Anmerkungen zur praktischen Anwendung des segmentierten Gamma-Scannings

Aktuelle segmentierte Gamma-Scan-Systeme erlauben einen weitestgehend automatisierten Betrieb: das Messobjekt wird auf dem Scanner positioniert, einige Parameter vorgewählt und die Messung anschließend gestartet. Nach Beendigung der Messung werden die Daten (Messparameter, Spektren etc.) gespeichert, eine Gamma-spektrometrische Analyse des Summenspektrums gestartet und auf der Grundlage dieser Ergebnisse ein Bericht der im Messobjekt enthaltenen Radionuklide und deren Aktivitäten erstellt, optimalerweise auch mit (nachvollziehbaren) Angaben der Unsicherheiten der bestimmten Aktivitäten.

Dieser „Automatismus“ ist für Routineaufgaben, bei denen das Aktivitätsinventars immer gleicher Messobjekte untersucht werden sollen, gut geeignet. Voraussetzung sind korrekt gewählte Parameter für den Messvorgang sowie die anschließende Datenanalyse und -auswertung.

Sobald aber Abweichungen von diesen Routineaufgaben auftreten, können die auf diese Weise erzielten Ergebnisse zu teilweise drastischen Fehlinterpretationen und -deklarationen führen, sei es aufgrund von

• zu niedriger oder zu hoher Aktivitätswerte für die ermittelten Radionuklide, aufgrund falscher oder unzureichend unterstellter Annahmen (Homogenität, Dichte, Innenbehälter etc.) für das verwendete Auswertemodell,
• falschen oder fehlenden Radionuklidzuordnungen bei der Spektrumsanalyse aufgrund unvollständiger Nuklidbibliotheken, die oftmals „nur“ die routinemäßig vorkommenden Radionuklide enthalten, oder komplexere Zusammenhänge im Analysealgorithmus nicht erkennen (gleiche charakteristische Linien von verschiedenen Radionukliden).

Hieraus folgt:

Nachfolgend sind Anhaltspunkte für die Art der Informationen und ihre Beschaffung aufgeführt (ohne Anspruch auf Vollständigkeit, da hierauf die (Anlagen-)spezifischen Bedingungen wesentlichen Einfluss haben).

Herkunft

Die erste Informationsart ist die Herkunft des Messobjekts. Man unterscheidet zwischen

• Abfällen aus dem laufenden Betrieb
• Abfällen aus dem Rückbau
• Altabfällen mit teilweise unbekannter Historie
• Sonstigen Behältern mit radioaktivem Inhalt

Im ersten Fall, Behältern mit Abfällen aus dem laufenden Betrieb, sind Inhalt und Zusammensetzung meist gut bekannt. Hier kann der automatisierte Betrieb beim segmentierten Gamma-Scanning eingesetzt werden.

Vor Durchführung einer Messung/Messkampagne

• sind die eingestellten Parameter des Messsystems (Scanmodus, Kollimator, Anzahl an Sektoren, Schichten oder Schritte, Messzeit, Abstand Detektor-Messobjekt etc.) zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen;
• ist die in der Spektrumsanalyse verwendete Nuklidbibliothek auf das Vorhandensein aller zu erwartenden Radionuklide zu überprüfen und gegebenenfalls zu ergänzen;
• ist das eingesetzte Auswertemodell auf Kompatibilität mit der angegebenen Abfallzusammensetzung zu prüfen (d. h. sind die dem Auswertemodell zugrundeliegenden Annahmen erfüllt?);
• sind die entsprechenden Kalibrationen durchzuführen;
• sind nach Möglichkeit Testmessungen mit Kalibrationsbehältern gleicher bzw. ähnlicher Zusammensetzung zur Überprüfung und Verifikation der gewählten Einstellungen durchzuführen;
• sind alle messrelevanten Informationen zu dokumentieren.

Bei Abfällen aus dem Rückbau ist meist deren Herkunft bekannt (biologischer Schild, Nebengebäude, Radionuklidlabore etc.). Diese Informationen lassen oftmals Rückschlüsse auf die Materialzusammensetzung im Behälter zu sowie auf das zu erwartende Aktivitätsinventar. Oftmals sind die entsprechenden Nuklidvektoren aus radiochemischen Analysen von Proben aus dem rückzubauenden Bereich bekannt.

In diesen Fällen ist vor der Durchführung einer Messung/Messkampagne wie im Fall von Behältern mit Abfällen aus dem laufenden Betrieb vorzugehen. Beispielsweise ist die Nuklidbibliothek daraufhin zu prüfen, ob alle (Gamma-strahlenden) Radionuklide des Nuklidvektors, inklusive deren Töchter, darin enthalten sind. Das Messverfahren (Scanmodus) und das Auswertemodell sind der jeweiligen Abfallzusammensetzung anzupassen.

Fehlen diese Informationen teilweise oder ganz, dann ist entsprechend der Schritte für Altabfälle vorzugehen.

Altabfälle mit teilweise unbekannter Historie stellen die anspruchsvollste Aufgabenstellung der Charakterisierung radioaktiver Abfälle dar. Hier muss zunächst generell unterstellt werden, dass in dem Behälter alles(!) enthalten sein kann. Dies betrifft Radionuklide, Aktivitäten, Materialien, Abschirmungen, Innenbehälter etc.

Ohne weitere Informationen sind die Ergebnisse einer „normalen“ segmentierten Gamma-Scan-Messung an Altabfällen wenig bis überhaupt nicht belastbar. Sie können zwar Informationen über das Radionuklidinventar liefern (qualitative Auswertung), nicht aber deren Aktivitätswerte (zumindest mit einem glaubwürdigen Unsicherheitsbereich). Hier ist man auf zusätzliche a priori Informationen angewiesen, um die entsprechenden Einstellungen (Messparameter, Scanmodus, Nuklidbibliothek, Auswertemodell etc.) vorzunehmen. Zusätzlich können, falls vom Messsystem unterstützt, weitere Scanmodi zur Ermittlung von Hinweisen auf Innenbehälter oder innere Abschirmungen, auf fehlerhafte Füllvorgänge von Innenbehältern etc. gewonnen werden.

Der letzte Fall, sonstige Behälter mit radioaktivem Inhalt, bezieht sich beispielsweise auf Radionuklide, die in medizinischen Generatoren enthalten sind, Versandstücke mit radioaktiven Inhalten, wie z. B. Kalibrationsquellen, oder auch Volumenquellen, wie sie beispielsweise für Kalibrationszwecke eingesetzt werden.

Auch diese Behälter können prinzipiell mittels segmentiertem Gamma-Scanning charakterisiert werden. Meist sind die Abmessungen, Materialzusammensetzungen und das Aktivitätsinventar bekannt. In diesen Fällen sind vor allem die in der Analyse eingesetzten Nuklidbibliotheken entsprechend anzupassen sowie ein geeignetes Auswertemodell zu wählen.

A priori Informationen

Ergänzend zur Information über die Herkunft eines Messobjekts sind a priori Informationen ein wichtiger Bestandteil der Qualitätskontrolle. Sie dienen einerseits der Verifizierung der in den Messungen und Auswertungen unterstellten Annahmen, andererseits können sie ergänzende oder fehlende Angaben für die Auswahl der korrekten Messart (Scanmodus) und Analyseverfahren liefern.

A priori Informationen können wie folgt unterschieden werden:

• Informationen zum Messobjekt
• Informationen zum Messsystem
• sonstige Informationen

Informationen zum Messobjekt:
Das Messobjekt ist in der Regel ein zertifizierter Behälter. Die zugehörigen Datenblätter enthalten Angaben zu dessen Abmessungen, Masse, die maximale Zuladung etc. Für andere Behälter können die Abmessungen beispielsweise durch Messung und die Masse durch Abschätzung aus den Abmessungen, angenommenen Wandstärken und -materialien gewonnen werden.

Diese Informationen können in den Auswertemodellen für die Berücksichtigung der Schwächung der emittierten Gamma-Strahlung in der Behälterwand genutzt werden. Zusammen mit dem Ergebnis einer Wägung kann hieraus unter der Annahme der Abwesenheit weiterer Innenbehälter die Nettomasse der Matrix bestimmt werden sowie zusammen mit dem Füllvolumen, welches entweder den Datenblättern entnommen oder aus den Außenabmessungen und den (angenommenen) Wandstärken abgeschätzt wird, die mittlere Dichte der (aktiven) Matrix ermittelt werden.

Neben den aufgeführten Punkten können noch zahlreiche weitere Informationen zum Messobjekt vorhanden sein. Diese sind oftmals nicht quantitativer Art, sondern qualitativ. Ein Beispiel ist die Information (z. B. in den Transportpapieren), dass es sich beim Inhalt des Behälters um zementierte Aschen handelt. Mit der Kenntnis der typischen Dichte zementierter Aschen (z. B. aus Datenbanken oder früheren (radiochemischen) Analysen) und der Nettomasse kann das Füllvolumen berechnet werden. Hieraus lassen sich Rückschlüsse auf die Füllhöhe ableiten, welche wiederum in Parameter der Auswertmodelle eingehen kann. Ist das derart ermittelte Füllvolumen (deutlich) größer als das tatsächlich mögliche Füllvolumen (Behälterdaten), dann kann dies wiederum auf eine fehlerhafte Deklaration des Behälterinhalts hinweisen.

Informationen zum Messsystem
Die mechanischen Komponenten des Messsystems (d. h. des segmentierten Gamma-Scanners in diesem Fall) bestimmen die möglichen Scanmodi. Deren Verfügbarkeit schränkt unter Umständen den Einsatz für bestimmte Messaufgaben ein und muss berücksichtigt werden. Beispielsweise können mit einem Messsystem, bestehend aus einem Drehteller für das Messobjekt und einer Hubeinheit für den Detektor, keine Hinweise über mögliche Innenbehälter gewonnen werden. Hierfür wäre eine zusätzliche Translations- oder Schwenkachse erforderlich.

Auch das verwendete Detektorsystem, dessen Einstellungen und eine möglicherweise verwendete Kollimation haben Einfluss auf die Eignung eines segmentierten Gamma-Scan-Systems für eine spezielle Messaufgabe. Ohne Kollimation sind beispielsweise nur Messungen in offener Geometrie sinnvoll möglich. Der eingestellte Energiebereich des Detektorsystems muss alle relevanten charakteristischen Linien der im Behälter befindlichen Radionuklide erfassen können. Die Energieauflösung des Detektorsystems muss gut genug sein, um auch relevante charakteristische Linien bei ähnlichen Energien trennen zu können.

Sonstige Informationen
Unter den sonstigen Informationen können beispielsweise Ergebnisse anderer Messverfahren, wie Dosisleistungsmessungen, Transmissionsmessungen (Radiographie oder Tomographie), passiver und aktiver Neutronenmessungen sowie Ergebnisse radiochemischer Analysen aus repräsentativen Probenahmen zusammengefasst werden. Auch weitere qualitative Informationen gehören hierzu. Diese Informationen können wiederum bei der Festlegung der Mess- und Auswerteparameter genutzt werden und reduzieren in der Regel die Unsicherheiten.

Oftmals erlaubt das Vorhandensein von zusätzlichen Messergebnissen alternativer Messverfahren die Anwendung kombinierter Auswertungen.