Ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνικών εκτίμησης της ακτινικής επιβάρυνσης του πληθυσμού από καταστάσεις πυρηνικής ή ραδιολογικής έκτακτης ανάγκης

Abstract

The present doctoral dissertation focuses on optimizing preparedness and response to a potential radiological or nuclear emergency that could affect Greek territory. Specifically, this study investigates hypothetical releases from a nearby nuclear power plant, an accident involving a nuclear-powered submarine, the effects of a nuclear weapon test, and also evaluates the consequences of a radiological accident in an urban environment. An in-depth study of all the above scenarios is conducted, not only by identifying and analyzing worst-case scenarios, but also by developing a methodology for conducting risk assessment, which optimizes the application of response actions. In the response phase of a potential emergency, decision-making requires the collection of samples and the identification and quantification of the radionuclides contained in them. Therefore, this dissertation also focuses on the technique of gamma-spectroscopy. The calibration of the equipment, the optimization of the technique, and the development of a methodology to account for the phenomena governing gamma-spectroscopy, are carried out within this framework. For modeling and studying potential releases, the HYSPLIT atmospheric dispersion software and the JRodos decision support system are utilized. Regarding the study of a hypothetical release from a nuclear power plant, HYSPLIT is mainly used to produce the trajectory of air pathways from a hypothetical release point, and to identify worst-case scenarios based on meteorological data. Subsequently, JRodos is applied for further analysis of each scenario and for calculating relevant quantities used in a potential emergency, such as the air dose rate, radionuclide activity concentration in the food chain, and effective dose to the population. A total of 40 worst-case scenarios were produced for a potential release from Kozloduy NPP and 13 worst-case scenarios regarding a release from a hypothetical nuclear power plant bordering the East of Greece. To this end, the expected maximum dose values were calculated, and protective actions in accordance with Greek legislation were identified. Following this, 360 release scenarios from the nearby Kozloduy plant were produced using JRodos. Through statistical analysis of these scenarios, a risk assessment study was developed, to identify areas of interest within Greek territory. Based on this study, the placement of radiation measurement stations was optimized as part of the telemetric network expansion, and a sampling methodology was defined. A similar methodology of identifying worst-case scenarios using HYSPLIT and performing detailed analysis with JRodos was applied for a potential release from a nuclear-powered submarine docked at Souda Bay. A total of 13 worst-case scenarios were studied, and the expected protective actions during the response phase of such an event were identified. Subsequently, a study regarding the impact on the population due to a nuclear weapons test was conducted. The applied methodology for studying nuclear tests of varying yields, utilizing HYSPLIT, was analyzed. Additionally, the expected dose to the population from the main exposure pathways was calculated, as well as the air gamma-dose rate. Finally, a radiological event modeling based on a cesium release in an urban environment was conducted, and the expected dose to the population was calculated. All the above studies are validated through participation in intercomparison exercises of the aforementioned software, as well as emergency drills; thus, demonstrating their proper use and the extraction of valid results. To facilitate proper decision-making during the response phase to any of the aforementioned potential emergencies, calibration of low-background gamma-spectroscopy detectors at the Greek Atomic Energy Commission (GAEC) laboratory was carried out. This was followed by detector modeling using the Monte Carlo code "PENELOPE" and the numerical calibration for different measurement geometries using the efficiency transfer method. Furthermore, the minimum detection limits for radionuclides of interest within the food chain or soil following a potential release of radioactive material were determined for different measurement times. In the context of producing valid results, a correction methodology for the self-absorption phenomenon was analyzed, as well as a correction methodology for the true coincidence phenomenon was developed using the Monte Carlo code "PENELOPE". The quality system and proper implementation of the above were validated through participation in interlaboratory exercises, which are described in detail in this dissertation. Particular emphasis is placed on the intercomparison exercise for samples with high natural radioactivity (known as NORM), organized by the GAEC laboratory under the auspices of the International Atomic Energy Agency (IAEA). The sample preparation and participant evaluation methodology are described in detail. Finally, a calibration of portable in situ gamma ray spectrometry detectors was performed, as the detectors are expected to be used in response to a potential radiological or nuclear emergency.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή (ΔΔ) εστιάζει στη βελτιστοποίηση της ετοιμότητας και της απόκρισης σε ενδεχόμενη ραδιολογική ή πυρηνική έκτακτη ανάγκη, η οποία παρουσιάζει επιπτώσεις εντός της Ελληνικής επικράτειας. Συγκεκριμένα, η διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη υποθετικής έκλυσης από πυρηνικό εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας πλησίον της χώρας, στη μελέτη ατυχήματος από πυρηνοκίνητο υποβρύχιο, στην ανάλυση των επιπτώσεων δοκιμής πυρηνικού όπλου, καθώς και στη μοντελοποίηση και διερεύνηση των επιπτώσεων ραδιολογικού ατυχήματος εντός αστικού περιβάλλοντος. Η σε βάθος μελέτη όλων των παραπάνω σεναρίων, τόσο μέσω της ταυτοποίησης και ανάλυσης των δυσμενέστερων σεναρίων, αλλά και με την ανάπτυξη μεθοδολογίας για τη διεξαγωγή μελέτης εκτίμησης κινδύνου ταυτοποιεί τις προτεινόμενες δράσεις απόκρισης και βελτιστοποιεί την εφαρμογή τους.Στο στάδιο της απόκρισης σε ενδεχόμενη κατάσταση έκτακτης ανάγκης, με γνώμονα την ορθή λήψη αποφάσεων, απαιτείται η συγκέντρωση δειγμάτων και η ταυτοποίηση και ποσοτικοποίηση των ραδιονουκλιδίων που εμπεριέχονται σε αυτά. Ως εκ τούτου, η εν λόγω ΔΔ εστιάζει και στην τεχνική της γ-φασματοσκοπίας. Η βαθμονόμηση του εξοπλισμού, η βελτιστοποίηση της τεχνικής, καθώς και η ανάπτυξη μεθοδολογίας για τη διόρθωση των φαινομένων που διέπουν τη γ-φασματοσκοπία πραγματοποιούνται εντός του συγκεκριμένου πλαισίου. Για τις ανάγκες της μοντελοποίησης και μελέτης ενδεχόμενης έκλυσης, αξιοποιείται το λογισμικό ατμοσφαιρικής διασποράς Hysplit, και το σύστημα λήψης αποφάσεων JRodos. Όσον αφορά τη μελέτη υποθετικής έκλυσης από πυρηνικό εργοστάσιο, το Hysplit αξιοποιείται κυρίως για την παραγωγή της τροχιάς των αέριων διαδρομών από υποθετικό σημείο έκλυσης και τον προσδιορισμό των δυσμενέστερων σεναρίων όσον αφορά τα μετεωρολογικά δεδομένα. Εν συνεχεία, το JRodos εφαρμόζεται για την περαιτέρω μελέτη εκάστοτε σεναρίου και τον υπολογισμό των μεγεθών ενδιαφέροντος που αξιοποιούνται σε πιθανή κατάσταση έκτακτης ανάγκης, όπως ο ρυθμός δόσης στον αέρα, η δόση στον πληθυσμό και η συγκέντρωση ενεργότητας ραδιονουκλιδίων στην τροφική αλυσίδα. Συνολικά μελετήθηκαν 40 δυσμενέστερα σενάρια για ενδεχόμενη έκλυση από το Kozloduy και 13 δυσμενέστερα σενάρια έκλυσης από έναν υποθετικό σταθμό παραγωγής πυρηνικής ενέργειας στη Μαρμαρίδα, ταυτοποιώντας τις αναμενόμενες μέγιστες τιμές δόσης και τις προτεινόμενες δράσεις προστασίας σύμφωνα με τα όρια που έχουν ενταχθεί στην Ελληνική νομοθεσία. Σε συνέχεια αυτού, παρήχθησαν μέσω του JRodos 360 σενάρια έκλυσης από το γειτονικό σταθμό Kozloduy. Μέσω της στατιστικής ανάλυσης των ανωτέρω σεναρίων, αναπτύχθηκε και πραγματοποιήθηκε μελέτη εκτίμησης κινδύνου, η οποία εντοπίζει τις περιοχές ενδιαφέροντος εντός της Ελληνικής επικράτειας. Με βάση τη συγκεκριμένη μελέτη πραγματοποιείται η βελτιστοποίηση των θέσεων τοποθέτησης των σταθμών μέτρησης ραδιενέργειας στο πλαίσιο της επέκτασης του τηλεμετρικού δικτύου και ορίζεται η μεθοδολογία δειγματοληψίας. Αντίστοιχη μεθοδολογία προσδιορισμού δυσμενέστερων σεναρίων με το Hysplit, και αναλυτικής μελέτης τους με το JRodos πραγματοποιήθηκε για ενδεχόμενη έκλυση από πυρηνοκίνητο υποβρύχιο το οποίο ελλιμενίζεται στο λιμάνι της Σούδας. Μελετήθηκαν συνολικά 13 δυσμενέστερα σενάρια, και ταυτοποιήθηκαν οι αναμενόμενες δράσεις προστασίας κατά το στάδιο της απόκρισης σε αντίστοιχο συμβάν. Στη συνέχεια, ακολούθησε μελέτη των επιπτώσεων στον πληθυσμό κατά τη δοκιμή πυρηνικού όπλου. Αναλύθηκε η μεθοδολογία που αξιοποιήθηκε με τη χρήση του λογισμικού Hysplit για τη μελέτη πυρηνικών δοκιμών διαφορετικής ισχύος. Ακόμη, υπολογίστηκαν και ταυτοποιήθηκαν οι αναμενόμενες δόσεις στον πληθυσμό από τις κύριες οδούς έκθεσης, καθώς και ο ρυθμός δόσης στον αέρα. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μοντελοποίηση ραδιολογικού συμβάντος, το οποίο βασιζόταν σε έκλυση καισίου εντός αστικού περιβάλλοντος και υπολογίστηκαν οι αναμενόμενες δόσεις στον πληθυσμό. Όλες οι παραπάνω μελέτες επικυρώνονται με τη συμμετοχή σε ασκήσεις διασύγκρισης των ανωτέρω λογισμικών, αλλά και ασκήσεις έκτακτης ανάγκης, οι οποίες επιδεικνύουν την ορθή χρήση τους και την εξαγωγή έγκυρων αποτελεσμάτων. Με σκοπό την ορθή λήψη αποφάσεων στο στάδιο της απόκρισης σε οποιαδήποτε από τις παραπάνω ενδεχόμενες καταστάσεις έκτακτης ανάγκης, πραγματοποιήθηκε βαθμονόμηση των ανιχνευτών γ-φασματοσκοπίας χαμηλού υποβάθρου που βρίσκονται στο εργαστήριο της Ελληνικής Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας (ΕΕΑΕ). Ακολούθησε μοντελοποίηση των ανιχνευτών με τη χρήση του κώδικα Monte Carlo “PENELOPE”, και υπολογιστική βαθμονόμησή τους για διαφορετικές γεωμετρίες μέτρησης, με τη χρήση της μεθόδου μεταφοράς απόδοσης. Ακόμη, προσδιορίστηκαν τα ελάχιστα όρια ανίχνευσης σε διαφορετικούς χρόνους μέτρησης για τα ραδιονουκλίδια ενδιαφέροντος εντός της τροφικής αλυσίδας ή στο χώμα, μετά από ενδεχόμενη έκλυση ραδιενεργού υλικού. Στο πλαίσιο της εξαγωγής ορθών αποτελεσμάτων, αναλύθηκε η μεθοδολογία διόρθωσης για το φαινόμενο της αυτοαπορρόφησης και αναπτύχθηκε μεθοδολογία διόρθωσης για το φαινόμενο της πραγματικής σύμπτωσης με τη χρήση του κώδικα Monte Carlo “PENELOPE”. Το σύστημα ποιότητας και η ορθή διεξαγωγή των ανωτέρω επικυρώθηκε με τη συμμετοχή σε διεργαστηριακές ασκήσεις, οι οποίες περιγράφονται αναλυτικά στο πλαίσιο της εν λόγω ΔΔ. Ειδική μνεία οφείλει να γίνει στην άσκηση διασύγκρισης δειγμάτων με υψηλή φυσική ραδιενέργεια (γνωστά ως NORM), η οποία διοργανώθηκε από το εργαστήριο της ΕΕΑΕ, υπό την αιγίδα του Διεθνούς Οργανισμού Ατομικής Ενέργειας. Περιγράφεται αναλυτικά η μεθοδολογία προετοιμασίας των δειγμάτων, καθώς και αξιολόγησης των συμμετεχόντων. Τέλος, πραγματοποιείται βαθμονόμηση των φορητών in situ ανιχνευτών γ-φασματοσκοπίας που αναμένεται να χρησιμοποιηθούν για την απόκριση σε ενδεχόμενη κατάσταση έκτακτης ανάγκης.