Modelling the Spread of Cyclotron Exhausts
Terho, Nina (2022)
Terho, Nina
2022
Teknis-luonnontieteellinen DI-ohjelma - Master's Programme in Science and Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-11-16
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202210318034
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202210318034
Tiivistelmä
Cyclotrons are used to produce radioisotopes for radiopharmaceuticals in medical diagnosis and treatment. Because the produced isotopes are relatively short-lived, it is often required to produce them on the site they are further used. Following the operation, radioactive waste is always released into the atmosphere, and before starting such operation, the operator is required to show that the exhausts do not risk the population radiation safety. This dissertation studied the atmospheric spread of radionuclides in a schematic situation where a cyclotron operation would be launched at Tampere University Hospital (Tays), and because no complete calculation tool was available, one was created.
Radioactivity concentrations of C-11 and F-18 were modelled in the vicinity of the emission by applying a Gaussian dispersion model, assuming constant meteorological and source conditions, and neglecting terrestrial elevation. The maximum concentrations were determined at five heights above the ground in two release scenarios: 1) normal, continuous release and 2) instantaneous accidental leak. The results were applied for dose calculations to investigate the magnitude of radiation doses in the environment of the cyclotron.
The concentration profiles drawn in several planes showed that the maximum concentration moved towards the source and increased as the point of observation approached the release height. The dose calculations revealed that the maximum allowed dose was exceeded in both normal release and accidental leak scenarios at some calculation points. In each modelled scenario, the dose limit was exceeded only at the level of release height.
The outcome of this dissertation was a calculation tool using which a good estimate of the magnitude of the doses resulting from cyclotron operation at Tays was made. With the input parameter values used for the dose calculations, the maximum acceptable radiation dose was exceeded at some points at the height of release, which would limit placing high buildings in the vicinity of the exhaust chimney. The knowledge of the real future situation at Tays was limited, and therefore the nature of this study was entirely hypothetical. Syklotroneja käytetään tuottamaan lääketieteellisessä diagnostiikassa ja hoidossa tarvittavia radiolääkkeitä. Syklotronilla tuotetut isotoopit ovat usein lyhytikäisiä, joten ne on valmistettava paikassa, jossa niitä edelleen käytetään. Isotooppien valmistuksessa vapautuu aina radioaktiivista jätettä ilmakehään, ja ennen toiminnan aloittamista toiminnanharjoittajan on osoitettava, etteivät päästöt vaaranna väestön säteilyturvallisuutta. Tässä diplomityössä tutkittiin radionuklidien leviämistä ilmakehässä kuvitteellisessa tilanteessa, jossa syklotronitoiminta aloitettaisiin Tampereen yliopistollisessa sairaalassa (Tays), ja koska valmista laskentatyökalua ei ollut saatavilla, sellainen luotiin.
C-11 ja F-18 -isotooppien konsentraatioita mallinnettiin päästön läheisyydessä hyödyntäen Gaussista leviämismallia olettaen sääolosuhteet ja päästön ominaisuudet vakioksi, sekä jättäen maanpinnan korkeusvaihtelut huomioimatta. Maksimikonsentraatiot määritettiin viidellä korkeudella maanpinnan yläpuolella kahdessa päästöskenaariossa: 1) normaali, jatkuva päästö ja 2) hetkellinen onnettomuuspäästö. Tuloksia sovellettiin annoslaskelmiin väestön säteilyannoksen suuruuden arvioimiseksi syklotronin ympäristössä.
Eri tasoihin piirretyistä konsentraatioprofiileista nähtiin, että maksimikonsentraatio siirtyi kohti päästölähdettä ja sen arvo kasvoi havaintopisteen lähestyessä päästön korkeutta. Annoslaskelmat osoittivat, että suurin sallittu säteilyannos ylitettiin sekä normaalissa että onnettomuuspäästössä joissakin laskentapisteissä. Annosraja ylittyi vain päästön korkeuden tasossa jokaisessa mallinnetussa tilanteessa.
Tämän diplomityön tuotos on laskentatyökalu, jota hyödyntäen tehtiin hyvä arvio Taysin syklotronitoiminnan seurauksena aiheutuvien säteilyannosten suuruudesta. Annoslaskelmissa käytetyillä muuttujien arvoilla suurin sallittu säteilyannos ylittyi joissain pisteissä päästölähteen korkeudella, mikä rajoittaisi korkeiden rakennuksien sijoittamista poistopiipun läheisyyteen. Tietämys Taysin todellisesta tulevaisuuden tilanteesta oli rajallinen, minkä vuoksi tämän tutkimuksen luonne oli täysin hypoteettinen.
Radioactivity concentrations of C-11 and F-18 were modelled in the vicinity of the emission by applying a Gaussian dispersion model, assuming constant meteorological and source conditions, and neglecting terrestrial elevation. The maximum concentrations were determined at five heights above the ground in two release scenarios: 1) normal, continuous release and 2) instantaneous accidental leak. The results were applied for dose calculations to investigate the magnitude of radiation doses in the environment of the cyclotron.
The concentration profiles drawn in several planes showed that the maximum concentration moved towards the source and increased as the point of observation approached the release height. The dose calculations revealed that the maximum allowed dose was exceeded in both normal release and accidental leak scenarios at some calculation points. In each modelled scenario, the dose limit was exceeded only at the level of release height.
The outcome of this dissertation was a calculation tool using which a good estimate of the magnitude of the doses resulting from cyclotron operation at Tays was made. With the input parameter values used for the dose calculations, the maximum acceptable radiation dose was exceeded at some points at the height of release, which would limit placing high buildings in the vicinity of the exhaust chimney. The knowledge of the real future situation at Tays was limited, and therefore the nature of this study was entirely hypothetical.
C-11 ja F-18 -isotooppien konsentraatioita mallinnettiin päästön läheisyydessä hyödyntäen Gaussista leviämismallia olettaen sääolosuhteet ja päästön ominaisuudet vakioksi, sekä jättäen maanpinnan korkeusvaihtelut huomioimatta. Maksimikonsentraatiot määritettiin viidellä korkeudella maanpinnan yläpuolella kahdessa päästöskenaariossa: 1) normaali, jatkuva päästö ja 2) hetkellinen onnettomuuspäästö. Tuloksia sovellettiin annoslaskelmiin väestön säteilyannoksen suuruuden arvioimiseksi syklotronin ympäristössä.
Eri tasoihin piirretyistä konsentraatioprofiileista nähtiin, että maksimikonsentraatio siirtyi kohti päästölähdettä ja sen arvo kasvoi havaintopisteen lähestyessä päästön korkeutta. Annoslaskelmat osoittivat, että suurin sallittu säteilyannos ylitettiin sekä normaalissa että onnettomuuspäästössä joissakin laskentapisteissä. Annosraja ylittyi vain päästön korkeuden tasossa jokaisessa mallinnetussa tilanteessa.
Tämän diplomityön tuotos on laskentatyökalu, jota hyödyntäen tehtiin hyvä arvio Taysin syklotronitoiminnan seurauksena aiheutuvien säteilyannosten suuruudesta. Annoslaskelmissa käytetyillä muuttujien arvoilla suurin sallittu säteilyannos ylittyi joissain pisteissä päästölähteen korkeudella, mikä rajoittaisi korkeiden rakennuksien sijoittamista poistopiipun läheisyyteen. Tietämys Taysin todellisesta tulevaisuuden tilanteesta oli rajallinen, minkä vuoksi tämän tutkimuksen luonne oli täysin hypoteettinen.