Tecnologie Nucleari nell’Industria e Ricerca

Tecnologie Nucleari nell’Industria e Ricerca

Tecnologie nucleari sono ora utilizzate di routine

nell’industriza per ottimizzare i processi, risolvere problemi, migliorare la qualita’ dei prodotti, risparmiare energia

e ridurre l’inquinamento.

I settori principali di impiego sono:

- L’industria chimica e petrolchimica.

- Industra di trasformazione prodotti minerali e metallurgica.

- L’industria cementifera

- Installazioni di purificazione delle acque

Le tecnologie nucleari utilizzano la radiazione e i radioisotopi.

Si possono individuare 4 categorie principali di utilizzo:

Applicazioni di tracer: materiali possono essere taggati con un minimo ammontare di radioisotopi per permettere di essere seguiti e controllati

Materiale modifica la radiazione: misurando la variazione di intensita’ si puo’ risalire alle proprieta’ del materiale

Radiazione modifica materiale: attraversando la materia la radiazione produce

ionizzazione o cambia i legami elettronicii dei materiali, alterandone le proprieta’ fisiche e chimiche

Energia dalla radiazione: l’energia rilasciata dal radionuclide nel decadimento e’

trasformata in energia termica qundo e’ assorbita dal materiale

Il goal della moderna industria e’ di produrre prodotti di qualita’, piu’ economici possibili usando tecniche che riducano l’impatto con l’ambiente.

Le tecniche nucleari sono impiegate per

- ottimizzare

- diagnosticare

- esaminare

- analizzare

- trattare

- valutare

Ottimizzazione e controllo impianti industriali

Principalmente dipende dalla misura di partametri chiave, che forniscono dati per sofisticati programmi di controllo e diagnosi dei processi.

Una ampia gamma di “regoli nucleari” sono stati sviluppati per acquisire dati per gli impianti industriali.

Esempi includono misure di:

- livelli e densita’ di materiali in silos e condotte - spessori di fogli e rivestimenti

- l’ammontare di quantita’ e proprieta’ di materiali su nastri trasportatori

I regoli consistono generalmente di due piu’ sorgenti di radiazione ed un sistema di rivelatori ottimizzati per le misure di interesse.

L’output e’ in tempo reale e quindi puo’ essere usato per controllo, ottimizzazione e diagnostica

I regoli sono montati esternamente all’apparato e quindi non “disturbano”.

Diagnosi dei problemi nelle operazioni degli impianti

La tecnica dei “traccianti radioattivi” e’ comunemente usata per studiare

i punti deboli nelle operazioni di un impianto, es: per studiare perdite di efficienza, individuare perdite nelle pipeline, negli scambiatori di calore, nel flusso etc.

Questo e’ un approccio “sperimentale” a cui ultimamente si e’ aggiunto l’uso massiccio di modelli matematici che per la loro validazione utilizzano la tecnica die traccianti.

Test e ispezione di materiali

L’uso della radiografia e tomografia in ambito industriale e’ diventata pratica diffusa perche’, con le recenti tecniche di data processing, e’ possibile ispezionare manufatti in 2D e 3D senza distruggerli.

Analizzare la composizione e struttura dei materiali

La conoscenza della composizione, struttura e compatibilita’ di materiali e’ spesso richiesta nella fase progettuale di un impianto industriale.

Tecniche basate sulla attivazione neutronica , fluorescenza dei raggi X sono impiegate per l’analisi di elementi, mentre si sono sviluppati metodi basati su raggi X, elettroni e neutroni per studi di strutture e compatibilita’.

Modificazione e sintesi di materiali

Il passaggio di radiazione ionizzante attraverso la materia porta a cambiamenti chimici e fisici, sfruttabili industrialmente. Fasci intensi di radiazione sono anche impiegati nella sterilizzazione, es. di prodotti medicali o prodotti deperibili.

Applicazioni ambientali

Radioisotopi sono usati per studiare il trasporto di contaminanti attraverso l’ecosistema terrestre e marino

Processi fisici della radiazione, carica e neutra, utilizzati nell’industria :

- Emissione

- Attenuazione

- Cessione di Energia - Penetrabilita’

- Scattering

- Diffrazione

I raggi gamma trovano molte applicazioni per la facilita’ con cui sono rivelati, infatti basta un rivelatore, ad esempio un cristallo NaI(Tl) ed un DAQ.

I raggi gamma, come anche i neutroni, essendo particelle neutre penetrano nei materiali e viaggiano per linee rette tra due urti. L’attenuazione della

radiazione neutra e’ un fenomeno impiegato in molte applicazioni industriali.

Da ricordare:

- coefficiente di attenuazione lineare o coefficiente di interazione totale lineare e’ la probabilita’ di interazione per unita’ di lunghezza di cammino.

€

µ

_t

(E) = µ

_i

i

∑ ^{(E )}

L’intensita’ di un fascio parallelo di particelle neutre I0 [cm^-2s-1] nell’atttraversare un materiale diminuisce con una legge esponenziale

Attenuazione

Se la sorgente non e’ collimata si introduce un termine di build up, B, per tener conto che i gamma diffondono estesamente nel materiale

€

I(x) = BI₀e^−µtx

€

I(x) = I

₀

(0)e

^−µtx

€

I(x ) = BI₀e^−µtx

€

µ_i [cm^-1] coefficiente di attenuazione lineare

- la distanza media che una particella percorre prima di un urto - la probabilita’ di interazione tra x e x+dx e’:

€

p( x)dx = P (x)P(dx) = µ

_t

e

^−µtx

dx

€

x = xp(x)dx = µ

_t

xe

^−µtx

0

∞

∫ ^{dx =} _µ ¹

0 t

∫

∞ Lunghezza di libero

cammino medio

- “half-thikness , x1/2“ : spessore di un materiale che dimezza l’intensita’ della radiazione

€

1

2 = I(x

_1/2

)

I(0) = e

^−µtx1/2

da cui si ricava x

_1/2

= ln2 µ

_t

€

P (x) = e

^−µtx

- La probabilita’ media che una particella NON interagisca lungo un cammino x e’:

€

µ_i / ρ = µ [cm² / g] coefficiente di attenuazione di massa

€

I = I₀e^−µρL = I₀e^−µx con x = ρL

indipendente dalla densita’

€

µ =N_aσ A

Energy loss

Il meccanismo base per la perdita di energia di una particella carica

e’ l’interazione coulombiana tra la particella e gli elettroni del mezzo Una particella pesante attraversando materia perde energia principalmente via ionizzazione ed eccitazione degli atomi

Stopping Power

La rate lineare media della perdita energia di una particella carica in un mezzo (MeV cm-1) e’ di importanza fondamentale nella fisica della radiazione.

stopping power -dE/dx, relazionato al Linear Energy Transfer

La quantita’ di tracer dipende sia dalla sensitivita’ della strumentazione usata per rivelare il tracciante, sia dalla diluizione cui va incontro il tracciante

L’uso di isotopi stabili o radionuclidi facilmente rivelabili per segnare ( tag) o etichettare certe quantita’ di materiale permette di seguire il materiale taggato nella sua evoluzione.

I radioisotopi usati per taggare sono detti tracer Applicazioni di traccianti

I radionuclidi sono traccianti ideali perche con pochi atomi si e’ in grado di identificarli nel campione in cui sono stati immessi.

Il CR di un radionuclide di half-time T1/2 puo’ essere rivelato da un rivelatore di efficienza epsilon come

€

CR = ελN = εln2 T_1/2

Il CR deve essere maggiore di un CRmin che sia sopra il CR di fondo , quindi il minimo numero di atomi necessari di tracer nel campione per rivelarlo deve essere

€

N_min =CR_minT_1/2

ε ln2 atomi

Se il radionuclide ha peso atomico A, la massa minima di radionuclide nel campione deve essere

€

M_min = N_min / (N_a/ A) oppure M_min =CR_minT_1/2A

N_aε ln2 grammi

Le applicazioni principali del metodo dei traccianti riguardano:

- Rivelazione di perdite in complessi sistemi di canalizzazione di fluidi o gasdotti

- Individuazione dei fluidi nelle pipeline, quando piu’ produttori usano stesse pipeline

- Individuazione dello spread di fluidi in ambienti, es. correnti marine, dispersione di polluanti nell’aria, dispersione di sabbia sulle coste, flusso di gas attraverso filtri

- Misure di rate di flusso, ad es. col metodo metodo peak to peak

- Misure di volume, mediante la misura di diluizione del tracciante

Nucleonic gauges

Un Nucleonic Gauge ( calibro nucleonico) consiste di una sorgente (o piu) di radiazioni, neutre o cariche, fissata in relazione geometrica spaziale con uno o piu’ rivelatori di radiazione.

La maggior parte dei Nucleonic Gauges ( calibri nucleonici) sono basati su semplici tecniche nucleari.

Natural gamma ray techniques : utilizzano la correlazione tra l’intensita’ di emissione misurata in una o piu’ finestre di energia di un particolare nuclide e la sua concentrazione nel campione.

Analizzando il campione, ad esempio contenente isotopi, con un rivelatore di gamma ed un multicanale, dalla intensita’ del segnale si risale alla concentrazione.

Trasmissione: In questa configurazione di gauge la parte da misurare viene inserita tra la sorgente ed il rivelatore, cosicche’ il fascio di radiazione e’ trasmesso

attraverso il mezzo.

La radiazione ( gamma o beta) viene attenuata prima di raggiungere la parte sensibile del rivelatore.

La sorgente ed il rivelatore debbono essere collimati. L’intensita’ misurata sara’ funzione di parametri caratteristici del materiale.

Dual energy gamma-ray transmission (DUET): Questa tecnica e’ la piu’

comune per la misura sul nastro trasportatore delle ceneri nel carbone.

Il contenuto e’ determinato dalla misura della trasmissione attraverso il carbone di uno stretto fascio di raggi gamma di bassa e alta energia.

L’assorbimento dei gamma di bassa energia dipende dal contenuto di cenere, dovuto al numero atomico maggiore di quello del carbone e dalla massa

per unita’ di area del carbone.

L’assorbimento dei gamma di alta energia dipende praticamente solo dalla massa per unita’ di area del carbone nel fascio.

Il contenuto della cenere e’ determinata dalla combinazione delle misure della intensita’ attenuata dei due fasci

Backscattering:

Una frazione della radiazione, se l’angolo di scattering e’ maggiore di 90, verra’ scatterata all’indietro al punto di emissione.

L’energia dei gamma dallo scattering Compton dipende dall’angolo

€

E^;= E

1+ [(1− cos(π − ϑ ) / 2)]E / m_e

Il count rate nel detector e’ aspettato cambiare con lo spessore

€

C = K(1− e^{−(µ−µ;)t})

Per i calibri di livello sono importanti:

- l’energia dei raggi gamma

L’energia deve essere tale da penetrare attraverso le pareti del contenitore e al tempo stesso avere una intensita’ che si attenuarsi in modo sensibile.

l’ottimo si ha per

€

µ_t• d = 1, essendo d lo spessore del materiale lungo il fascio

- il tempo di dimezzamento deve essere abbastanza lungo (>= anni), es. 60Co, 137Cs, il 241Am sono molto impiegati perche’ le energie sono anche ben conosciute.

- l’attivita’ della sorgente

L’attivita’ della sorgenete deve essere tale da non richiedere uno schermo eccesivo e contemporaneamente deve essere intensa sufficinetemente da permettere un pronta risposta alle variazioni di intensita’, con un minimo di errore,

Calibri di densita’

I calibri di densita’ servono a misurare la densita’ del materiale interposto tra la sorgente e il rivelatore, misurando l’ATTENUAZIONE di un fascio collimato di raggi gamma.

€

I

_t

= I

₀

e

^−µmρt

con

€

µ_m (cm2/g) coefficiente di attenuazione di massa, con

€

µ_m=µ_l / ρ, essendo

€

µ_l (cm-1) e

€

ρ (g/cm3) la densita’.

I calibri di densita’ differiscono da quelli di livello, perche’ questi ultimi sono in pratica dei on/off switches, per la densita’ necessario misurare differenze d ~0.1%, quindi necessari:

- fascio ben collimato

- energia e intensita’ raggi gamma ben calibrate Per ridurre al 50% l’intensita’ , It=0.50 I0,

il range dei raggi gamma nel campione deve essere

€

t

_50%

≈ 0.693 / µ

t

≈ 0.693 / (µ

l

/ ρ

_av

)

Radiotracer Residence Time

Il concetto di residence time distribution (RTD) e’ diventato un importante strumento per l’analisi di unita’ industriali ( e non) e reattori.

Questo metodo consiste in un comune metodo impulso-risposta: iniezione di un tracer in un ingresso di un sistema e registrazione del tempo di risposta C(t) all’uscita.

Un impulso stretto del tracer e’ iniettato a monte del vessel ed un rivelatore e’

messo ad un punto di riferimento per il tempo zero. Un secondo rivelatore conta il passaggio del tracer a valle

La funzione RTD

€

E(t) = C(t) / C(t)dt

0

∞

∫

essendo C(t) la concentrazione del tracer all’uscita.

La RTD e il tempo medio di residenza MRT sono parametri che dipendono sia dal flusso che dalla qualita’ del prodotto.

Il significato di MRT(

€

τ) e SD hanno la seguente interpretazione in relazione al sistema:

- MRT e’ direttamente relazionato al rate del flusso Q e il volume effettivo del flusso V del sistema

€

τ = V(Q)

con V=volume effettivo del sistema, Q=costante, rate del flusso volumetrico.

SD ( deviazione standard di MRT) caratterizaz la rate di mescolamento di un dato mezzo nel sistema. In caso di mancanza di mixing SD=0. Piu’ alta e’ la rate di mixing,

maggiore il valore di SD. Per un mixin perfetto E(t) e’ una funzione esponenziale.

Radiografia e tomografia computerizzata (CT)

Radiografia con gamma ray e’ una importante applicazione industriale degli isotopi.

E’ impiegata per monitorare la struttura interna dei manufatti e controllare l’integrita’

ad es. delle saldature.

Misure tomografiche si possono iottenere usando differenti sensori come, raggi X, raggi gamma, neutroni, ultrasuoni, microonde.

La tomografia gamma e’ basata sulla misura dell’attenuazione in diverse direzioni attraverso l’oggetto, di un dato spessore.

L’intensita’ della sorgente deve essere calibrata al fine di avere una immagine con sufficiente risoluzione da distinguere i particolari di interesse.

GENERALMENTE 50% di trasmissione del fascio e’ l’ottimale. Le sorgenti piu’ usate sono:

90Co, 137Cs e 192Ir.

La CT gamma permette di misurare la distribuzione spaziale del materiale dalle proprieta’ di attenuazione dei singoli punti dello spazio.

La tomografia computerizzata (CT) e’ una estensione della CT sviluppata a partire dagli anni 80 per la diagnosi medicale. Pratica comune nell’industria.

I principi della CT sono basati sull’equazione dell’attenuazione dei raggi gamma nel materiale

€

ln(I

₀

/ I

_t

) = µ

_t

Δt = µ

_t1

Δt

₁

+ µ

_{t 2}

Δt

₂

+ ⋅ ⋅⋅⋅ µ

_ti

Δt

_i1

Radiazione beta

Le interazioni dei raggi Beta con la materia e’ principalmente l’interazione Coulombiana.

Il range di elettroni monoenergetici, dipende da energia degli elettroni e dalla densita’

(g/cm3) del materiale.

Dato il corto range, la loro attenuazione e’ usata per misurare spessori di carta, gomma e plastica.

Le sorgenti Beta commerciali piu’ usate sono: 85Kr (T1/2= 10.73 y, Emax=672 KeV), 147Pm (T1/2= 2.62 y, Emax=225 KeV)