Verbundprojekt: Radiologische Charakterisierung von kerntechnischen Anlagen und Gebäuden mittels kollimationsfreier, richtungsaufgelöster In-Situ-Gammaspektrometrie - QGRIS ("Quantitative gamma-ray imaging system")

Abstract

Gesamtziel des Verbundprojektes QGRIS war die Entwicklung und Umsetzung eines neuartigen Messverfahrens für die Bewertung des radiologischen Zustands von Gebäuden und kerntechnischen Anlagenteilen im Rahmen der radiologischen Erkundung zur Rückbauplanung und Erfolgskontrolle. Das Vorhaben wurde im Rahmen des Forschungsprogramms FORKA des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt gefördert. Im Teilprojekt C entwickelte die HSZG zwei Positioniersysteme für Gammaquellen und Schwächungswände und führte an diesen Versuchsständen mit den vom Projektpartner Hellma zur Verfügung gestellten Prototypen RSL2 und RSL7 umfangreiche experimentelle Untersuchungen durch. Im Rahmen der Tests mit RSL7 zeigte sich, dass zusätzliche Untersuchungen zum Einschaltverhalten der Geräte erforderlich waren. Als Ergebnis ergaben sich für die weiteren Experimente Wartezeiten von mindestens 120 min nach Einschalten. Zusätzlich zum Projektantrag der HSZG erfolgten die ursprünglich bei Hellma vorgesehenen Langzeitmessungen zur Temperaturkalibrierung aller 7 Einzeldetektoren des RSL7 in einem regelbaren Ofen für die zu berücksichtigenden Temperaturbedingungen von 0 °C bis 30 °C an der HSZG. Als Ergebnis steht eine Prozedur zur Energiekalibrierung zur Verfügung, welche die zeitliche Drift nach Einschalten des RSL7 sowie die Detektortemperatur während der Messung berücksichtigt. Diese Untersuchungen wurden im Rahmen einer Masterarbeit durchgeführt und dokumentiert. RSL7-Messungen für Punkt-, Linien-, Flächen- und Volumenquellen wurden hauptsächlich mit den Nukliden 60Co, 133Ba, 137Cs und 152Eu durchgeführt, ausgewertet und in diesem Abschlussbericht dokumentiert. Die Auswertung mit der RSL7-Applikationssoftware GARISO-V7 zeigte eine gute spektrale Analyse zu dem jeweiligen Nuklid. Eine automatische Nukliderkennung ist derzeit nicht implementiert. Bei den Messungen mit Flächen- und Volumenquellen konnte bei 50 cm Abstand eine örtliche Verteilung der Aktivität ermittelt werden. Bei größeren Abständen neigt die Rekonstruktions-Auswertung von GA-RISO-V7, die Aktivitätsverteilung punktförmigen Orten im 2D-Koordinatensystem zuzuordnen. Im Rahmen des Teilprojektes C wurden weiterhin mit dem am CERN entwickelten Simulationsprogramm FLUKA [FER15] umfangreiche Simulationsrechnungen für den RSL2 und RSL7 durchgeführt und ausgewertet. Die Detektorereignisse als auch die koinzidenten Detektorereignisse wurden für die Nuklide 60Co, 133Ba, 137Cs und 235U unter Berücksichtigung verschiedener Abstände und Raumwinkel bestimmt, um abgeleitete Größen zu ermitteln. Neben Simulationen zu den vorhandenen Prototypen RSL2 und RSL7 wurden auch Simulationen für den bei Hellma geplanten RSL4 realisiert. Weitere FLUKA-Simulationen wurden für acht Detektorgruppen gerechnet. Die Simulationen erfolgten unter Vorgabe von jeweils drei Nukliden (60Co, 137Cs und 241Am) als Punktquellen, die an sieben verschiedenen Positionen mit einem Abstand von 1 m zur jeweiligen Detektorgruppe angeordnet waren. Damit liegen 168 Ergebnisdatensätze vor. Zusätzlich wurde eine Detektorgruppe neun entworfen, mit der an den sieben verschiedenen Positionen die Nuklide 60Co und 137Cs nachgebildet und simuliert wurden. Die Ergebnisse der FLUKA-Simulationen wurden bei den regelmäßigen Projekttreffen den Projektpartnern in Form von Präsentationen vorgestellt, diskutiert und in internen Berichten sowie in diesem Abschlussbericht dokumentiert. Im KKW Rheinsberg (KKR) des EWN Entsorgungswerk für Nuklearanlagen GmbH (EWN) erfolgten Validierungsmessungen mit dem RSL7 durch die Projektpartner Hellma, VKTA und HSZG. Die Auswertung der Daten erfolgte bei Hellma und VKTA. The overall aim of the joint project QGRIS was to develop and implement a new type of measurement procedure for assessing the radiological condition of buildings and nuclear plant components as part of radiological exploration for decommissioning planning and success monitoring. The project was funded as part of the FORKA research program of the Federal Ministry of Research, Technology and Space. In sub-project C, the HSZG developed two positioning systems for gamma sources and attenuation walls and carried out extensive experimental investigations on these test rigs using the RSL2 and RSL7 prototypes provided by project partner Hellma. The tests with RSL7 showed that additional investigations into the switch-on behavior of the devices were necessary. This resulted in waiting times of at least 120 minutes after switching on for the other experiments. In addition to the HSZG's project application, the long-term measurements originally planned at Hellma for the temperature calibration of all 7 individual detectors of the RSL7 were carried out in a controllable oven for the temperature conditions of 0 °C to 30 °C to be taken into account at the HSZG. The result is an energy calibration procedure that takes into account the drift over time after switching on the RSL7 and the detector temperature during the measurement. These investigations were carried out and documented as part of a master's thesis. RSL7 measurements for point, line, area and volume sources were mainly carried out with the nuclides 60Co, 133Ba, 137Cs and 152Eu, evaluated and documented in this final report. The evaluation with the RSL7 application software GARISO-V7 showed a good spectral analysis for the respective nuclide. Automatic nuclide detection is not currently implemented. In the measurements with area and volume sources, a local distribution of the activity could be determined at a distance of 50 cm. At larger distances, the reconstruction evaluation of GARISO-V7 tends to assign the activity distribution to point-like locations in the 2D coordinate system. As part of sub-project C, extensive simulation calculations for RSL2 and RSL7 were carried out and evaluated using the FLUKA [FER15] simulation program developed at CERN. The detector events as well as the coincident detector events were determined for the nuclides 60Co, 133Ba, 137Cs and 235U, taking into account different distances and solid angles, in order to determine derived quantities. In addition to simulations for the existing prototypes RSL2 and RSL7, simulations were also carried out for the RSL4 planned at Hellma. Further FLUKA simulations were calculated for eight detector groups. The simulations were carried out using three nuclides each (60Co, 137Cs and 241Am) as point sources, which were arranged at seven different positions at a distance of 1 m from the respective detector group. This means that 168 result data sets are available. In addition, a detector group nine was designed, with which the nuclides 60Co and 137Cs were simulated at the seven different positions. The results of the FLUKA simulations were presented to the project partners at the regular project meetings in the form of presentations, discussed and documented in internal reports and in this final report. Validation measurements with the RSL7 were carried out at the Rheinsberg NPP (KKR) of EWN Entsorgungswerk für Nuklearanlagen GmbH (EWN) by the project partners Hellma, VKTA and HSZG. The data were evaluated at Hellma and VKTA.