Evaluation and criticality assessment of radiological source terms to be used for fire risk studies at accelerator facilities

Resumen

En un acelerador de partículas, la activación del material circundante es una consecuencia generalmente inevitable de las reacciones nucleares inducidas por la colisión de partículas de alta energía con los elementos que lo componen. La radiación residual emitida como resultado de esta activación es radiación ionizante, y por tanto su interacción con tejido biológico vivo puede ser dañina e incluso letal. Las instalaciones que contienen aceleradores de partículas pueden presentar a su vez desafíos en lo que respecta a la protección contra incendios debido a su alta complejidad y a los peligros radiológicos asociados. En caso de un incendio accidental que afectase a materiales activados, la determinación precisa del tipo y cantidad de radioisótopos que se podría liberar al medio ambiente como consecuencia de un evento de estas características es de suma importancia para estimar sus posibles consecuencias radiológicas. Por esta razón, se ha hecho patente la necesidad de evaluar la contribución de la llamada liberación de radioisótopos por difusión. Denominamos como liberados por difusión a aquellos radioisótopos inicialmente ubicados en la matriz de un sólido, que debido a su difusión potenciada térmicamente a través del mismo, llegan a la superficie del objeto que los contiene y logran escapar de él, siendo liberados al medio ambiente. En esta tesis doctoral diseñamos, implementamos y evaluamos SOLIDUSS, un código de simulación que se pueda utilizar para estimar de manera realista la contribución de este fenómeno de acuerdo a las características concretas de cada incendio e instalación. Utilizamos métodos Monte Carlo para simular la difusión y desorción de cualquier radioisótopo en cualquier material a través de geometrías arbitrariamente complejas y de acuerdo a mapas tridimensionales de temperatura proporcionados por el usuario. Para reducir el tiempo de computación, utilizamos métodos innovadores de procesamiento de resultados a la vez que optimizaciones adaptativas durante la ejecución del programa. El código de simulación fue validado mediante experimentos numéricos y físicos. Para la obtención de resultados con los que comparar las predicciones del programa, realizamos una campaña experimental sometiendo a altas temperaturas muestras activadas de Cu y Al, con Co-60 y Na-22 respectivamente. Los resultados de las simulaciones reproducen adecuadamente los experimentales. En el curso de este trabajo, hemos identificado varias expresiones analíticas que se pueden usar para estimar fácilmente la liberación de radioisótopos cuando consideramos escenarios simplificados. En particular, en aquellos casos en los que sea razonable asumir una temperatura uniforme dentro del objeto así como una concentración uniforme de radionucleidos. Por último, analizamos un escenario de interés con el objetivo de proporcionar datos cuantitativos sobre el impacto potencial de la liberación de radioisótopos por difusión. A la luz de los resultados obtenidos, podemos concluir que la contribución de este fenómeno al peligro radiológico generado por un incendio en una instalación con material activado puede tener una importancia considerable. Incluso si las fracciones de liberación son bajas en general, las emisiones pueden ser importantes en términos absolutos, ya que el fuego puede afectar a materiales altamente radiactivos.