Radiological protection and nuclear engineering studies in multi-MW target systems

Tese de doutoramento, Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Several innovative projects involving nuclear technology have emerged around the world in recent years, for applications such as spallation neutron sources, accelerator-driven systems for the transmutation of nuclear waste and radioactive ion beam (RIB) production. While the available neutron Wuxes from nuclear reactors did not increase substantially in intensity over the past three decades, the intensities of neutron sources produced in spallation targets have increased steadily, and should continue to do so during the 21st century. Innovative projects like ESS, MYRRHA and EURISOL lie at the forefront of the ongoing pursuit for increasingly bright neutron sources; driven by proton beams with energies up to 2 GeV and intensities up to several mA, the construction of their proposed facilities involves complex Nuclear Technology and Radiological Protection design studies executed by multidisciplinary teams of scientists and engineers from diUerent branches of Science. The intense neutron Wuxes foreseen for those facilities can be used in several scientiVc research Velds, such as Nuclear Physics and Astrophysics, Medicine and Materials Science. In this work, the target systems of two facilitites for the production of RIBs using the Isotope Separation On-Line (ISOL) method were studied in detail: ISOLDE, operating at CERN since 1967, and EURISOL, the next-generation ISOL facility to be built in Europe. For the EURISOL multi-MW target station, a detailed study of Radiological Protection was carried out using the Monte Carlo code FLUKA. Simulations were done to assess neutron Wuences, Vssion rates, ambient dose equivalent rates during operation and after shutdown and the production of radioactive nuclei in the targets and surrounding materials. DiUerent materials were discussed for diUerent components of the target system, aiming at improving its neutronics performance while keeping the residual activities resulting from material activation as low as possible. The second goal of this work was to perform an optimisation study for the ISOLDE neutron converter and Vssion target system. The target system was simulated using FLUKA and the cross section codes TALYS and ABRABLA, with the objective of maximising the performance of the system for the production of pure beams of neutron-rich isotopes, suppressing the contaminations by undesired neutron-deVcient isobars. Two alternative target systems were proposed in the optimisation studies; the simplest of the two, with some modiVcations, was built as a prototype and tested at ISOLDE. The experimental results clearly show that it is possible, with simple changes in the layouts of the target systems, to produce purer beams of neutron-rich isotopes around the doubly magic nuclei 78Ni and 132Sn. A study of Radiological Protection was also performed, comparing the performances of the prototype target system and the standard ISOLDE target system.

Diversos projectos inovadores envolvendo Tecnologias Nucleares emergiram nas últimas duas décadas por todo o Mundo, tendo em vista aplicações como fontes de espalação, sistemas ADS (accelerator-driven systems) e instalações para a produção de feixes de iões radioactivos (RIB). Nas últimas três décadas, e ao contrário do que tem sucedido nos reactores nucleares, as intensidades dos feixes de neutrões disponíveis em fontes de espalação têm aumentado continuamente, e essa tendência deverá manter-se ao longo do século XXI. Projectos inovadores como ESS, MYRRHA ou EURISOL encontram-se na linha da frente do desenvolvimento de fontes de neutrões cada vez mais intensas, utilizando feixes de protões com energias até 2 GeV e intensidades até alguns mA. A construção das referidas instalações envolve estudos complexos de Tecnologia Nuclear e Protecção Radiológica executados por equipas multidisciplinares de cientistas de diferentes áreas cientíVcas. Os Wuxos de neutrões com intensidades sem precedentes previstos para essas instalações podem ter aplicações em diversas áreas como Física e Astrofísica Nucleares, Medicina e Ciência dos Materiais. Nesta tese foram estudados em detalhe os sistemas de alvos de duas instalações para a produção de RIBs usando o método ISOL (Isotope Separation On-Line): a instalação ISOLDE, que opera no CERN desde 1967, e a instalação EURISOL, que se pretende construir na Europa. Para o sistema de alvos de alta potência da instalação EURISOL efectuou-se um estudo detalhado de Protecção Radiológica, utilizando o programa de Monte Carlo FLUKA, envolvendo cálculos de Wuxos de neutrões, taxas de cisão, dose equivalente ambiental e produção de resíduos radioactivos nos alvos e zonas adjacentes. Testaram-se diferentes materiais para os diversos componentes do sistema de alvos, tendo como objectivo melhorar a performance neutrónica do sistema e manter as actividades residuais resultantes da activação de materiais tão baixas quanto possível. O segundo objectivo consistiu no estudo do sistema de alvos da instalação ISOLDE, que foi simulado utilizando o FLUKA e os programas de cálculo de secções eVcazes ABRABLA e TALYS. O objectivo era propor optimizações que permitissem maximizar o desempenho do sistema para a produção de isótopos ricos em em neutrões, suprimindo a produção de isobares ricos em protões. Para esse efeito, dois sistemas de alvos alternativos foram propostos; o mais simples dos dois foi usado como modelo para a construção de um protótipo, que foi testado na instalação ISOLDE no CERN. Os resultados experimentais mostram claramente que é possível, com alterações simples nas conVgurações dos sistemas de alvos, produzir feixes mais puros de isótopos ricos em neutrões na região dos nuclidos duplamente mágicos 78Ni e 132Sn. Efectuou-se ainda um estudo de Protecção Radiológica comparando o desempenho do protótipo com o dos sistemas de alvos normalmente utilizados na instalação ISOLDE.

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT, SFRH/BD/60255/2009, projeto CERN/FP/83586/2008); European Community - FP6 project: EURISOL DS, contract no. 515768 RIDS; European Sesearch Council (ERC, DyBHo–256667 ERC Starting Grant)