L-54M nuclear research reactor decommissioning : assessment of graphite and concrete activation by MCNP6 approach

In 1979 the CeSNEF L-54M homogeneous nuclear research reactor of Politecnico di Milano was definitively shut down after 20 years of operation. Since then, decommissioning of the site started following the safe storage strategy in order to wait for reduction of the overall radioactivity. In 1994 the liquid fuel has been extracted from the core and properly disposed of while in 2001 the secondary case envelope, containing the stainless steel core and all the other components connected to it has been removed from the reflector graphite stack and positioned in the sub-pile chamber. During the last decades, a preliminary radiological characterization of the whole site has been made and a set of measurements on irradiated graphite and concrete has been carried out to help determining nuclear activation on both materials. In this master's thesis work, a Monte Carlo N Particle (MCNP) model of the reactor has been built and validated with the aim of predicting activation on the reflector graphite stack and on the heavyweight concrete biological shield. The estimated activity concentration values derived from different simulations for several radionuclides have been compared to preliminary experimental experimental measurements on samples collected directly from the irradiated materials inside the reactor pile. The aim of this work is to build an activation map of the whole reactor pile, focusing on the graphite reflector stack and on the concrete biological shield. This would help defining a nuclide vector in the next phases of the decommissioning and consequently reduce the number of radiochemical analysis to be carried out on irradiated samples. This study highlighted a good accordance between simulated and experimental values for the reflector graphite while for concrete several uncertainties and complications in the geometry and components implementation in the model resulted in a poor data coherency.

Nel 1979 il reattore nucleare omogeneo di ricerca L-54M del Politecnico di Milano è stato definitivamente spento dopo 20 anni di attività. Da allora, il Politecnico ha gestito l’impianto seguendo la strategia della custodia protettiva passiva, così da permettere la naturale riduzione della radioattività complessiva. Nel 1994 il combustibile liquido è stato estratto dal core, mentre nel 2001 il core e tutti gli altri componenti ad esso collegati sono stati rimossi dalla pila di grafite e posizionati nel sottopila. Negli ultimi decenni il Politecnico di Milano ha deciso di accelerare le operazioni di decommissioning al fine di rilasciare il sito nucleare privo di restrizioni radioprotezionistiche. A tal fine, è stata realizzata una caratterizzazione radiologica preliminare del suolo circostante l'intero sito nucleare. Inoltre, è stata condotta una campagna di misure radiometriche e radiochimiche sulla grafite irraggiata e sul calcestruzzo dello schermo biologico, al fine di determinare l'attivazione nucleare su entrambi i materiali. In questo lavoro di tesi, si è sviluppato un modello di simulazione Monte Carlo del reattore utilizzando il codice di calcolo MCNP (Monte Carlo N Particle), validato allo scopo di predire l'attivazione neutronica del riflettore di grafite e del calcestruzzo rinforzato dello schermo biologico. I valori di concentrazione di attività ottenuti attraverso diverse simulazioni per diversi radionuclidi sono stati confrontati con una serie di misure sperimentali condotte su alcuni campioni di materiale irraggiato. Lo scopo di questo lavoro è quello di costruire una mappa di attivazione dell'intera pila del reattore, rivolgendo l'attenzione prevalentemente al riflettore di grafite e al calcestruzzo rinforzato. Questo studio sarà di fondamentale aiuto per la creazione di uno scaling factor nelle fasi successive di decommissioning e consentirà di ridurre il numero di analisi radiochimiche, con relativi tempi e costi, da effettuare su campioni irraggiati. Per quanto riguarda la grafite, questo studio ha evidenziato una buona corrispondenza tra i risultati delle simulazioni e le corrispondenti misure sperimentali. Al contrario, per il calcestruzzo, le diverse incertezze e complicazioni nell'implementazione di geometrie e componenti complessi all'interno del modello hanno prodotto un minore accordo tra le due serie di dati.