Tritium distribution and characteristics inside the reactor hall of the TRIGA Center Atominstitut

Abstract

Während des Betriebes von nuklearen Einrichtungen wird durch verschiedenste Aktivierungs- und Spaltungsvorgänge Tritium (3H, T1/2 = 12,33 a) produziert und als Tritiumoxid (überschweres Wasser, HTO) an die Umgebung abgegeben. Da es sich bei Tritium um einen radioaktiven Betastrahler handelt, muss, im Sinne des Strahlenschutzes, eine genaue Überwachung der Konzentration in Innenräumen durchgeführt werden, um die Sicherheit der Angestellten zu gewährleisten und eventuelle Leckagen zu identifizieren. Bei den derzeitig vorhandenen Systemen ist es schwierig, gleichzeitig hohe Repräsentativität, Empfindlichkeit und räumliche Auflösung zu erreichen. In der vorliegenden Arbeit wird ein passives Überwachungssystem vorgestellt, das einen neu konzipierten passiven Probennehmer enthält und ein angepasstes analytisches Protokoll für die erste umfassende 3D-Charakterisierung der HTO-Verteilung innerhalb einer nuklearen Reaktoranlage umfasst. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Technik eine lineare Probenahme in jeder Umgebung und die gleichzeitige Vorbereitung von hunderten Proben innerhalb eines Tages ermöglicht. Die aufgearbeiteten Proben wurden danach mittels Flüssigszintillation vermessen und das gesamte Verfahren in mehreren Schritten validiert, um die Messwerte zu untermauern. Mithilfe der dreidimensionalen Überwachungsmatrix wurden zum ersten Mal die signifikanten räumlichen Unterschiede in den HTO-Konzentrationen (75 – 946 mBq/m^3 ) in der Reaktorhalle des TRIGA Center Atominstituts nachgewiesen. Im Anschluss wurde mit dem Massebilanzmodell die HTO-Freisetzungsrate (3199 ± 306 mBq/h) bestimmt, mit der theoretischen Berechnung (2947 ± 254 mBq/h) verglichen, was auf einen stabilen, leckagefreien Betrieb des Reaktors schließen lässt. Dieses neuartige Verfahren stellt somit dem Forschungsgebiet der nuklearen Forensik ein validiertes kostengünstiges Tool zu Verfügung, mit dem die Verteilung und Charakteristik von Tritium in Innenräumen dargestellt werden kann.

During the operation of nuclear facilities, tritium (3H, T1/2 = 12,33 a) is produced by various activation and fission processes and released into the environment as tritium oxide (super-heavy water, HTO). As tritium is a radioactive beta emitter, close monitoring of indoor concentrations must be carried out to ensure the safety of staff and to identify any leaks. However, simultaneously achieving high representativeness, sensitivity, and spatial resolution is challenging with current systems. This study introduces a passive monitoring system that includes a newly designed passive sampler and a tailored analytical protocol for the first comprehensive 3D characterization of HTO distribution within a nuclear reactor facility. The results demonstrate that this technique allows linear sampling in any environment and simultaneous preparation of hundreds of samples within one day. The processed samples were subsequently measured using liquid scintillation counting, and the entire procedure was validated in multiple steps to ensure the reliability of the measurements. Using the three-dimensional monitoring matrix, significant spatial differences in HTO concentrations (75 – 946 mBq/m^3 ) were observed for the first time in the reactor hall of the TRIGA Center at the Atominstitut. Furthermore, the HTO release rate (3199 ± 306 mBq/m^3 ) was determined using a mass balance model, compared with theoretical calculations (2947 ± 254 mBq/m^3 ), and indicates a stable and leak-free operation of the reactor. This novel approach provides a validated, cost-effective tool for the field of nuclear forensics, enabling the visualization of the distribution and characteristics of tritium in indoor spaces.