Évaluation quantitative de l'utilisation des modules de blindage VeriShield® pour résoudre le problème du déclassement des installations de protonthérapie
Évaluation quantitative
Département de physique du blindage contre les rayonnements et de la radioprotection
Veritas Medical Solutions, Harleysville, PA USA
www.veritas-medicalsolutions.com
par El Hassane Bentefour, PhD.
Directeur de la physique
hassane.bentefour@veritasmedicalsolutions.com
Robert J. Farrell
Directeur général
Introduction
Le déclassement d'une installation de protonthérapie est un défi en raison de l'activation induite par les neutrons du blindage, de la structure et de l'équipement de l'installation. L'activation est causée par une série de réactions nucléaires qui produisent des isotopes radioactifs dont la demi-vie varie de quelques heures à plusieurs années. Les isotopes à longue durée de vie, tels que 152Eu, 133Ba, 134Cs, 60Coet 22Na, couramment présents dans le béton, sont particulièrement problématiques car, outre leur longue demi-vie, ils nécessitent un indice de libération (ID) très faible pour être considérés comme des déchets non nucléaires.
OBJECTIF
Examiner les caractéristiques d'atténuation du blindage neutronique de VeriShield, un matériau de blindage technique de haute densité. Ensuite, explorer l'étendue de l'activation neutronique pour ces modules lorsqu'ils sont fabriqués avec différentes proportions de ciment, réduites à seulement 2 %.
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MÉTHODES
Examen de l'atténuation des neutrons par VeriShield® :
Nous avons étudié plus d'une demi-douzaine de matériaux de blindage Veritas différents en utilisant une cible mince en cuivre comme source de neutrons lorsqu'elle était bombardée par des protons de 230 MeV. Un détecteur de neutrons WENDI, fonctionnant en mode intégration, était protégé sur 5 côtés par une grotte blindée spécialement construite, avec un côté ouvert pour détecter les neutrons de la source à un angle déterminé lorsqu'ils traversent la pile de blindage. Certains des matériaux étudiés comportaient à la fois des éléments à haute densité et des additifs spéciaux conçus pour augmenter leur efficacité d'atténuation.
Résolution du problème d'activation neutronique de la protonthérapie :
Pour minimiser le problème d'activation neutronique de la protonthérapie, nous avons expérimenté deux approches :
(i) Créer une nouvelle génération de VeriShield qui utilise une faible teneur en ciment
et d'autres agents de liaison.
(ii) Explorer la faisabilité du concept de couche sacrificielle de l'entreprise pour
augmenter la longévité des installations de protonthérapie.
Figure 1 : (a) Croquis de l'installation d'essai, (b) signature d'un faisceau de protons cliniques sur une cible en cuivre, (c) détecteur de neutrons protégé des neutrons rebondissants sur les parois de la voûte, (d) structure typique de la barrière VeriShield.
RÉSULTATS
Blindage VeriShield comparé au béton
Les résultats expérimentaux, étayés par les calculs de Monte Carlo, illustrés dans les figures 2a, 2b, 2c et 2d, montrent que la barrière VeriShield a une efficacité de blindage cumulée supérieure à celle du béton. Cette efficacité cumulative, ainsi que la profondeur du blindage, augmentent à mesure que l'énergie du faisceau de protons (c'est-à-dire l'énergie des neutrons) augmente. La figure 2d montre que pour un faisceau de protons cliniques de 230 MeV, il faudrait 6,4 pieds de VeriShield® V300 pour réduire la dose de neutrons à 0,01 % par rapport à 10,7 pieds de béton. Ainsi, une économie d'environ 40 % de l'espace qui serait autrement couvert par le béton de masse s'il était utilisé pour le blindage.
VeriShield et activation des neutrons
Une nouvelle génération de VeriShield utilisant un liant alternatif avec une teneur minimale en ciment, seulement 3% (77% de moins que dans le VeriShield actuel) a été développée. La figure 3a montre quelques échantillons dont la teneur en ciment varie de 5 % à 0 %. Avec ces nouveaux modules, le problème de l'activation à long terme est considérablement réduit car la présence d'éléments à longue demi-vie tels que 152Eu, 133Ba, 134Cs, 60Coet 22Naest pratiquement inexistante.
Des études d'activation de Monte Carlo ont été menées sur les modules VeriShield et le béton. Les résultats préliminaires (figure 3b) montrent une activation neutronique similaire à celle du béton, mais avec deux avantages :
-Le VeriShield actuel a l'avantage de pouvoir être utilisé comme couche sacrificielle, car il s'agit d'une construction sèche qui permet d'enlever et de remplacer les barrières de manière sélective.
-Le nouveau module VeriShield promet de réduire les problèmes d'activation à long terme. Des études complémentaires sont nécessaires.
CONCLUSIONS
L'évaluation quantitative de VeriShield est un moyen d'économiser de l'espace et du temps lors de la conception d'une installation de protonthérapie, car il offre un degré plus élevé d'efficacité de blindage contre les neutrons. Contrairement au béton de masse, il permet une meilleure gestion de l'activation des neutrons car il peut être utilisé comme couche sacrificielle de blindage. Une nouvelle génération prospective de VeriShield qui utilise un agent de liaison alternatif au ciment est susceptible d'améliorer ses performances réelles et son aptitude à la protonthérapie.
RÉFÉRENCES
1. Données expérimentales du rapport d'essai Veritas-MIT VeriShield®, V. Nazaryan et al. Non publié.
2. Tomaž Žagar, Matjaž Ravnik, "MEASUREMENT OF NEUTRON ACTIVATION IN CONCRETE SAMPLES". Conférence internationale sur l'énergie nucléaire en Europe centrale 2000.