Un sistema di gestione dati per il monitoraggio di depositi di scorie radioattive: front-end, storage e rete

L’obiettivo di questo lavoro di tesi, maturato all’interno di un progetto sviluppato in collaborazione tra INFN e Ansaldo Nucleare (programma Riace), è la realizzazione di un prototipo dimostrativo finalizzato al monitoraggio on-line di scorie radioattive a breve-medio termine. A tale proposito, la proposta DMNR (Detector Mesh for Nuclear Repositories) è nata per offrire un sistema distribuito, robusto, affidabile, granulare e basato su dispositivi a basso costo.
In ambito internazionale si definisce rifiuto radioattivo qualsiasi sostanza (in forma solida, liquida o gassosa), derivante da pratiche o interventi umani per la quale non sia previsto ulteriore utilizzo, che contenga o sia contaminata da radionuclidi a concentrazioni o livelli di radioattività superiori alle quantità permesse, stabilite dalle autorità competenti.
Per scorie nucleari s’intende indicare il combustibile esausto originatosi all’interno dei reattori nucleari nel corso del loro esercizio. Esse rappresentano un sottoinsieme dei rifiuti radioattivi, a loro volta suddivisibili in base al livello di attività in tre categorie: basso, intermedio e alto.
La pericolosità dei rifiuti radioattivi decresce con il passare del tempo poiché ogni specie decade seguendo una legge esponenziale. Sfortunatamente il tempo necessario affinché una data specie risulti non essere più dannosa per l’uomo e per l’ambiente, può variare da poche ore ad anni, per i rifiuti industriali e medicali, per arrivare a decine di migliaia di anni per quelli derivanti dallo smantellamento di reattori a fissione e armi nucleari.
I rifiuti a medio e breve termine vengono attualmente concentrati e confinati in fusti per essere stoccati all’interno delle strutture che li hanno prodotti, oppure trasportati in depositi superficiali dedicati allo stoccaggio; per i rifiuti a lungo termine invece si prevedono dei magazzini geologici come cave sotterranee o l’interno delle montagne.
Lo smantellamento delle centrali nucleari e lo stoccaggio dei rifiuti radioattivi da esse prodotti, pone a livello mondiale un argomento di discussione attuale: il monitoraggio delle scorie a breve, medio e lungo termine.
Qualunque sia la disposizione topologica o la struttura fisica dei bidoni di stoccaggio, sarebbe un grosso vantaggio poter misurare il tasso di radioattività intorno a ciascuno di essi; ciò permetterebbe, oltre ad avere un monitoraggio continuo della situazione complessiva, di verificare prontamente un danno alla struttura del bidone dovuto ad un eventuale cedimento strutturale.
Questo obiettivo potrebbe già oggi essere raggiunto utilizzando i classici rivelatori di radioattività a tubo Geiger-Muller, ma il costo di tale soluzione sarebbe proibitivo. Le procedure odierne di monitoraggio prevedono controlli periodici, ad opera di operatori specializzati o robots dotati di strumenti di misura adeguati, cui si aggiungono misurazioni ambientali effettuate all’interno dei depositi.
Il progetto DMNR ha permesso lo studio di un nuovo tipo di rivelatore di radiazioni ionizzanti, che presenta caratteristiche simili ai contatori Geiger-Muller (ma a differenza di questi risulta essere notevolmete più economico e versatile) e che può essere replicato sottoforma di griglia intorno ad ogni singolo bidone.
Ciascun rivelatore consiste di una fibra ottica realizzata con scintillatore plastico, con accoppiati alle due estremità due fotosensori al silicio (SiPM) di ultima generazione, capaci di rivelare i deboli segnali luminosi prodotti dall’interazione con la radiazione incidente, e convertirli in impulsi elettrici veloci.
In questo modo è possibile posizionare griglie di sensori intorno a ciascun bidone e registrare costantemente l’attività emessa, al fine di misurare in tempo reale il tasso di radiazione istantaneo e così registrare lo storico in un apposito Data Base.
Nell’ambito di DMNR è stata sviluppata sia l’elettronica di front-end che il sistema di conteggio eventi su piattaforma FPGA, per gestire il flusso dati proveniente dai sensori sul campo. Tale apparato, inoltre, è integrato da un sistema di trasmissione dati ridondante e da una console con interfaccia grafica ed immagazzinamento dati.