Study of gamma-ray transmission techniques for waste characterisation

In the framework of in situ gamma waste characterisation, a step of paramount importance is the setup efficiency calibration. Different detection systems, among which lays ISOCS (In Situ Object Counting System) used to perform this study, exploit numerical modelling to accomplish this task, reducing the need of calibration sources. The accuracy with which such calibration is performed, strongly depends on the operator ability to correctly simulate the sample. This operation results quite complex in case of sealed containers or, more in general, closed packages, that cannot be opened for further examination. This work aims at studying a sequence of gamma transmission techniques based on ISOCS, for the description of unknown waste properties. The reference sample of choice was a 110 litres steel drum. A source of 152Eu (79.97 kBq) was used to perform a multi-peak, gamma-ray transmission analysis on the drum content. The study begins focusing on an homogeneously distributed material and then proceeds on the simplified heterogeneous one, composed by a homogeneous matrix and a compact object inserted within. The activity was carried out experimentally and through simulations performed by using the Monte Carlo code Fluka 4. The studied methods allow evaluating the densities of the homogeneous components (both the entire content and the matrix alone) as well as recognising its composition (homogeneous case) or a list of possible candidates (heterogeneous cases). As observed, if a non-homogeneity is present, a purely rotational scan method does not allow a precise determination of the position of an heterogeneity. To overcome this issue a procedure similar to a first generation CT have been tested. In order to test this possibility, a numerical study was performed, in this last stage, only simulated data were used, showing encouraging results.

Nell’ambito della caratterizzazione di rifiuti radioattivi tramite spettroscopia gamma, la calibrazione in efficienza del sistema detector-misurando, ricopre un ruolo fondamentale. Diversi detector, tra i quali ISOCS (In Situ Object Counting System) usato in questo studio, sfruttano codici di modellazione numerica per svolgere tale calibrazione, limitando la necessità di ricorrere ad apposite sorgenti o fantocci. L’accuratezza con cui la calibrazione è portata a termine, è fortemente influenzata dall’accuratezza con cui il campione può essere simulato; in alcune circostanze tale operazione non è un compito facile, per esempio nel caso di contenitori sigillati, la cui natura del contenuto è incognita. L’obiettivo di questa tesi, è quello di studiare una serie di tecniche in trasmissione, compiute usando ISOCS, per indagare le caratteristiche di diverse classi di rifiuti. È stato scelto come campione di riferimento un barile di acciaio da 110 litri, comunemente usato per il trasporto di sorgenti radioattive, ed una sorgente di 152Eu di attività 79.97 kBq. La sorgente è stata usata per svolgere un’analisi in trasmissione multi-picco, nel caso di diversi contenuti. All’interno dello studio sono state considerate due classi di rifiuti, a seconda che il loro contenuto fosse distribuito omogeneamente o che comprendesse una non-omogeneità. I dati sono stati raccolti sperimentalmente e attraverso simulazioni Monte Carlo con il codice Fluka 4. I metodi analizzati permettono di valutare la densità delle regioni omogenee (sia nel caso dell’intero contenuto che della sola matrice), ma anche di determinarne univocamente la composizione (nel caso omogeneo) o fornire una lista di possibili candidati (caso eterogeneo). Qualora fosse presente una non-omogeneità, una scansione effettuata attorno all’asse non permetterebbe di risalirne con precisione al posizionamento. Per risolvere questo problema è stata testata una ricostruzione tomografica (CT) semplificata. Per quest’ultima tecnica, sono stati utilizzati esclusivamente i dati raccolti delle simulazioni, ottenendo risultati soddisfacenti.