A computational method for assessing the dose due to chronic release of radioactive air : a hadron therapy facility case study

In the last decades, the use of particle accelerators for the treatment of tumours has undergone a relevant development. These complex machines, originally built for Physics research, are used for irradiating tumour masses with energetic protons and ions. The practice is known as hadron therapy. Operating medical accelerators represents a complex task, characterised by a strong interconnection of professionals and expertise. In this context, a careful design phase and continuous monitoring of every segment of the treatment line must ensure rigid and effective safety measures. Among these, the control of radioactivity is extremely important. In fact, particle beams inevitably collide with accelerator and treatment hall structures, producing radiation fields that represent a potential hazard for exposed workers and patients. In this framework, the present M.Sc. thesis is focused on one aspect of radiation protection at hadron therapy facilities: air activation and management. As said, when particle accelerators are run and treatments are performed in the dedicated rooms, several nuclear reactions are responsible for the production of radioactive isotopes, which must be removed to maintain indoor air safe from a radiologic viewpoint. After filtration, radioactive air is ultimately discharged into the atmosphere. The process, known as chronic release, may be a source of dose to the population and must be carefully assessed. For this purpose, in this work, a generic computational method for assessing the dose due to chronic release of radioactive air in the surrounding area of a hadron therapy facility is proposed. The transport of contaminants in the atmosphere is addressed using the Gaussian Plume Model, a physical model which has been extensively discussed and applied in the literature. In particular, this model is used inside two toolbox codes (HotSpot and GENII V2.10) certified by the Department Of Energy of the United States of America, whose algorithm for dose computation is here analysed, highlighting major assumptions and limits, mainly related to radiation transport. The Monte Carlo transport code FLUKA is introduced as a possible solution for exhaustively addressing this physical phenomenon. Hence, the Gaussian Plume Model is implemented in a user-written source routine and tested in several ways, including a comparison of its performance with HotSpot and GENII V2.10 in a generic scenario. In the successive development of the work, dose calculations are produced for Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) – the hadron therapy facility considered as a case study. Estimates of the annual airborne activity generated and then released into the atmosphere are given under a conservative approach. Local meteorological data is gathered from two weather stations to obtain information about the annual wind rose and the state of stability of the atmosphere, two factors that affect the dispersion of radioactive contaminants. The inhalation dose is calculated using GENII V2.10. Realistic activation data and the user-written source routine implementing the Gaussian Plume Model are used to produce submersion dose estimates in a two-step computational method. Firstly, a FLUKA simulation of the stochastic radiation transport due to the radioactive plume is completed; secondly, a MATLAB code allows weighting the dose in each compass direction on the base of the corresponding wind frequency, thus taking into account the variability that wind itself introduces in the dispersion of contaminants. In all the steps, the code is designed to be flexible and easily reusable. Results of the case study depict a reassuring situation, in which the submersion dose rarely exceeds some hundreds of nanosievert per year with the only exception of the first metres around the emission point. There, several factors contribute to a higher degree of uncertainty of the evaluations. In this regard, a critical discussion about the approximations made is given, together with some hints about future developments of the overall work.

Negli ultimi decenni, l’uso degli acceleratori di particelle per il trattamento dei tumori ha subito un grande sviluppo. Queste complesse macchine, originariamente nate per scopi di ricerca nell’ambito della Fisica, sono sfruttate per irraggiare le masse tumorali con protoni e ioni estremamente energetici. Questa pratica è nota con il nome di adroterapia. La gestione degli acceleratori medicali è sicuramente complessa e caratterizzata da una forte interconnessione di figure professionali e conoscenze diverse. In questo contesto, un’attenta fase di progettazione e il costante monitoraggio di ogni segmento della linea di cura devono garantire rigide ed efficaci misure di sicurezza. Tra queste, il controllo della radioattività è estremamente importante. Infatti, i fasci di particelle accelerate collidono inevitabilmente con alcune strutture degli acceleratori e delle sale di trattamento, producendo dei campi di radiazione che rappresentano un potenziale fattore di rischio per lavoratori e pazienti esposti. In questo quadro teorico, la presente tesi magistrale è focalizzata su un aspetto della radioprotezione nei centri di adroterapia: l’attivazione dell’aria e la sua gestione. Come anticipato, quando gli acceleratori di particelle sono in funzione o si svolgono i trattamenti adroterapici nelle sale dedicate, alcune reazioni nucleari sono responsabili della produzione di isotopi radioattivi, i quali devono essere rimossi per mantenere l’aria all’interno dei locali sicura da un punto di vista radiologico. Dopo essere stata filtrata, l’aria radioattiva è espulsa nell’atmosfera. Questo processo, noto come rilascio cronico, può impartire dose alla popolazione e deve essere attentamente valutato. Per questo motivo, in questo lavoro si propone un metodo computazionale per calcolare la dose dovuta ai rilasci cronici di aria attivata nei dintorni di un centro adroterapico. Il trasporto dei contaminanti nell’atmosfera è descritto dal pennacchio gaussiano (Gaussian Plume Model), un modello fisico ampiamente illustrato e applicato in letteratura. In particolare, questo modello è usato in due software (HotSpot e GENII V2.10) certificati dal Dipartimento di Energia degli Stati Uniti d’America e il cui algoritmo per il calcolo della dose è qui analizzato, evidenziandone le ipotesi essenziali e i limiti connessi, principalmente riguardanti il trasporto della radiazione. Il codice Monte Carlo FLUKA è introdotto come possibile soluzione per trattare in modo completo questo fenomeno fisico. Di conseguenza, il pennacchio gaussiano è implementato anche in una sorgente FLUKA e il suo funzionamento è verificato in più modi, incluso un confronto con HotSpot e GENII V2.10 in uno scenario generico. Nel proseguimento del lavoro sono formulate delle stime di dose per un caso di studio riguardante il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO), il centro presso il quale questa tesi è stata svolta. Le valutazioni sulle quantità di radioattività generata in aria e successivamente scaricata in atmosfera sono svolte seguendo un approccio conservativo. I dati meteorologici locali sono raccolti da due centraline, al fine di ottenere informazioni riguardo alla distribuzione dei venti e lo stato di stabilità dell’atmosfera, due fattori che influiscono sensibilmente sulla dispersione aerea dei contaminanti. La dose da inalazione è calcolata con GENII V2.10. I dati realistici di attività e la sorgente FLUKA che implementa il pennacchio gaussiano sono usati per fornire delle valutazioni della dose da sommersione seguendo un metodo sviluppato in due fasi. In un primo momento vengono completate le simulazioni FLUKA che descrivono il trasporto stocastico della radiazione; successivamente, un codice MATLAB consente di pesare la dose in ogni direzione sulla base della corrispondente frequenza annuale con cui spira il vento, permettendo, perciò, di tenere conto della variabilità che il vento stesso introduce nella dispersione dei contaminanti. In tutti i passaggi, il codice è progettato per essere flessibile e facilmente riutilizzabile. I risultati del caso di studio ritraggono una situazione complessivamente rassicurante, in cui la dose da sommersione supera in rari casi le centinaia di nanosievert annuali, con l’unica eccezione dei primi metri attorno al punto di emissione. In quella zona, alcuni fattori contribuiscono a rendere più incerta la valutazione della dose. A questo proposito, è presentata una discussione critica delle approssimazioni compiute, insieme con alcuni cenni riguardo ai possibili futuri sviluppi del lavoro nella sua interezza.