METODOLOGIE DIAGNOSTICHE NUCLEARI
FIS.MET
Enrico Cupini
18/12/2003
Obiettivo
Sviluppo e applicazione di tecniche teoriche, sperimentali e computazionali per l’analisi e la diagnostica di materiali d’interesse in campo tecnologico e ambientale
Linee di attività
-Tecniche spettroscopiche per l’analisi e la diagnostica di materiali di interesse strategico
Tecniche di spettroscopia neutronica Tecniche di spettroscopia positronica
-Tecniche diagnostiche radiometriche per problemi di salvaguardia ambientale
- Metodologie di calcolo per l’analisi di sicurezza degli impianti radiogeni
Altre Linee
Beni culturali; Diagnostica atmosferica e marina; Medicale
La spettroscopia neutronica (neutron scattering) si basa
sull’utilizzo di fasci collimati di neutroni termici (E < 25 meV). Essa si avvale di due tecniche fondamentali: la diffusione neutronica a piccoli angoli e la diffrazione
Il suo vasto impiego in scienza dei materiali (in particolare la metallurgia) è dovuto principalmente al fatto che essa consente:
Analisi non-distruttive
Lo studio di materiali magnetici La caratterizzazione di effetti legati alla composizione chimica (es. Fe-Cr negli acciai) e alla presenza di H
Spettroscopia Neutronica
Diffusione Neutronica a Piccoli Angoli (Small-Angle Neutron Scattering: SANS)
Attraversando un campione contenente disomogeneità un fascio di neutroni “freddi” viene diffuso in prossimità della direzione originaria
Dalle caratteristiche del fascio diffuso si può risalire alla microstruttura del materiale
Diffrazione neutronica Si basa sulla legge di Bragg e consente la risoluzione di strutture cristallografiche e la misura di tensioni residue in componenti tecnologici
ANALISI SANS DI ACCIAI PER IMPIEGHI NUCLEARI (ADS, FUSIONE)
T=1075°C T=1180°C
Mediante la diffusione neutronica ai piccoli angoli è possibile seguire negli acciai martensitici la dissoluzione di fasi ricche in Cr, che determinano la resistenza all’infragilimento da radiazione: tali fasi, presenti nel materiale trattato a 1075°C, si dissolvono alla temperatura di 1180°C
Applicazioni in ENEA
Attrezzature
Reattore ad alto flusso presso l’Institute Laue-Langevin (ILL) di Grenoble
Attività recenti
Studio degli effetti microstrutturali del danno da radiazione negli acciai e delle tensioni residue in saldature e giunzioni (FUS)
Analisi cristallografiche di nuovi materiali per celle a combustibile e per la tecnologia dell’idrogeno (IDROCOMB)
Studio di nanopolveri di silicio per dispositivi optoelettronici (FIS.LAS)
Realizzazione presso ILL Grenoble di sistemi di rivelazione innovativi per sorgenti neutroniche avanzate e per ottimizzazione della tecnica SANS (prototipo multirivelatore SANS ad alta risoluzione temporale)
Il doppio affinamento di Rietveld rivela la presenza della fase MgO e consente
di chiarire il ruolo del Mg sostituzionale nel miglioramento delle prestazioni
LiCo0.95Mg 0.05 O2MgO
Misure di diffrazione neutronica su polvere di LiCoO2 drogata con Mg per celle a policarbonati fusi (in collaborazione con IDROCOMB)
Prospettive
Studio degli effetti microstrutturali del danno da radiazione negli acciai e delle tensioni residue in saldature e giunzioni (ADS)
Estensione delle attività ai biomateriali e alla biologia molecolare (BIOTEC)
Applicazioni a tematiche di diretto interesse industriale
Collaborazioni
ILL - Grenoble
ETH - Zurigo
FZ - Karlsruhe
LLB - Saclay
PSI - Villingen
Facility sperimentali ILL Grenoble
Vista dello strumento D22 presso ILL Grenoble
Schema del nuovo rivelatore in fase di sviluppo presso ILL-Grenoble ed un suo elemento
Laboratorio SpettroscopiaPositronica
Spettroscopia Positronica • E’ un insieme di tecniche sperimentali che utilizzano i positroni come sonda per indagare le proprietà elettroniche e la nanostruttura dei materiali
• I positroni (e+) annichilano con gli elettroni (e-) dei materiali analizzati, la radiazione di annichilazione porta con sé le informazioni sulla porzione di materiale (sito di annichilazione) in cui il positrone si è fermato
• Le informazioni ottenibili sono di fondamentale importanza per comprendere i meccanismi che sono alla base di molte caratteristiche macroscopiche dei materiali e del loro comportamento (ad esempio proprietà meccaniche nei metalli, proprietà ottiche ed elettroniche nei semiconduttori)
Laboratorio SpettroscopiaPositronica
Applicazioni in ENEA
Attrezzature Spettrometro 2D-ACAR per misure di correlazione angolare dei fotoni di annichilazione. Sistema di spettrometria Doppler in coincidenza (CDB) e di misura del tempo di vita dei positroni (Lifetime)
P C (M C A )
S o u rce + S am p le
e -e- +
D E T
D W
D E T
D W Tim in g F ilte rA re th e 2
in co in c id en ce?
Energy window(512 eV) GATE
YESE 1
S to re (E ,E )1 2
Energy window(512 eV)
E 2
1 2
Schema misura
2D-ACAR(2D-Angular Correlation of Annihilation Radiation)
Diagramma spettrometro CDB
(Coincidence Doppler Broadening)
Attività recenti
Misure su silicio poroso e valutazione degli effetti anomali osservati nella cinetica di invecchiamento in leghe leggere commerciali (es. Al-Cu-Mg)
Studi sulle relazioni tra struttura elettronica e proprietà magnetiche di composti intermetallici a base di terre rare
Analisi proprietà elettroniche di superconduttori (anti)ferromagnetici
Laboratorio SpettroscopiaPositronica
Prospettive
Realizzazione e analisi di leghe leggere nanostrutturate
Studio delle proprietà magnetiche di composti intermetallici a base di terre rare
Analisi di polimeri strutturalmente orientati
Collaborazioni
Politecnico di Milano e Università di Cagliari
Università della California (Riverside), di Bristol e di Hong Kong
Accademia Polacca Wroclav
CSIRO-Melbourne
Laboratorio SpettroscopiaPositronica
Laboratorio Spettroscopia PositronicaFossatone di Medicina (Bologna)
Hall spettrometro 2D-ACAR
Laboratorio SpettroscopiaPositronica
Laboratorio Spettroscopia PositronicaFossatone di Medicina (Bologna)
Particolare del magnete del sistema 2D-ACAR
Particolare di uno dei rivelatori position sensitive
Laboratorio SpettroscopiaPositronica
Laboratorio Spettroscopia PositronicaFossatone di Medicina (Bologna)
Elettronica e rivelatori sistema analisi Doppler
Rivelatori e criostato sistema analisi Lifetime
Laboratorio SpettroscopiaPositronica
Esempio di valutazione delle proprietà elettroniche di materiali speciali
Misura della Superficie di Fermi in CeIn3(Sistema a Fermioni Pesanti -
Superconduttore Antiferromagnetico)
Laboratorio SpettroscopiaPositronica
Esempio di analisi elementale dell’ambiente chimico di un difetto mediante CDB
-3 -2 -1 0 1 2 3
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
RT
60°C
(
-A
l)/ A
l
pL(a.u.)
Prima prova diretta della presenza di rame nell’ambiente delle vacanze residue in leghe leggere Al-Cu-Mg dopo un trattamento di invecchiamento
Radiometria
La radiometria consente di determinare l’età di un campione
(datazione) basandosi sulle quantità presenti di particolari isotopi
radioattivi
Tecniche radiometriche più diffuse: Carbonio-14 e Uranio-Torio
Datazione C-14
Questo metodo di datazione si basa sulla stima del tempo trascorso
dalla fine dell’assimilazione del C-14 da parte del campione sapendo
che il tempo di dimezzamento di questo isotopo è di 5730 anni
14C
14C => 14N+e- t1/2=5730±40
Formazione del 14C tramite la seguente reazione nucleare:
14N+n => 14C+p
Assimilazione del 14C sotto forma di CO2 o carbonato
Decadimento beta del 14C
14N
Ciclo del Carbonio-14
Tecniche di Datazione mediante C-14
Tecniche di datazione più diffuse:
Scintillazione liquida AMS (Accelerator Mass Spectrometry)
Scintillazione liquida
Processo di conversione dell’energia derivante dalla particella beta
originata dal decadimento del C-14 in fotone per mezzo di un
composto scintillante (un solvente organico, tipicamente Benzene,
contenente piccole quantità di composti organici speciali)
AMS (Accelerator Mass Spectrometry)
Accelerazione ioni isotopi del Carbonio e separazione isotopica del
C-14 mediante sistema accoppiato acceleratore-spettrometro di massa
Diagramma di flusso del processo di datazione C-14
ENEA Bologna Montecuccolino
Laboratorio di Radiometria a Basso Fondo
Misure di Radiocarbonio di precisione con il metodo della scintillazione liquida finalizzate alla ricerca paleoclimatica, geologica e datazioni di reperti di interesse archeologico
Datazione U-Th Il metodo Th-230/U-234 utilizza il decadimento dell’U-238 secondo lo schema
U-238 U-234 Th-230 Tempo di dimezzamento 4.49 109 anni per U-238, 2.48 105 anni per U-234, 7.52 104 anni per Th-230 Solubilità dell’Uranio e insolubilità del Torio in acqua Se al tempo t=0 il Torio è assente, come si può ipotizzare al momento della formazione di un campione (es. corallo), dalla misura del Torio formatosi e dell’Uranio rimasto si può risalire all’età del campione
ENEA Bologna Don Fiammelli
Laboratorio per Datazione con U-Th e per Spettrometria Isotopica
Applicazioni in ENEA Attrezzature
Sistemi di datazione C-14 e U-Th
Spettrometro di massa (in collaborazione con UTS PROT)
Attività recenti Datazione di strati geologici della pianura padana (Conv. ENEA - Reg. E/R) e di sedimenti e reperti archeologici Nell’ambito del Progetto RIADE del MIUR (gestito da BIOTEC) sulle tecniche avanzate contro la desertificazione contributo alla valutazione: • della vulnerabilità degli acquiferi mediante analisi isotopiche
• del tasso di erosione • dell’evoluzione paleoclimatica
Prospettive
Valutazione del “Carbon sink” per l’analisi del profilo della CO2
in mare (Progetto DETME, Bando FISR in corso)
Valutazione del tasso di sedimentazione e scambio tra acquiferi in ambienti fluviali (Delta del Po) (Rapporto con Regione E/R, Consorzi Bonifica; prospettiva di Progetto integrato VI PQ) Collaborazioni
Università di Bologna, Ferrara, Roma, Napoli e Salerno
Politecnico di Torino
CNR-Roma
Laboratorio LNSCE di Gyf sur Yvette
Analisi di sicurezza di impianti radiogeni
L’analisi di sicurezza degli impianti radiogeni richiede lo studio del comportamento dei materiali come sorgente di radiazione
La determinazione dell’inventario radiologico dei materiali irraggiati (masse, radioattività specifica, calore di decadimento, dose, sorgenti gamma, fattori di rischio) è necessaria per stabilire l’impatto tra l’impianto radiogeno e l’ambiente
Interazione di neutroni
I neutroni interagiscono con la materia attraverso numerosi processi, tra i quali: la diffusione elastica; la diffusione anelastica; la cattura radiativa; l’emissione di particelle cariche; la fissione
Queste reazioni portano alla produzione di nuclei radioattivi (radioattività o attivazione indotta) che decadono con emissione di e+, e-,
e+,e-,
La caratterizzazione dei materiali utilizzati negli impianti radiogeni dal punto di vista di sorgenti radioattive è importante:
per valutare la dose da radiazione (dose assorbita in un tessuto o organo in Sievert) per valutare il rilascio di radioattività nell’ambiente (ad es. sotto forma di polveri radioattive) in caso di incidente con conseguenti danni alla popolazione
per la messa in sicurezza dei rifiuti radioattivi
Nella progettazione di un impianto il calcolo consente di effettuare stime delle conseguenze dell’interazione della radiazione con i materiali
Ciò richiede lo sviluppo, applicazione e validazione di codici di calcolo e librerie di dati per l’analisi del trasporto della radiazione e dell’attivazione dei materiali a supporto degli studi di sicurezza
Evaluated Nuclear DataFiles
RADIATION TRANSPORTRESULTS
POST-PROCESSING
Working datalibraries
Neutron andgamma flux spectra
Responsefunctions
Ra
dio
act
ive
inv
ento
ries
Ra
dia
tio
nd
am
ag
e
Ga
sp
rod
uct
ion
na
nd
d
ose
rate
s
Nu
clea
rh
eati
ng
SCALENEA-1
trasporto di radiazione e calcoli di attivazione:
diagramma di flusso
Codice di attivazione ANITA-2000
ANITA-2000Activation
code
175-groupneutron fluxes
Neutron activation library
Decay and Hazarddata library
Unconditional ClearanceLevel Data Library
derived fromIAEA-TECDOC-855
Decay gamma library(18 or 42 g-groups)
based on FENDL/D-2.0data file
Radioactive inventories
Activity, Decay Heat, Contact Dose,Clearance index, Biological Hazard
andDecay gamma sources (18 or 42 g-groups)
based on FENDL/D-2.0data file
EAF99or
FENDL/A-2.0
fromradiation transport
calculation
Applicazioni in ENEA
Codici e sistemi di calcolo
Codici di attivazione ANITA-2000 e ANITA-IEAF
Librerie di trasporto n-VITENEA-E, VITENEA-J, VITENEA-IEF
“SCALENEA system codes” per analisi di trasporto di radiazione e valutazioni di dose
Attività recenti
Calcoli di attivazione per ITER a supporto dell’analisi di sicurezza
Qualificazione e validazione del sistema di calcolo di attivazione ANITA-2000 nell’ambito EFDA “Technology Workprogramme – Validation of Computer Codes and Models”
Valutazione di dose negli impianti di irraggiamento dei materiali d’interesse per reattori a fusione con neutroni di alta energia (fino a 150 MeV) (IFMIF)
Prospettive
Attività a supporto dell’analisi di sicurezza del sito ITER in ambito EFDA
Attività di supporto alla progettazione degli schermi biologici per l’impianto IFMIF
Attività di sviluppo e messa a punto di un archivio di inventario radiologico dei rifiuti radioattivi degli impianti ENEA
Collaborazioni
Università di BolognaUniversità di GrazUniversità della California UCSB (Santa Barbara)
Risorse Disponibili
Personale : 17 u/a (13.5 u/a laureati) (Sez.: 24.5 u/a)
Attrezzature SperimentaliLaboratorio di spettroscopia positronicaLaboratori di datazione C-14 e U-ThLaboratorio di microscopia elettronica
Attrezzature InformaticheLaboratorio di informatica per la diagnosticaLaboratorio di grafica avanzata
Risorse finanziarie(MIUR, Progetti europei per la fusione, Progetto ADS, Serv. Scient.)Anno 2002 : 342 KeuroAnno 2003 : 300 Keuro