Il sistema di calcolo CALMET-CALPUFF è stato utilizzato per lo studio del trasporto a lunga distanza e la deposizione
di diverse specie radioattive a seguito di un ipotetico incidente nella centrale nucleare di Gösgen, situata presso il
Canton Soletta, Svizzera. CALPUFF è un modello gaussiano a puff in grado di descrivere la dispersione atmosferica
di inquinanti multi-specie su scale che vanno dalla decina alle centinaia di chilometri dalla sorgente. I dati meteorologici
sono stati simulati con il codice di calcolo 3D CALMET. I risultati in termini di concentrazioni dell’inquinante radioattivo
in aria e deposizione al suolo sono stati elaborati con il software GRADO (GRid_in Air of specific effective DOse),
messo a punto dal gruppo di ricerca per la definizione di mappe georeferenziate di dose da esposizione utilizzando i
coefficienti di conversione riportati nelle pubblicazioni ICRP. L’analisi dei risultati mostra che il pacchetto software
integrato CALMET-CALPUFF-GRADO può risultare uno strumento utile nelle strategie di gestione dell’emergenza in
caso di eventi incidentali come quello oggetto di studio

Basile S

Giardina M

Tomarchio E

Italian

Il sistema di calcolo CALMET-CALPUFF è stato utilizzato per lo studio del trasporto a lunga distanza e la deposizione
di diverse specie radioattive a seguito di un ipotetico incidente nella centrale nucleare di Gösgen, situata presso il
Canton Soletta, Svizzera. CALPUFF è un modello gaussiano a puff in grado di descrivere la dispersione atmosferica
di inquinanti multi-specie su scale che vanno dalla decina alle centinaia di chilometri dalla sorgente. I dati meteorologici
sono stati simulati con il codice di calcolo 3D CALMET. I risultati in termini di concentrazioni dell’inquinante radioattivo
in aria e deposizione al suolo sono stati elaborati con il software GRADO (GRid_in Air of specific effective DOse),
messo a punto dal gruppo di ricerca per la definizione di mappe georeferenziate di dose da esposizione utilizzando i
coefficienti di conversione riportati nelle pubblicazioni ICRP. L’analisi dei risultati mostra che il pacchetto software
integrato CALMET-CALPUFF-GRADO può risultare uno strumento utile nelle strategie di gestione dell’emergenza in
caso di eventi incidentali come quello oggetto di studio

Archivio istituzionale della ricerca - Università di Palermo

Convegno Nazionale AirpCagliari, 27 - 29 settembre 2023Definizione di mappe georeferenziate di dose da esposizioni per contaminazione da radionuclidi rilasciati nell'ambiente atmosferico in seguito ad un ipotetico evento incidentaleMariarosa Giardina, Elio Tomarchio, Salvatore BasileDipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Palermo, viale delle Scienze, 6, 90128 Palermo, Italiae-mail: mariarosa.giardina@unipa.itRiassuntoIl sistema di calcolo CALMET-CALPUFF è stato utilizzato per lo studio del trasporto a lunga distanza e la deposizione di diverse specie radioattive a seguito di un ipotetico incidente nella centrale nucleare di Gösgen, situata presso il Canton Soletta, Svizzera. CALPUFF è un modello gaussiano a puff in grado di descrivere la dispersione atmosfericadi inquinanti multi-specie su scale che vanno dalla decina alle centinaia di chilometri dalla sorgente. I dati meteorologici sono stati simulati con il codice di calcolo 3D CALMET. I risultatiin aria e deposizione al suolo sono stati elaborati con il software GRADO (GRid_in Air of specific effective DOse),messo a punto dal gruppo di ricerca per la definizione di mappe georeferenziate di dose da esposizione utilizzando icoefficienti di conversione riportati nelle pubblicazioni ICRP. pacchetto softwareintegrato CALMET-CALPUFF-GRADO può risultare uno strumento utile nelle strategie di in caso di eventi incidentali come quello oggetto di studio.INTRODUZIONEIl piano nazionale per la gestione delle emergenze radiologiche e nucleari, redatto in a fronteggiare le conseguenze di incidenti in impianti nucleari di potendi dispersione di inquinanti in atmosfera per la valutazione della dose da esposizione della popolazione.In questo contesto, nel presente lavoro vengono riportati i risultati ottenuti dalle analisi di trasporto a lunga distanza di diverse specie radioattive emesse in atmosfera a seguito di un ipotetico incidente, di tipo severo, nella centrale nucleare di Gösgen, situata presso il Canton Soletta, Svizzera. Le analisi sono state svolte tenendo in considerazione alcune delle condizioni al contorno utilizzate negli scenari incidentali esaminanti nel (D.P.C.M., 14 marzo 2022) e in (Guglielmelli e Rocchi, 2017).Per lo studio è stato impiegato il sistema di calcolo costituito dai codici CALPUFF (CALifornia PUFF Model) e CALMET (CALifornia METeorological Model) (Scire et al., 2000a; 2000b). I due codici fanno parte di un sistema di modellazione integrata, riconosciuto ed adottato per lo studio della dispersione e trasporto degli inquinanti su micro o macro-scala.In particolare, CALPUFF è un modello di dispersione atmosferica non stazionario, multi-specie,che simula il trasporto e la rimozione degli inquinanti su scale anche di centinaia di chilometri dalla sorgente emissiva. Inoltre, fornisce informazioni riguardanti la concentrazione oraria e la deposizione secca ed umida per ogni specie inquinante simulata.La versione del codice CALPUFF impiegato in questo lavoro è stata modificata utilizzando un nuovo modello per la velocità di deposizione secca delle particelle. Tale modello si basa sul concetto di resistenza aerodinamica che tiene in considerazione le caratteristiche orografiche locali e l'influenza reciproca dell'impatto inerziale delle particelle con i processi turbolenti che si verificano in atmosfera (Giardina et al., 2023).I dati meteorologici di input sono stati simulati con il codice 3D CALMET, che consente di generare campi di vento sia diagnostici che prognostici per il dominio di interesse.38 ISBN 99788888648521Convegno Nazionale AirpCagliari, 27 - 29 settembre 2023Il software GRADO (GRid_in Air of specific effective Dose) elabora gli output di CALPUFF relativi alle concentrazioni degli inquinanti in aria e deposizione al suolo, per ogni step temporale di calcolo, e definisce mappe georeferenziate di dosi effettive di esposizione orarie, oppure giornaliere, e dosi efficaci cumulative, computate con i coefficienti di dose riportati in (ICRP, 2012, 2020) per i diversi gruppi della popolazione. risultati mostra che sistema il sistema di modellazione integrata CALMET-CALPUFF-GRADO può risultare uno strumento appropriato per condurre valutazioni del trasporto a lunga distanza di inquinanti radioattivi in contesti di terreni complessi e supportare la gestione georeferenziate di dose da esposizione.SIMULAZIONE CALMET-CALPUFF E CALCOLO DELLA DOSE CON GRADOCALMET è un modello diagnostico che produce campi tridimensionali di parametri meteorologici, a partire da misure di stazioni meteo al suolo ed in quota, sulla base delle caratteristiche orogra-fiche del sito e degli eventuali vincoli fisici del territorio in esame.Il modulo del campo di vento diagnostico usa un approccio a due step per ricostruire il campo di vento finale:step 1. nel primo step di calcolo si procede con la valutazione di un campo di vento iniziale (guess wind field), corretto introducendo gli effetti cinematici del terreno, i venti di pen-denza ed eventuali effetti di ostruzione del suolo; step 2. nel secondo step, viene utilizzata una procedura di analisi oggettiva che consente di introdurre, nei risultati del guess wind field, i dati osservativi di misurazioni da stazioni meteo di superficie e in quota, specificati dall'utente in input.In questo lavoro, il dominio di calcolo utilizzato da CALMET copre un'area di 1.341.900 km2, tra Svizzera e Italia, con una risoluzione di cella della griglia di calcolo di 15x15 km.Le condizioni meteorologiche, con passo temporale di 1 ora, sono state valutate utilizzando i dati meteorologici provenienti da 94 stazioni di misura di superficie e 10 stazioni di rilevazione dei parametri atmosferici in quota. La posizione geografica delle stazioni di superficie e in quota uti-lizzate nello studio è riportata in (fig. 1).La simulazione CALMET ha inizio il 16/12/2011 alle ore 01:00 fino al 22/12/2011 alle ore 20:00(circa 6 giorni). La scelta del periodo temporale si basa su uno studio preliminarmente svolto per definire le condizioni meteorologiche più sfavorevoli.Vale la pena sottolineare che, per temporale in studio, sono stati scaricati i dati meteo-rologici di rianalisi del Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio Termine (ECWMF) che fornisce periodicamente una rianalisi dei dati climatici prodotta combinando mo-delli previsionali con le osservazioni sul territorio. Tali dati sono stati rielaborati con il software di pre-processamento FORCAL (Martorana et al., 2021), sviluppato da ricercatori del Dipartimento di Ingegneria dell'Università di Palermo , come primo campo del vento (step 1), nellasimulazione CALMET. Questo approccio ha consentito di ridurre delle previsioni me-teorologiche che sono soggette ad errori legati ai dati iniziali.I risultati di CALPUFF elaborati con il software denominato GRADO, messo a punto dal gruppo di ricerca per la definizione di mappe georeferenziate di dose da esposizione utilizzando, come già detto, icoefficienti di conversione riportati in (ICRP, 2012, 2020). In particolare, GRADO, in linguaggio di programmazione R-CRAN, elabora, per ogni inquinante,gli outputs relativi alla concentrazione oraria in aria (Bq h-1m-3) e quella cumulativa (Bq m-3),valutate per lo strato limite atmosferico a confine con il terreno, e gli outputs della deposizione al suolo oraria (Bq h-1m-2) e cumulativa (Bq m-2), al fine di costruire mappe georeferenziate di dosi efficaci di esposizione orarie, oppure giornaliere, e dosi efficaci cumulative, computate con i coefficienti di dose riportati in (ICRP, 2012, 2020). Tali elaborazioni possono essere svolte per i diversi gruppi della popolazione .39 ISBN 99788888648521Convegno Nazionale AirpCagliari, 27 - 29 settembre 2023Per brevità, nel paragrafo successivo verranno riportati i risultati per il solo gruppo della Le mappe create con GRADO possono essere gestite da altri softwares quali il Qgis (Qgis,2023)ampiamente utilizzato per organizzare, analizzare e rappresentare dati spaziali.Figura 1 Distribuzione geografica delle stazioni di misura meteo-climatiche di superficie (simbolo vuoto)e delle stazioni per la rilevazione dei parametri atmosferici in quota (simbolo pieno) utilizzate per la simulazione CALMET.ANALISI DEI RISULTATIIl Kernkraftwerk Gösgen (KKG) è una centrale nucleare ad acqua pressurizzata, situata in Sviz-zera, vicino al villaggio di Däniken, nel cantone di Solothurn. Il sistema di raffreddamento del core del reattore è costituito da tre circuiti di circolazione identici e il refrigerante primario viene trasferito ai tre generatori di vapore (SG), con scambiatori di calore con tubi a U, in cui il calore viene trasferito al circuito secondario che produce il vapore poi diretto alle turbine.Il vapore di scarico delle turbine viene condensato nel condensatore per poi ripetere un nuovo ciclo. L'acqua calda che esce dal condensatore viene refrigerata all'interno di una torre di raffred-damento del tipo ad umido con tiraggio naturale, con struttura iperbolica in cemento armato, alta circa 140 m. All'interno della torre, l'acqua calda scende attraverso griglie, mentre l'aria aspirata dalla parte bassa della torre sale verso l'alto. L'acqua calda cede calore all'aria che a sua volta si satura di umidità. Questo scambio termico fa sì che l'acqua si raffreddi e l'aria, divenuta calda, esca dalla parte superiore della torre, disperdendosi nell'atmosfera., come suggerito in (Guglielmelli eRocchi, 2017). Le analisi con il codice CALPUFF sono state eseguite utilizzando, come dati di inputs, i risultati meteorologici tridimensionali del codice CALMET e i dati riportati nella (tab.1) per la schematizzazione della sorgente.La (tab.2) riporta, per le specie radioattive simulate nel presente studio, le attività immesse in e (emissione a sbuffo), così 40 ISBN 99788888648521Convegno Nazionale AirpCagliari, 27 - 29 settembre 2023DPCM 14 marzo 2022).m. La caratterizzazione della composizione e dei tempi di emissione sono state tratte dal (D.P.C.M., 14 marzo 2022) che riporta studi effettuati prevalentemente negli Stati Uniti per la normativa attualmente applicata per il termine sorgente da assumere a riferimento nella scelta dei siti e la progettazione degli impianti. Tabella 1 Dati di input impiegati nella simulazione CALPUFF per il termine sorgente Data e orario di emissione 16/12/2011; 19:30Durata emissione 2 oreTemperatura di emissione 423 KAltezza torre di refrigerazione (altezza sorgente) 140 mDiametro torre di refrigerazione (diametro sorgente) 70 mTabella 2 Dati di input impiegati nella simulazione CALPUFFper lla sorgenteIsotopo radioattivo Gruppo Rilascio [Bq]88Kr Gas nobile 101889Sr Metallo alcalino-terroso 101690Sr Metallo alcalino-terroso 1015103Ru Metallo di transizione 1015106Ru Metallo di transizione 1014131I Alogeno 1017132Te Semimetallo 1017133Xe Gas nobile 1018134Cs Metallo alcalino 1016137Cs Metallo alcalino 1016144Ce Metallo terre rare 1015Durante le prime cinque ore dalspirano da ovest verso est, la nube radioattiva inizialmente si espande verso i Cantoni di Zurigo e Argovia. Nelle ore successive il campo di vento si modifica e i venti iniziano a spirare da nordverso sud I tempi di percorrenza della nube nel raggiungimentodel territorio italiano è di circa 10 ore.Superate le Alpi, neLombardia, Trentino e Veneto per poi estendersi sulPer brevità, di seguito, vengono illustrate, per il dominio di calcolo, le elaborazioni di GRADO per i radionuclidi che CALPUFF simula con maggiore concentrazione in aria e deposizione al suolo(i.e. 132Te, 131I, 134Cs, 88Kr, 133Xe) oltre il radionuclide di riferimento 137Cs.In particolare, le (figg. 2-6) riportano le mappe di distribuzione di dose per inalazione cumulative (intero periodo di simulazione) per i radionuclidi 137Cs (fig. 2), 134Cs (fig. 3), 132Te (fig. 4), 88Kr (fig. 5) e 133Xe (fig. 6).I coefficienti di dose impiegati per i calcoli sono quelli riportati nella Tabella G.1. ective dose coe , mentre per i gas inerti i coefficienti sono riportati in della pubblicazione ICRP 119 (2012). Per il fattore Breathing Rate (BR) si è presupposto una frequenza respiratoria di 23 m3/g come raccomandato in (ICRP, 2002) per un lavoratore con modesto carico di lavoro.41 ISBN 99788888648521Convegno Nazionale AirpCagliari, 27 - 29 settembre 2023Le (figg. 7-11) mostrano le distribuzioni di dose efficace cumulativa (intero periodo di simulazione) da sommersione in aria valutate per i radionuclidi 132Te (fig. 7), 131I (fig. 8), 134Cs (fig. 9), 88Kr (fig. 10) e 133Xe (fig. 11) e per il gruppo di riferimento . Sono stati utilizzati i coefficienti di dose in (nSv h-1 Bq-1 m3) raccomandati in (ICRP, 2020).Le (figg. 12 e 13) riportano le distribuzioni di dose efficace cumulativa (intero periodo di simulazione) per la Sono stati utilizzati i coefficienti di dose in (nSv h-1 Bq-1 m2) raccomandati in (ICRP, 2020).I valori delle dosi efficaci da inalazione per i vari inquinanti (figg. 2-6) risultano ricadere 1-1 mSv e coinvolgono le aree del territorio italiano a confine tra le regioni Lombardia, Trentino, Veneto ed Emilia-Romagna.Per la distribuzione di dose efficace cumulativa da sommersione in aria, i dati di (figg. 7-11)mostrano un intervallo di dose 0.01-0.1 mSv. Vale la pena notare che sono i gas inerti 88Kr e133Xe (figg. 10 e 11) a fornire il maggiore contributo; risultato che era da attendersi in quanto la nube, con il trascorre dei giorni, viene man mano depauperata dalle componenti particellari che si depositano al suolo. Inoltre, dal confronto delle figure (fig. 10) e (fig. 11) si nota in che il territorio caratterizzato da una più elevata esposizione è causata dal 88Kr, rispetto al 133Xe, coinvolgendole isole maggiori Sardegna e Sicilia. Tale differenza è ovviamente attesa se si confrontano i valori - (tab. 3) per i due radionuclidi (ICRP, 2020). La differenza di circa due decadi dei coefficienti giustifica il maggiore valore di esposizione in aria del 88Kr se confrontato con lo 133Xe.Tabella 3 - 88Kr e 133Xe Nuclide Coefficiente (nSv h-1 Bq-1 m3)88Kr 3.45E-01133Xe 4.03E-03Figura 2 - Dose efficace cumulativa da inalazione per il radionuclide 137Cs.42 ISBN 99788888648521Convegno Nazionale AirpCagliari, 27 - 29 settembre 2023Figura 3 Dose efficace cumulativa da inalazione per il radionuclide 134Cs.Figura 4 Dose efficace cumulativa da inalazione per il radionuclide 132Te.43 ISBN 99788888648521Convegno Nazionale AirpCagliari, 27 - 29 settembre 2023Figura 5 Dose efficace cumulativa da inalazione per il radionuclide, gas inerte, 88KrFigura 6 Dose efficace cumulativa da inalazione per il radionuclide, gas inerte, 133XeFigura 7 Dose efficace cumulativa da sommersione in aria per il radionuclide 132Te e il gruppo popolazione adulti44 ISBN 99788888648521Convegno Nazionale AirpCagliari, 27 - 29 settembre 2023Figura 8 Dose efficace cumulativa da sommersione in aria per il radionuclide 131I e il gruppo popolazione adultiFigura 9 Dose efficace cumulativa da sommersione in aria per il radionuclide 134Cs e il gruppopopolazione adulti.45 ISBN 99788888648521Convegno Nazionale AirpCagliari, 27 - 29 settembre 2023I dati relativi alla dose efficace cumulativa da deposizione al suolo per 131I (fig. 12) e 132Te (fig. 13),mostrano i valori più elevati ad est della centrale nucleare e distribuzioni sul territorio italiano non uniformi.Figura 10 Dose efficace cumulativa da sommersione in aria per il radionuclide 88Kr Figura 11 Dose efficace cumulativa da sommersione in aria per il radionuclide 133Xe Figura 12 Dose efficace cumulativa da deposizione al suolo per il radionuclide 131I ed il gruppo popolazione adultiFigura 13 Dose efficace cumulativa da deposizione al suolo per il radionuclide 132Te ed il gruppo popolazione adulti46 ISBN 99788888648521Convegno Nazionale AirpCagliari, 27 - 29 settembre 2023I risultati ottenuti in termini digrandezza delle dosi per inalazione sono risultati congruenti con quanto valutato nel Piano nazionale per la gestione delle emergenze radiologiche e nucleari [DPCM 14/3/2022]. Infatti, a causa di incidenti severi nelle centrali nucleari confinanti prese in considerazione, compreso Tuttavia, questo confronto deve essere effettuato tendo in considerazione il diverso periodo temporale in esame, alcune differenze per la schematizzazione della sorgente che nel (DPCM 14/3/2022) viene assunta come puntiforme con emissione al suolo e, infine, la risoluzione spaziale del dominio di calcolo di circa 30 km. CONCLUSIONINel presente lavoro vengono riportati alcuni risultati ottenuti dalle analisi di trasporto a lunga distanza di diverse specie radioattive emesse in atmosfera a seguito di un ipotetico incidente severo nella centrale nucleare di Gösgen, situata presso il Canton Soletta, Svizzera. I risultati di concentrazioni di attività in aria [Bq/m3] e deposizioni al suolo in [Bq/m2], simulati utilizzando il pacchetto software CALMET-CALPUFF, sono stati elaborati dal software denominato GRADO (GRid_in Air of specific effective Dose), messo a punto dal gruppo di ricerca per la definizione di mappe georeferenziate di dose da esposizioni secondo i coefficienti di conversione riportate in (ICRP 2012, 2020). il sistema di modellazione integrata CALMET-CALPUFF-GRADO può risultare uno strumento utile per condurre valutazioni sul trasporto a lunga distanza in contesti mappe di dose georeferenziate.BibliografiaDPCM 14 marzo 2022, Adozione del Piano Nazionale per la gestione delle emergenze radiologiche e nucleari, Decreto del Presidente del Consiglio dei Ministri Pubblicato nella Gazzetta Ufficiale n. 112 del 14 maggio 2022, https://www.protezionecivile.gov.it/it/normativa/decreto-del-presidente-del-consiglio-dei-ministri-n-898-del-14-marzo-2022/Giardina. M, Buffa P, Cervone A, Lombardo C, Giaiotti D, Oshurok D, Skrynyk O. A new dry deposition model implemented in CALPUFF code to simulate contamination of radionuclides released into atmospheric environment post-nuclear accidental event, 40th International Heat Transfer Conference, JUNE 26-28 2023, ASSISI ICRP, 2002. Basic Anatomical and Physiological Data for Use in Radiological Protection Reference Values.ICRP Publication 89. Ann. ICRP 32 (3-4).ICRP, 2012, Compendium of Dose Coefficients based on ICRP Publication 60. ICRP Publication 119. Ann. ICRP 41(Suppl.).ICRP, 2020. Dose coefficients for external exposures to environmental sources. ICRP Publication 144. Ann. ICRP 49(2).Martorana F, Giardina M, Buffa P, Beccali M, Zammuto C. A new tool to process forecast meteorological data for atmospheric pollution dispersion simulations of accident scenarios: A Sicily-based case study,Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems Open Access, Volume 9, Issue 3 (2021), Article number 1080377.Qgis, 2023, Manuale utente di QGIS 3.22 (https://docs.qgis.org/3.22/it/docs/user_manual/index.html)Scire JS, Robe FR, Fernau ME, Yamartino RJ (2000a) Model (Version 5), Earth Tech: Concord, MA, USA, 2000.Scire JS, Strimaitis DG, Yamartino RJ. (2000b) , Earth Tech, Concord MA, USA, 2000.Guglielmelli A., Rocchi F. (2017) Evaluation of the radiological impact on the Italian territory of a severe thInternational Conference Nuclear Energy for New Europe (NENE-2017). Bled (SLO), Sept. 11-14, 2017.47 ISBN 99788888648521

Definizione di mappe georeferenziate di dose da esposizioni per contaminazione da radionuclidi rilasciati nell'ambiente atmosferico in seguito ad un ipotetico evento incidentale

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