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

Abstract

The European Organisation for Nuclear Research (CERN) is one of the largest scientific laboratories worldwide. Nowadays, mainly focused on high energy particle physics, it provides the scientific community with a unique range of particle accelerator facilities that are used by over 600 institutes and universities around the world. In such particle accelerator facilities, high energy particles end up almost inevitably impinging onto the surrounding material, inducing nuclear reactions. This often results in activation, which is the artificial induction of radioactivity in otherwise non-radioactive materials. Particles ejected in radioactive decays are part of the so-called ionising radiation, and their interaction with living biological tissue can have harmful and eventually lethal results. The CERN Radiation Protection group ensures that the personnel of the laboratory, the public and the environment are protected from potentially harmful effects of ionizing radiation linked to the organization’s activities. CERN is also a unique laboratory with respect to challenges related to fire protection. The complexity of the facilities and their radiological hazards often require dedicated studies to successfully prevent, mitigate and face potential accidental fires. To carry out these studies, the Occupational Health & Safety and Environmental Protection Unit of CERN launched the FIRIA project. Its aim is to develop an integrated approach to quantitatively assess potential discharges of radioactive substances induced by a fire accident. The accurate determination of the inventory of radionuclides released from activated materials as a consequence of fire is of the utmost importance in order to estimate the potential radiological consequences derived from such an event. This has revealed the need to evaluate the contribution of the thermally promoted out-diffusion of radionuclides. We refer as out-diffused to those radionuclides initially placed in the matrix of a solid, which due to thermally promoted diffusion reach the surface of the object that contains them and manage to escape from it, subsequently being released to the environment. The work presented here aims to meet the need for an accurate assessment of this phenomenon by designing, implementing and benchmarking a simulation software to realistically estimate the contribution of radioisotope out-diffusion for a wide range of possible fire scenarios.

La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) es uno de los laboratorios científicos más grandes del mundo. Actualmente, sus actividades se focalizan principalmente en la física de partículas de altas energías y proporciona a la comunidad científica una gama única de aceleradores de partículas que son utilizados por más de 600 institutos de investigación y universidades de todo el mundo. En estos aceleradores, partículas de alta energía colisionan casi inevitablemente con el material circundante, dando lugar a reacciones nucleares. Como consecuencia de dichas reacciones, materiales previamente estables pasan a ser radiactivos: a este fenómeno se le conoce como activación. Las partículas emitidas durante una desintegración radioactiva forman parte de la denominada radiación ionizante, y su interacción con tejido biológico vivo puede tener resultados dañinos e incluso letales. El grupo de Protección Radiológica del CERN se asegura de que el personal del laboratorio, así como el público y el medio ambiente estén protegidos de los efectos nocivos de las radiaciones ionizantes vinculadas a las actividades de la organización. En lo que respecta a la protección contra incendios, el CERN es también un entorno único. La complejidad de sus instalaciones y los peligros radiológicos asociados a ellas a menudo requieren de estudios específicos para prevenir, mitigar y hacer frente con éxito a posibles incendios. Para llevar a cabo estos estudios, la Unidad de Seguridad, Salud Laboral y Protección del Medio Ambiente del CERN lanzó el proyecto FIRIA, que tiene como objetivo desarrollar una metodología integral para evaluar cuantitativamente la posible liberación de sustancias radiactivas derivadas de incendios accidentales. La determinación precisa del tipo y cantidad (inventario) de radioisótopos provenientes de materiales activados 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. Es por esta razón que 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. El trabajo que aquí se presenta tiene como objetivo el diseño, implementación y evaluación de 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.