es sich um PVC-haltige Kunststoffteile handelt: Cl-36-Analytik erforderlich Entscheidungsmessung mittels In-situ-Gammaspektrometrie; Vorteile gegenüber Freimessanlage: komplexe Geometrien modellierbar Detektorposition gegenüber Messobjekt variierbar flexible Reaktion auf verschiedene Nuklidgemische möglich Folie 14

15 Beispiel 3: Teile von Forschungsbeschleunigern des HZDR, hier: Abschirmelemente aus Blei HZDR HZDR Folie 15

16 Beispiel 3: Teile von Forschungsbeschleunigern, v. a. Blei Problem elementares Blei ist mechanisch instabil (abreibbar) chemische Kontamination (Giftigkeit) Bleisteine liegen daher in Legierungen vor Antimon ist häufiger Zuschlagstoff in Blei durch n-γ-reaktionen Bildung von vor allem Sb-122 und Pb-203 (aber beide kurze HWZ) Sb-124 ist bedeutsam, da 60 d HWZ Bei Messung vor Ort: Beeinflussung des Messergebnisses durch Aktivierungsprodukte umgebender Teile (Metalle v. a. Mn-54, Co-60, Hämatitbeton v. a. Mn-54) Folie 16

17 Beispiel 3: Teile von Forschungsbeschleunigern, v. a. Blei Vorgehensweise Ermittlung Oberflächenkontamination Ermittlung Aktivitätsverteilung über die Fläche (Fluenzmessung mit γ-empfindlichen OFK-Monitoren) zur Erfassung des Homogenitätsgrades Probenahme + Laboranalytik zur Bestimmung Nuklidvektor Es kann je einen Nuklidvektor für die Aktivierung und die Oberflächenkontamination geben! Messung in Freimessanlage nicht ohne Weiteres möglich (fehlende Kalibrierung, schwer fassbare Selbstabsorption), daher Entscheidungsmessung mittels In-situ- Gammaspektrometrie Folie 17

18 Zusammenfassung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bitte stellen Sie Ihre Fragen! Folie 18