Étude de l’activation induite dans les accélérateurs utilisés pour les applications médicales et optimisation des opérations de leur démantèlement

study of activation in medical LINAC for dismantling optimization

• Auteur / Autrice : Irmina Peiro riera
• Direction : Valentin Blideanu
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Radio et hadron-thérapies
• Date : Inscription en doctorat le 02/11/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Activation

Calcul Monte carlo

Démantèlement

Linac medical

Spectrométrie

Spectrometry

Monte carlo calculation

Dismantling

Medical LINAC

Activation

Résumé

De nombreux accélérateurs de particules sont utilisés dans les hôpitaux et centres cliniques dans le monde à des fins médicales. En fin de vie, lors de leur démantèlement, certains composants de ces accélérateurs, de géométrie souvent complexe, sont radioactifs suite à leur activation par les faisceaux accélérés utilisés et par les particules secondaires générées par l’interaction de ces faisceaux avec les matériaux. La radiothérapie représente l’utilisation principale de ces installations, avec plus de 500 accélérateurs recensés en France et une augmentation de leur nombre d’environ 14 % sur ces 5 dernières années. Des accélérateurs sont également utilisés dans la production des radio-isotopes pour le diagnostic en médecine nucléaire, et bien que leur nombre soit largement inférieur à celui des accélérateurs de radiothérapie, les techniques d’accélération utilisées sont susceptibles de générer des quantités plus importantes de déchets radioactifs. Actuellement, le nombre de demandes adressées à l’ANDRA (Agence Nationale pour la gestion de Déchets Radioactifs) concernant la prise en charge de pièces activées issues du démantèlement des accélérateurs utilisés dans les applications médicales est croissant et ne cessera d’augmenter au fil des années compte tenu du parc actuel et de son évolution à la hausse. Le volume des composants, leur masse et les activités radiologiques présumées permettraient d’envisager un classement des déchets en TFA (Très Faiblement Actif) pour la plupart des pièces issues de ces démantèlements. Par ailleurs, certaines pièces susceptibles d’être activées peuvent présenter des niveaux d’activité suffisamment faibles pour être classifiées en déchet conventionnel, optimisant ainsi le flux vers l’exutoire final. Cependant, les mesures radiologiques pouvant être réalisées sur les composants lors des opérations de démantèlement afin de valider les filières d’évacuation sont limitées aux radio-isotopes émetteurs gamma ou bêtagamma qui ne représentent qu’une partie de l’inventaire radiologique. Les émetteurs bêta purs qui sont souvent les contributeurs majoritaires à l’activation induite ne sont pas mesurables lors de ces opérations. Il est donc très important de disposer d’une méthode fiable permettant de déterminer par calcul avec une bonne précision l’inventaire radiologique complet pour chacune des pièces activées. Le sujet de thèse proposé a comme objectif d’apporter une réponse adéquate à cette demande. Le Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB) de la DRT est déjà en relation étroite avec l’ANDRA afin d’étudier la problématique notamment à travers un groupe de travail dédié. Ce groupe de travail présidé par l’ANDRA démontre le besoin fort des acteurs du démantèlement quant à l’identification des solutions appropriées pour gérer la problématique des déchets radioactifs issus du démantèlement des accélérateurs utilisés dans les applications médicales. Il réunit des experts dans cette thématique. A ce titre, le LNHB a été sollicité afin d'apporter son expertise dans les domaines des interactions rayonnement-matière, des mesures dosimétriques, des mesures spectrométriques et de radioactivité. Il s’agit d’une première dans la manière d’aborder cette problématique à travers la mise en place de méthodes précises s’inscrivant dans la spécificité des activités du LNHB, le laboratoire français en charge de la métrologie des rayonnements ionisants. L’approche est basée sur la modélisation détaillée des accélérateurs et des interactions rayonnement-matière par des codes de calcul et la mesure rigoureuse des spectres d’émission des radio-isotopes créés par l’activation. Les accélérateurs pour les traitements par radiothérapie utilisent dans leur grande majorité des électrons à des énergies pouvant atteindre une énergie de 20 MeV, soit pour traiter directement des tumeurs localisées à de faibles profondeurs (voire en surface) ou pour obtenir un faisceau de photons par rayonnement de freinage. Dans ce dernier cas qui correspond à la méthode de traitement la plus courante, ce sont les photons qui vont irradier la tumeur. La source d’activation identifiée pour ce type d’accélérateur est liée aux neutrons secondaires produits par les photons, sous certaines conditions, au travers de réactions nucléaires avec les noyaux des éléments des accélérateurs. La première difficulté que la thèse se propose de traiter concerne la connaissance précise de ces réactions, étape primordiale, car celles-ci définissent le terme source neutronique à l’origine de l’activation des accélérateurs. En effet, les réactions photo-nucléaires, assez peu étudiées, ont la particularité d’être “à seuil” (c’est à dire qu’elles ne peuvent être induites que par des photons d’énergie supérieure à une certaine valeur) et leur probabilité dépend fortement du noyau cible. Même si des modèles théoriques existent pour les décrire, la véracité de leur précision souffre de l’absence de jeux complets et précis de données expérimentales. Les codes de calcul utilisent les valeurs issues de ces modèles, ce qui peut potentiellement conduire à des erreurs importantes dans le calcul du taux de production des neutrons et in fine du niveau d’activation induite par ces derniers et de la composition du spectre radiologique associé. Pour y remédier, une étape du travail de thèse consistera en la réalisation de nouvelles mesures de production des neutrons et de leur distribution en énergie par des réactions photo-nucléaires pour des éléments représentatifs des matériaux présents dans les accélérateurs médicaux. Les mesures seront réalisées en utilisant les accélérateurs d’électrons disponibles sur la plateforme DOSEO du LNHB et du Service Capteurs et Instrumentation (SCI) de la DRT, en collaboration avec les équipes de ce service et d’autres structures de la DRF disposant de moyens et de compétences dans la détection de neutrons comme le SPhN et les équipes du GANIL. Ces mesures permettront, par comparaison avec la production des neutrons modélisée par les codes de calcul, de vérifier les performances de ces derniers et de faire les ajustements nécessaires afin de garantir une bonne précision des calculs. Les calculs d’activation induite par les neutrons dans les composants des accélérateurs seront réalisés en utilisant des outils déterministes existants. Ces outils de calcul utilisent des bibliothèques de sections efficaces pour calculer la probabilité de création des radio-isotopes par les réactions neutron-noyau. Ces sections efficaces sont généralement bien connues, les réactions neutroniques ayant été largement étudiées. Cependant la précision des outils de calcul d’activation est affectée par la structure plus ou moins fine des groupes en énergie des neutrons retenus pour les bibliothèques de sections efficaces. Le nombre des groupes peut aller de 25 dans les approches les plus simplifiées à plus de 700, la précision du calcul augmentant avec le nombre de groupes utilisés notamment pour les réactions dont la probabilité présente des zones de résonances. Une étude de sensibilité sera réalisée pendant la thèse, consistant à irradier des échantillons de diverses matériaux dans les faisceaux des accélérateurs médicaux de la plateforme DOSEO. L’activation induite et les contributions de chaque radio-isotope seront calculées en utilisant les différentes options de calcul disponibles et mesurées par spectrométrie afin d’étudier l’influence sur les résultats des calculs de la précision liée au nombre des groupes en énergie utilisé. Les mesures spectrométriques seront réalisées en collaboration avec le SCI et le Laboratoire de Métrologie de l’Activité du LNHB. Le sujet proposé permettra la mise en place d’une méthodologie rigoureusement validée pour la détermination de l’inventaire radiologique des pièces activées des accélérateurs médicaux. Cette problématique n’a jamais été précisément traitée. En effet, les accélérateurs médicaux n’ayant pas une grande ancienneté, les aspects liés à leur démantèlement commencent juste à être abordés sous l’impulsion des principaux acteurs: exploitants, entités en charge de la gestion des déchets, sociétés en charge des chantiers. La connaissance précise de l’activation induite permettra une meilleure gestion des déchets issus du démantèlement des accélérateurs médicaux, en définissant les bonnes filières et en optimisant les flux vers les différents entreposages ou réutilisations. Au-delà du besoin exprimé par la communauté française, ces travaux s’inscrivent dans un contexte plus large de niveau international. Le parc des accélérateurs médicaux dans le monde suit la même tendance croissante qu’en France et les chantiers de démantèlement vont se multiplier les prochaines années. Grace à ces travaux précurseurs dans le domaine, le CEA pourra se positionner en proposant à la communauté internationale une méthodologie précise et fiable.

Many particle acelarators are used in hospitals and clinical centers around the world for medical purposes. At the end of their life, when they are dismantled, certain components of these accelerators, often of complex geometry, are radioactive following their activation by the accelerated beams used and by the secondary particles generated by the interaction of these beams with the materials. Radiotherapy represents the main use of these facilities, with more than 500 LINAC used in France and an increase in their number of about 14% over the last 5 years. accelerators are also used in the production of radioisotopes for nuclear medicine diagnostics, and although their number is much lower than that of radiotherapy LINACs, the acceleration techniques used are likely to generate larger quantities of radioactive waste. Currently, the number of requests addressed to ANDRA (Agence Nationale pour la gestion de Déchets Radioactifs) concerning the handling of activated parts resulting from the dismantling of LINACs used in medical applications is growing and will continue to grow over the years given the current fleet and its increasing evolution. The volume of the components, their mass and the presumed radiological activities would make it possible to envisage a classification of the waste as TFA (Very Low Active) for most of the parts resulting from these dismantling operations. In addition, some parts that are likely to be activated may have activity levels low enough to be classified as conventional waste, thus optimizing the flow to the final outlet. However, radiological measurements tests that can be carried out on components during dismantling operations in order to validate the evacuation procedures are limited to gamma- or betagamma-emitting radioisotopes, which represent only part of the radiological inventory. Pure beta emitters, which are often the majority contributors to induced activation, are not measurable during these operations. It is therefore very important to have a reliable method for determining the complete radiological inventory for each of the activated parts by calculation with a good degree of accuracy. The proposed thesis topic aims to provide an adequate answer to this request. The Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB) of the DRT is already in close relationship with ANDRA in order to study the problem in particular through a dedicated working group. This working group, chaired by ANDRA, demonstrates the strong need of those involved in decommissioning to identify appropriate solutions to manage the problem of radioactive waste resulting from the dismantling of gas pedals used in medical applications. It brings together experts in this field. The LNHB has been asked to contribute its expertise in the fields of radiation-matter interactions, dosimetric measurements, spectrometric measurements and radioactivity. This is the first time this method is proposed to deal with this issue through the implementation of precise methods that are part of the LNHB, the French laboratory in charge of ionizing radiation metrology, work. The approach is based on the detailed modeling of LINACs and radiation interactions using calculation codes and the rigorous measurement of the emission spectra of the radioisotopes created by the activation. LINACs for radiotherapy treatments mainly use electrons at energies up to 20 MeV, either to directly treat tumors located at shallow depths (or even on the surface) or to obtain an X_rays beam. In the latter case, which corresponds to the most common treatment method, it is the photons that will irradiate the tumor. The activation source identified for this type of LINACs is linked to secondary neutrons produced by the photons, under certain conditions, through nuclear reactions with the nuclei of the LINAC elements. The first difficulty that the thesis proposes to deal with concerns the precise knowledge of these reactions, which is essential because they define the neutron source at the origin of the activation of the LINACs. Indeed, photo-nuclear reactions are not well known and have the particularity of being 'threshold reactions' (i.e. they can only be induced by photons of energy above a certain value) and their probability depends strongly on the target nucleus. Although theoretical models exist to describe them, the veracity of their accuracy suffers from the lack of complete and accurate experimental data sets. Calculation codes use the values from these models, which can potentially lead to significant errors in the calculation of the neutron production rate and ultimately the level of activation induced by neutrons and the composition of the associated radiological spectrum. To overcome this, one of the steps of the thesis work will consist in the realization of new measurements of neutron production and energy distribution by photo-nuclear reactions for representative elements of the LINAC materials. The measurements will be carried out using the electron LINACs available on the DOSEO platform of the LNHB, in collaboration with the teams of this service and other structures of the DRF having means and skills in neutron detection such as the SPhN and the GANIL teams. These measurements will allow, by comparison with the neutron production modeled by the calculation codes, to verify the performance of the latter and to make the necessary adjustments to guarantee a good accuracy of the calculations. The calculations of neutron-induced activation in the LINAC components will be performed using existing deterministic tools. These calculation tools use libraries of cross sections to calculate the probability of radioisotope creation by neutron-captures. These cross sections are generally well known, since neutron reactions have been widely studied. However, the accuracy of the activation calculation tools is affected by the more or less fine structure of the neutron energy groups. selected for cross section libraries. The number of groups can range from 25 in the most simplified approaches to more than 700, the accuracy of the calculation increasing with the number of groups used, especially for reactions with resonance zones. A sensitivity study will be performed during the thesis, consisting in irradiating samples of various materials in the beams of the medical LINACs of the DOSEO platform. The induced activation and the contributions of each radioisotope will be calculated using the different calculation options available and measured by spectrometry in order to study the influence on the results of the calculations of the precision related to the number of groups in energy used. The spectrometric measurements will be carried out in collaboration with the Laboratoire de Métrologie de l'Activité of the LNHB. The proposed topic will allow the implementation of a rigorously validated methodology for the determination of the radiological inventory of activated parts of medical LINACs. This issue has never been precisely addressed. Indeed, medical LINACs are not very old and the aspects related to their dismantling are just beginning to be addressed by operators, entities in charge of waste management, manufacturers. Precise knowledge of the induced activation will allow better management of waste from the dismantling of medical LINACs, by defining the best methods and optimizing the flows to the various storage sites or recycling use. Beyond the need expressed by the French community, this work is part of a wider international context. The number of medical LINACs around the world is following the same growing trend as in France, and dismantling needs will increase in the coming years. Thanks to this pioneering work in the field, the CEA will be able to position itself by offering the international community a precise and reliable methodology.