Valutazione quantitativa dell'utilizzo dei moduli di schermatura VeriShield® per affrontare il problema dello smantellamento degli impianti di Protonterapia
Valutazione quantitativa
Dipartimento di fisica della schermatura dalle radiazioni e della radioprotezione
Veritas Medical Solutions, Harleysville, PA USA
www.veritas-medicalsolutions.com
di El Hassane Bentefour, PhD.
Direttore di Fisica
hassane.bentefour@veritasmedicalsolutions.com
Robert J. Farrell
CEO
Introduzione
Lo smantellamento di un impianto di protonterapia è impegnativo a causa dell'attivazione indotta dai neutroni della schermatura, della struttura e delle apparecchiature dell'impianto. L'attivazione è causata da una serie di reazioni nucleari che producono isotopi radioattivi con emivite che vanno da ore a molti anni. Gli isotopi a lunga vita, come 152Eu, 133Ba, 134Cs, 60Coe 22Na, comunemente presenti nel calcestruzzo, sono particolarmente problematici perché, oltre alla loro lunga emivita, richiedono un indice di clearance (CI) molto basso per essere considerati rifiuti non nucleari.
OBIETTIVO
Esaminare le caratteristiche di attenuazione dei neutroni del VeriShield, un materiale schermante ingegnerizzato ad alta densità. Poi, esplorare il grado di attivazione neutronica di questi moduli quando sono realizzati con diverse proporzioni di cemento, ridotte al solo 2%.
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METODI
Revisione dell'attenuazione dei neutroni VeriShield®:
Abbiamo studiato più di una mezza dozzina di diversi materiali di schermatura Veritas utilizzando un sottile bersaglio di rame come sorgente di neutroni, bombardato da protoni da 230 MeV. Un rivelatore di neutroni WENDI, funzionante in modalità di integrazione, è stato schermato da cinque lati da una caverna schermata appositamente costruita, con un lato aperto per rilevare i neutroni provenienti dalla sorgente a un angolo prestabilito mentre passavano attraverso la pila di schermatura. Alcuni dei materiali oggetto dello studio presentavano elementi ad alta densità in combinazione con speciali additivi progettati per aumentarne l'efficienza di attenuazione.
Affrontare il problema dell'attivazione neutronica della terapia protonica:
Per ridurre al minimo il problema dell'attivazione neutronica della terapia protonica, abbiamo sperimentato due approcci:
(i) Creare una nuova generazione di VeriShield che utilizza un basso contenuto di cemento
e agenti leganti alternativi.
(ii) Esplorare la praticabilità del concetto di strato sacrificale dell'azienda per
aumentare la longevità degli impianti di protonterapia.
Figura 1: (a) Schizzo del set-up di prova, (b) firma del fascio di protoni clinici su un bersaglio di rame, (c) rivelatore di neutroni schermato dal rimbalzo dei neutroni sulle pareti della volta, (d) struttura tipica della barriera VeriShield.
RISULTATI
Schermatura VeriShieldrispetto al calcestruzzo
I risultati sperimentali, supportati da calcoli Monte Carlo, come illustrato nelle Fig. 2a, 2b, 2c e 2d, mostrano che la barriera VeriShield ha un'efficienza di schermatura cumulativa superiore rispetto al calcestruzzo. Questa efficienza cumulativa, insieme alla profondità di schermatura, aumenta all'aumentare dell'energia del fascio di protoni (ovvero dell'energia dei neutroni). Nella Figura 2d, si può notare che per un fascio di protoni clinici da 230 MeV, sarebbero necessari 6,4 piedi di VeriShield® V300 per ridurre la dose di neutroni allo 0,01% rispetto a 10,7 piedi di cemento. In questo modo, si ottiene un risparmio di circa il 40% dello spazio che altrimenti sarebbe coperto dal calcestruzzo di massa se utilizzato per la schermatura.
Attivazione di VeriShield e Neutron
È stata sviluppata una nuova generazione di VeriShield che utilizza un legante alternativo con un contenuto minimo di cemento, solo il 3% (77% in meno rispetto all'attuale VeriShield). La Fig. 3a mostra alcuni campioni con un contenuto di cemento che varia dal 5% allo 0%. Con questi nuovi moduli, il problema dell'attivazione a lungo termine è notevolmente ridotto, poiché la presenza di elementi a lunga emivita come 152Eu, 133Ba, 134Cs, 60Coe 22Naè praticamente inesistente.
Sono stati condotti studi di attivazione Monte Carlo su moduli VeriShield e calcestruzzo. I risultati preliminari, riportati nella Fig. 3b, mostrano un'attivazione neutronica simile a quella del calcestruzzo, ma con due vantaggi:
- L'attuale VeriShield ha il vantaggio di poter essere utilizzato come strato sacrificale, in quanto si tratta di una struttura a secco che consente di rimuovere e sostituire le barriere in modo selettivo.
- Il nuovo modulo VeriShield promette di ridurre i problemi di attivazione a lungo termine. Sono necessari ulteriori studi.
CONCLUSIONI
La valutazione quantitativa di VeriShield è un mezzo per risparmiare spazio e tempo nella progettazione di un impianto di protonterapia, poiché offre un maggior grado di efficienza schermante contro i neutroni. A differenza del calcestruzzo di massa, consente una migliore gestione dell'attivazione dei neutroni in quanto può essere utilizzato come strato sacrificale di schermatura. Una nuova generazione futura di VeriShield, che utilizza un legante alternativo al cemento, probabilmente migliorerà le sue prestazioni effettive e la sua idoneità alla terapia protonica.
RIFERIMENTI
1. Dati sperimentali dal rapporto di prova Veritas-MIT VeriShield®, V. Nazaryan et al. Non pubblicato.
2. Tomaž Žagar, Matjaž Ravnik, "MEASUREMENT OF NEUTRON ACTIVATION IN CONCRETE SAMPLES". Conferenza internazionale "Energia nucleare nell'Europa centrale 2000".