DEMANTELEMENT DU COLLISIONNEUR ELECTRONS POSITONS DU CERN

N. Conan, J-C. Gaborit, T. Nguyen, M. Silari et L. Ulrici CERN, 1211 Genève 23, Suisse

Résumé La future installation du grand collisionneur de hadrons (LHC) dans le tunnel abritant jusqu’ici le grand collisionneur d’électrons – positons (LEP) nécessite le démantèlement de celui-ci après 11 ans de fonctionnement. Comme il est demandé par la législation française, une vaste étude théorique a été conduite avant le début du démantèlement pour établir le différentes voies d’une possible activation dans l’accélérateur et les quatre expériences. Le but était de définir quels secteurs pouvaient contenir du matériel activé et ceux étant totalement inactivés. Les trois sources principales de l’activation dans le LEP à savoir, les pertes de faisceau, le rayonnement synchrotron et les cavités radiofréquence supraconductrices, ont été étudiées. Le démantèlement commencé en début 2001 était pratiquement terminé en février 2002. Chaque pièce retirée du tunnel machine et des zones expérimentales était contrôlée pour l’activité rémanente, en complément des mesures par spectrométrie gamma étaient pratiquées sur des échantillons. Un second contrôle était effectué avec un portique très performant sur tous les camions quittant le CERN. Les comparaisons entre les prévisions et les mesures sont discutées. I. INTRODUCTION Le grand collisionneur (LEP) a démarré en 1989. Jusqu’en 1995 il a fonctionné avec des énergies autour de 45,6 GeV par faisceau pour étudier la production de particules Z0 qui ont une masse de 91,2 GeV 1. La phase LEP2 a commencé fin 1995 avec une augmentation progressive de l’énergie au-dessus du seuil de production de paires de W 2 . Le but était 100 GeV par faisceau en 1999, ce qui a été dépassé en 2000, la dernière année d’exploitation du LEP quand elle a été portée à 104 GeV par faisceau. Au cours de ces années, la principale modification de l’accélérateur a été l’ajout d’une installation complète d’un nouveau système d’accélération utilisant des cavités radiofréquence supraconductrices. La future installation du grand collisionneur de hadrons (LHC) dans le tunnel LEP a nécessité le démantèlement de celui-ci après 11 années d'opération. Avant que le démantèlement puisse commencer, une évaluation détaillée de la quantité de matériel attendu comme très faiblement radioactif (TFA) a été entreprise. Bien que la radioactivité induite dans les accélérateurs d'électrons soit beaucoup moins importante que dans les accélérateurs de protons, dans le cas du LEP, la procédure de démantèlement était compliquée du fait de la classification en France comme Installation Nucléaire de Base (INB) où il n'existe pas de seuil de libération pour l'activité spécifique des matériaux remis dans le domaine public. La libération du matériel peut être autorisé seulement si une étude théorique, confirmée par des mesures, montre quelles parties de la machine peut avoir (ou non) été sujet au phénomène d'activation. Le but de cette étude est un zonage du tunnel de l'accélérateur, c'est à dire une classification des zones où le matériel peut avoir été (ou non) activé. Pour démontrer que la plus grande partie des composants du LEP étaient "non radioactifs" ou "conventionnels", nous devions prouver que les pertes de faisceaux dans l'anneau (ou tout autre mode d'activation) pouvaient produire seulement une quantité insignifiante de radioactivité (puisque la loi française ne donne pas de seuils de libération). Pour l'étude de zonage, nous avons pris comme référence 1/10 de la limite d'exemption donnée par la Directive Européenne du 13 mai 1996 3 pour tout type de matériel. Pour la plupart des radionucléides trouvés dans les composants de l'accélérateur, la limite d'exemption de la Directive Européenne est de 10 Bq/g (exception faites du tritium et du 7Be pour lesquels les valeurs sont respectivement 106 Bq/g et 103 Bq/g).

La principale contrainte imposée par la législation française est que le matériel ou équipement classifié comme radioactif par l'étude de zonage ne peut pas être déclassifié comme conventionnel après une mesure, pas question de montrer plus tard qu'il n'y a pas de traces de radioactivité induite. Ceci étant, si l'étude de zonage est trop pessimiste on peut se retrouver à la fin avec le stockage d'une grande quantité de matériel qui ne pose actuellement aucun risque radiologique s'il était libéré. D'un autre coté, on ne peut pas être trop optimiste car si trop d'anomalies sont constatées (c'est à dire si du matériel classifié comme conventionnel dans l'étude de zonage est trouvé légèrement radioactif lors des mesures), les autorités françaises peuvent intervenir et arrêter le démantèlement. Le zonage doit être aussi réaliste que possible. Un total d'environ 25000 tonnes d'équipements ont été retirées de la machine LEP et 10000 tonnes en provenance des zones d'expériences. Ce matériel peut être divisé en 4 catégories: les équipements devant être entreposés pour une future réutilisation au CERN ou ailleurs, ils peuvent être "conventionnels" (sans radioactivité) ou "radioactifs", et ceux destinés à être éliminés comme déchets soit conventionnels ou faiblement radioactifs (entreposés sur le site du CERN). Bien qu'à strictement parler, tous les équipements ont été démontés en vue d'installer un autre accélérateur au CERN, en pratique le démantèlement du LEP est une réelle déconstruction. Les 27 km de tunnel ont été livrés aux contractants du génie civil pour le LHC complètement dégagés de toute radioactivité comme l'ont confirmé aussi bien par les campagnes de mesures que par les spectrométries gamma effectuées par échantillonnages pris sur les murs et le sol du tunnel. II. SOURCES DE RADIOACTIVITE INDUITE Quatre sources d'activation on été identifiées dans le LEP: pertes de faisceau "distribuées", pertes localisées, rayonnement synchrotronique et rayons X de haute énergie émis par les cavités radiofréquence supraconductrices (RF). Ces quatre mécanismes d'activation sont brièvement décrits ci-après. A. Pertes distribuées de faisceau Les pertes de faisceau "distribuées" sont principalement dues aux électrons et positons émis à petit angle à partir des interactions produites au centre des 4 expériences (Bhabha scattering) et des pertes au début des arcs de chaque coté des points d'interactions du LEP. B. Pertes localisées Les pertes localisées sont la source prédominante dans la plus grande partie de l'anneau : l'activité induite vient directement de l'interaction du faisceau avec les matériaux de la ligne de faisceau. Les équipements comme les blocs d'arrêts de faisceaux, les collimateurs ou n'importe quel autre élément de la machine qui intercepte une fraction du faisceau étaient de toute évidence considérés comme légèrement radioactifs et traités comme tels lors du démantèlement. D'autre part le plus grand effort a été mis dans l'estimation de l'activité spécifique pour tous les autres composants installés dans les différents secteurs de pertes comme les chambres à vide, les aimants, le blindage de plomb, etc… C. Rayonnement synchrotronique Le rayonnement synchrotronique produit dans les dipôles est devenu une source potentielle d'activation avec l'augmentation en énergie au-dessus de 100 GeV. A ces énergies, le spectre du rayonnement synchrotronique dépasse 8 MeV, le seuil approximatif de production de

photo-neutron dans la plupart des matériaux. Cette partie du spectre peut être décrite comme une courbe exponentielle avec l'augmentation en énergie des photons, la production de radioactivité a ainsi augmentée de manière dramatique en raison du passage des 45 GeV du début aux 105 GeV au cours de la dernière année d'exploitation. D. Cavités RF supraconductrices Les cavités radiofréquence supraconductrices sont une importante source de rayonnement, aussi bien pendant le processus de conditionnement auquel elles doivent être soumise avant leur installation dans le tunnel que pendant l'exploitation dans la machine 4. La cause principale du rayonnement était due au champ d'émission des électrons provoqué par de petites impuretés à la surface du matériau supraconducteur. Le conditionnement consistait à mesurer le facteur de qualité électrique de la cavité comme une fonction du gradient d'accélération et d'améliorer les performances en nettoyant les parois de ces impuretés. Il y avait essentiellement deux sources d'électrons dans les cavités du LEP : 1) une source de haute intensité et de basse énergie produite par le rayonnement RX de freinage transverse; et 2) une source de basse intensité et de haute énergie, parallèle à l'axe de la cavité et générant des RX tout au long de l'axe. Cette dernière était la plus importante du fait de la plus haute énergie à laquelle les électrons pouvaient être accéléré, soit jusqu'au champ maximum de la cavité. Lorsque ces électrons touchent les parois de la cavité ou n'importe quel autre matériel (comme un bloc d'arrêt placé dans l'axe de la cavité pendant le conditionnement ou des éléments sur la ligne de faisceau en aval pendant l'exploitation) ils produisent un rayonnement de freinage intense. Une partie de ce rayonnement a une énergie suffisante pour induire des réactions photonucléaires ayant comme résultat la production de neutrons et l'activation de la cavité. III. ZONAGE DU TUNNEL Un des résultats les plus important était de montrer que le rayonnement synchrotronique ne pouvait pas induire une quantité significative de radioactivité dans les chambres à vide et les aimants dipôles tout autour de l'anneau. Ceci pouvait permettre de classer pratiquement toutes les parties courbes, soit plus de 80% de la machine LEP, comme conventionnel. Les secteurs de l'anneau qui pouvaient être sujets à activation étaient essentiellement les sections droites aux points 2, 4, 6 et 8 où étaient les cavités RF, les secteurs d'injection au point 1 et les sections droites aux points 3, 5 et 7 où les aimants "wigglers" étaient installés. En plus, quelques "points chauds" étaient suspectés tout autour de l'anneau en raison des pertes localisées mentionnées plus haut. Le champ de neutron dans les parties courbes était très faible car ici il est dominé par le rayonnement synchrotronique qui a seulement une très petite part de haute énergie (seule capable de générer des neutrons). Dans les régions d'injection, le champ de rayonnement était dû aux pertes de faisceaux et au rayonnement synchrotronique, mais le rapport photon-neutron n'était pas connu. A. Activation de points "isolés" Il est bien connu que la majorité de l'activité induite produite dans les accélérateurs d'électrons à hautes énergies est plus faible de deux ordres de grandeur par rapport à celle trouvée dans les accélérateurs de protons. Toutefois, dans les cas de collimation ou de pertes de faisceau "distribuées", l'activité induite peut atteindre des niveaux non négligeables. Les différents processus responsables pour l'activation induite dans les accélérateurs d'électrons ont été

examinés par Fassò et al 5. Cette étude montrait qu'une bonne estimation pouvait être basée non seulement sur une technique conventionnelle, mais aussi avec le calcul selon les codes Monte Carlo qui peuvent prendre en compte à la fois les cascades électromagnétiques et hadroniques et être confirmée par des mesures. Les valeurs de l'activité spécifique dans les différents matériaux des composants du LEP ont été déterminées à la fois par les calculs Monte Carlo en utilisant le code FLUKA 6,7 et par des mesures expérimentales. Depuis 1997 des expériences ont été réalisé pour évaluer la radioactivité induite dans les équipements les plus importants en quantité, soit l'aluminium (chambres à vide, barres d'excitation des dipôles), cuivre (cavités RF, bobines d'aimants, joints de chambres à vide, collimateurs, etc…), plomb (blindage autour des chambres à vide), acier inox (chambres à vide, vannes à vide, soufflets, etc…) et assemblage acier/béton (dipôles). Des échantillons de cinq types de matériaux ont été irradiés et activés par les rayonnements ionisants engendrés par les électrons ou les positons stoppés sur les blocs d'arrêts des faisceaux pendant une période complète d'exploitation du LEP de 1997 à 2000. Les résultats ont été normalisés avec la puissance déposée dans le bloc d'arrêt. Les résultats furent comparés avec des simulations "Monte Carlo" expérimentales détaillées avec une version du code FLUKA. Tous les radionucléides avec une demie-vie supérieure à 60 jours, ceux intéressant pour le démantèlement, ont été envisagé par FLUKA avec un facteur 2 par rapport à la valeur expérimentale et plusieurs d'entre eux avec une meilleure estimation. Les données expérimentales et les résultats obtenus par le calcul Monte Carlo ont été utilisés pour calculer l'activité spécifique dans les cinq échantillons pour tous les radionucléides de demie-vie supérieure à 60 jours. Par mesure de sécurité et en vue des incertitudes stochastiques, les coefficients de conversion entre l'activité induite en Bq/g et les pertes de faisceaux en watt les plus pessimistes ont été utilisés pour ces estimations. Pour donner un exemple, les coefficients de conversion par unité de puissance de perte de faisceau pour l'activité spécifique à saturation pour le cuivre sont donnés dans la table 1. Les mêmes données ont été déterminées pour tous les autres matériaux. Ces coefficients de conversions ont été utilisés pour prédire l'activité spécifique induite dans les matériaux du LEP pour des scénarii typiques de pertes de faisceaux. La conclusion était qu'il suffisait de classer comme radioactif les composants du LEP situés dans une zone de 1 m en amont et en aval des points "chauds".

Table 1. Coefficients de conversion entre la puissance moyenne du faisceau (Watt) et l'activité spécifique à saturation As (Bq/g) pour les radionucléides produits dans le cuivre. Une part de cette activité induite provient des impuretés.

Radio-nuclide

T1/2 Possible production reactions

AS at saturation, Bq/g per watt

3H(#) 12.3 y Spallation 3.1 10-1 46Sc 83.8 d Spallation 3.5 10-2 54Mn 312.2 d Spallation

55Mn(γ,n) 6.8 10-1

56Co 77.7 d Spallation 56Fe(p,n) 4.9 10-1

57Co 271.8 d

63Cu(γ,2p4n) 56Fe(p,γ) 57Fe(p,n) 59Co(γ,2n)

2.2

58Co 70.9 d 63Cu(γ,2p3n) 57Fe(p,γ) 59Co(γ,n)

3.1

60Co 5.27 y 63Cu(γ,2pn) 65Cu(γ,2p3n) 59Co(n,γ)

2.8

65Zn 244 d 64Zn(n,γ) 66Zn(γ,n) 65Cu(γ,pn)

3.6 10-2

(#) les valeurs pour 3H sont estimées à partir des données du 7Be

B. Rayonnement synchrotronique Le calcul des paramètres radiologiques, qui sont dépendant de la dureté du rayonnement synchrotron dans les dipôles de l'anneau du LEP, sont issus des résultats de la méthode de Monte Carlo. Les calculs du dépôt d'énergie dans et autour des dipôles ont été faits dans la gamme d'énergie de 86 à 120 GeV. En plus, la production totale de radionucléides des photons, neutrons thermiques et activation par les neutrons rapides était évaluée dans l'aluminium des chambres à vide, le blindage de plomb autour des chambres à vide et les masses polaires des aimants. Les résultats ont montré que pour des faisceaux d'énergie inférieure à 105 GeV, aucun des composants pouvaient être considéré comme radioactif pour les périodes de décroissance plus longue que dix jours. Pour cette raison les dipôles du LEP installés dans les arcs pouvaient être traités comme conventionnels du point de vue zonage. Pour comparaison, des mesures par spectrométrie gamma ont été réalisées sur tous les composants (chambre à vide, blindage de plomb, barres d'excitation, corps d'aimant, et masses polaires) d'un dipôle venant d'une région de forte dispersion et d'une section de chambre à vide d'un autre dipôle. Dans le premier cas, il n'a pas été trouvé de radionucléide artificiel ni dans le blindage de plomb ni dans le fer/béton du corps de l'aimant, tandis que seulement des quantité négligeables de 22Na, 54Mn et 65Zn étaient détectées dans l'aluminium de la chambre à vide. Dans le second cas, des concentrations négligeables de 22Na, 54Mn, 57Co, 65Zn, 95Nb et 95Zr étaient détectées dans les échantillons d'aluminium prélevés sur la chambre à vide et du 124Sb dans les échantillons de plomb du blindage de la chambre à vide (il n'y a pas eu de mesure sur le corps de l'aimant). Ces résultats expérimentaux ont confirmé les conclusions tirées sur la base des simulations Monte Carlo qui ont été trouvé conservatives.

C. Sections droites RF L'expérience de plusieurs années d'exploitation avec les 72 modules LEP de quatre cavités a montré que chaque cavité avait sa propre "histoire": l'intensité du rayonnement de freinage pouvait varier d'une manière significative d'une cavité à l'autre et par conséquent le phénomène d'activation. Il était donc impossible de déterminer précisément quels composants pouvaient avoir été activés, bien que faiblement, par le fonctionnement des cavités. Pour cette raison, la partie du tunnel abritant les cavités a été "zoné" comme radioactif dans un rayon de 80 cm autour de l'axe du faisceau. Cette région excluait le sol et les murs ainsi que les chemins de câbles le long des murs mais incluait tous les éléments de la machine. D. Régions des injections Les pertes localisées de faisceau sont la principale source de radioactivité induite dans les composants situés dans ces régions d'injection. Ceci est accrédité par le fait que les positions des composants activés et des points montrant de hauts débits de doses n'ont pas changés de manière conséquente au cours des années et avec l'augmentation en énergie du LEP. Le zonage a pris en compte les pertes de faisceau dans les régions d'injection: ces effets produisent une cascade électromagnétique qui intéresse tous les composants de la machine installés dans un volume cylindrique dont le rayon est de 80 cm sur une longueur s'étendant sur environ 80 m de part et d'autre du point d'injection. Une seconde source de rayonnement dans cette région est un rayonnement synchrotronique plus élevé à cause des dipôles "double bend". Le rayonnement produit par ces éléments affecte une région étendue de part et d'autre de leurs positions. L' activation due à cet effet est important seulement au niveau de la chambre à vide, il reste négligeable à l'extérieur de ses composants. Pour le zonage, il a été décidé de classifier seulement la chambre à vide comme TFA. Des mesures qualitatives en spectrométrie gamma réalisées avec un détecteur germanium portable durant l'arrêt annuel d'hiver du LEP avait confirmé la présence de radionucléides induits par des interactions avec des protons et des neutrons. Ces particules peuvent être produites dans la cascade électromagnétique par des pertes de faisceau. La composante neutron du champ de rayonnement peut aussi être produite par le rayonnement synchrotronique des dipôles "double bend", avec un champ plus faible que celui dû aux pertes de faisceau. La présence d'une autre voie de production principale des mêmes nucléides ne doit pas permettre d'en conclure de l'importance relative des autres processus. E. Régions des wigglers Les wigglers de polarisation au point 3 et 7 ont eu le but d'augmenter le taux et le niveau de polarisation et d’augmenter l'intensité de faisceau en contrôlant la longueur du paquet de particules. Les calculs précédents avaient prouvé que, dans des conditions défavorables, la disposition adoptée dans le LEP - se composant de trois unités consécutives de wigglers - peut mener à la superposition des rayonnements synchrotroniques de différentes énergie émis par les faisceaux d'e+/e-. Cet effet a eu comme conséquence des pics bien localisés où une dose élevée a été localement déposée. La position de ces pics était une fonction de l'énergie de faisceau. Les pics prévus et bien localisés du rayonnement synchrotronique dans les chambres à vide en aluminium des composants autour des wigglers n'ont pas pu être expérimentalement confirmées. L’éventail des rayonnements dans la zone, évalué pendant l'opération de LEP,

était beaucoup plus étalé que prévu, principalement en raison des sources locales de rayonnement (des collimateurs ou des séparateurs électrostatiques) autre que les wigglers. Par précaution, tous les composants de la chambre de vide qui ont pu avoir été exposés au rayonnement synchrotronique venant des wigglers ont été considérés comme TFA. Le plomb protégeant la chambre à vide a été considéré comme suffisamment épais pour que les autres composants (aimants, chemins de câbles etc...) ne pouvaient pas avoir été activés. Les mesures de débits de dose effectués pendant le démantèlement ont confirmé le zonage : la face interne de la chambre à vide en aluminium a présenté des taches d'activation plus élevée probablement dues aux pics du rayonnement synchrotronique venant des wigglers. Malheureusement cette hypothèse n'a pas pu être vérifiée en raison du spectre de rayonnements très complexe dû à la dépendance d'énergie lié à la position des pics. Un zonage semblable a été adopté pour les wigglers d'émittance, principalement employés à 45 GeV, , qui ont été installés au point 5 pour augmenter l'émittance de faisceau afin de réduire les effets « faisceau-faisceau ». F. Câbles et chemins de câbles Pour l’estimation de l’activité induite dans les câbles, les chemins de câbles et les murs du tunnel, une approche simplifiée a été adoptée. La radioactivité induite peut avoir comme origine à la fois les champs neutroniques et photoniques. Les sections efficaces pour les réactions induites par les neutrons sont beaucoup plus élevées que pour les réactions photonucléaires. Dans les sections droites la composante neutron avait un même rapport à cause de fonctionnement des cavités RF supraconductrices. Une approche conservative a été adoptée en estimant le débit de fluence neutronique produit par les cavités RF (valide en principe seulement dans les sections droites aux points 2, 4, 6 et 8) pour toutes les différentes zones de l’accélérateur. L’évaluation de l’activité induite dans les différents matériaux (fer et zinc dans les chemins de câbles, cuivre et aluminium dans les câbles et le béton pour les murs du tunnel) était basée sur le débit de fluence dans le tunnel. A cause des approximations utilisées dans l’étude, nous avons décidé de confirmer ces prévisions en analysant par spectrométrie gamma des échantillons de chemins de câbles provenant de différents endroits dans le LEP. Pour d’évidentes raisons il n’y a pas eu de prises d’échantillons sur les câbles, de ce fait les prédictions n’ont pas pu être confirmé par des mesures expérimentales. Par ailleurs, des prélèvements de béton du sol du tunnel ont été analysés en spectrométrie gamma. Deux méthodes indépendantes ont été utilisées pour estimer le débit de fluence dans le tunnel. La première basée sur les mesures de plusieurs années de l’équivalent de dose en sortie des passages pour les guides d’ondes (dans les galeries klystrons) à l’aide de dosimètres thermoluminescents (TLD), et extrapolées pour avoir la valeur à l’intérieur du tunnel machine (les tubes pour le passage des guides d’ondes mesure 8 m de long). La seconde méthode était basée sur la mesure des photons et des neutrons émis par les cavité RF pendant leur conditionnement 4. Le rapport mesuré des deux composantes a été utilisé comme « échelle » pour estimer l’équivalent de dose neutron à partir des mesures photons. Ce facteur appliqué à la dose photon, à l’entrée des canaux de passage pour les guides d’ondes, donnée par la dosimétrie alanine dans le tunnel lors des campagnes annuelles de mesures a été utilisé depuis 1997. Les deux méthodes ont donné des résultats globalement en bon accord avec des écarts de seulement 25%. Les deux méthodes n'ont pas permis de distinguer les composantes rapide et thermique dans le champ de rayonnement neutronique. Nous avons considéré que le taux de fluence de neutrons dans le tunnel était composé de 2/3 de neutrons rapides et de 1/3 de neutrons thermiques.

C'est une supposition raisonnable considérant que les neutrons produits lors du fonctionnement des modules RF étaient rétro-diffusés et thermalisés par les murs en béton du tunnel de LEP. Cependant, des calculs ont été exécutés pour les deux conditions extrêmes, c’est à dire en considérant un taux de fluence ne se composant que de neutrons rapides ou que de neutrons thermiques. Le champ réel de neutron (et l'activité induite résultante dans les matériaux) se trouve quelque part entre ces deux extrêmes. La conversion du taux équivalent de dose de neutron en taux de fluence a été obtenue par les facteurs donnés dans ICRP 74.8 L'activité induite possible due aux réactions induites par photon (principalement réactions (γ,n)) n'a pas été explicitement envisagée dans les calculs. Comme mentionné ci-dessus, le champ de neutron était relativement important seulement dans les sections RF, où il était environ trois ordres de grandeur inférieurs au champ correspondant de photon. Considérant que les sections efficaces pour des réactions neutron-induites sont en moyenne trois ordres de grandeur plus hautes que les sections efficaces correspondantes pour des réactions photonucléaires, nous avons supposé que les deux voies de production induisent une quantité comparable d’activité spécifique dans les matériaux. Les évaluations ont montré que l'activité spécifique induite prévue était toujours en-dessous d'un dixième des valeurs d'exemption de la Directive Européenne prises comme directives pour l'étude de zonage. La seule exception était une quantité non négligeable (quelques centaines Bq/g) de 64Cu produit par les neutrons thermiques dans le cuivre des câbles, mais dû à sa courte demi-vie (12,7 h) ce radionucléide ne pose aucun problème. Les évaluations étaient en accord avec les résultats des mesures de spectrométrie gamma effectuées sur un certain nombre d'échantillons prélevés sur les chemins de câbles et sur le sol du tunnel. Le zonage de la machine a été limité à un cylindre 80 centimètres de rayon de sorte que le plancher du tunnel ne soit pas été inclus dans les matériaux TFA. Des chemins de câbles ont été également exclus du volume de TFA. Pendant le démantèlement, quelques anomalies qui ont montré des traces d'activité induite, ont été trouvées sur des sections de chemins de câbles situés devant les éléments de machine les plus activés (principalement dans les sections droites, en correspondance avec les cavités RF et les collimateurs de faisceau). A posteriori les mesures sur le béton des murs de tunnel n'ont montré aucune anomalie par rapport à l'étude de zonage. IV. ZONAGE DES EXPERIENCES En raison du temps limité disponible, une approche simplifiée mais conservatrice a été adoptée pour définir le zonage des quatre expériences, L3, ALEPH, OPAL et DELPHI. Cette approche a impliqué :

1) une supposition sur la structure des quatre détecteurs et l'adoption d'une géométrie simplifiée et commune, pour les calculs ;

2) une supposition sur les sources potentielles d'activité induite dans les divers sous-composants des détecteurs ;

3) des évaluations par des simulations de Monte Carlo avec le code de FLUKA de la quantité de radioactivité induite qui pourrait avoir été produite dans chaque sous-composant par les diverses sources,

4) les mesures expérimentales ont été exécutées à l'intérieur des extrémités des détecteurs et sur un choix de composants démontés pour l'entretien pendant l'arrêt d'hiver de 1999/2000.

Les quatre expériences de LEP avaient une structure semblable, qui était essentiellement un cylindre avec l'axe le long des faisceaux e+ e-, centré au point d'interaction. En fait, chaque

détecteur était composé d'une partie centrale et deux "bouchons" mobiles appelé "end-caps". Les divers détecteurs secondaires qui constituaient l'ensemble étaient relativement semblables dans leur composition matérielle. En conséquence, une géométrie simplifiée et commune a été considérée pour la majeure partie des quatre expériences dans la présente étude; par contre, certains des composants ont été explicitement modélisés. Quatre sources potentielles de radioactivité induite ont été prises en considération :

1) les événements d'annihilation e+ e-, 2) les événements à deux photons, 3) les événements e+ e-, dispersés par le Bhabha 4) le rayonnement lié au faisceau, c’est à dire le rayonnement synchrotronique et les

particules dont l’énergie est en dehors de la bande d’énergie nominale. Deux cas ont été considérés :

1) activation de la majeure partie du détecteur par les composants hadronique des événements e+ e-, et

2) activation de certains détecteurs vers l'avant et plus en avant par des électrons d'énergie éloignée de celle du LEP aussi bien que des hadrons issus des interactions de deux photons.

Pour le premier cas, OPAL a été considéré comme représentatif des quatre expériences, tandis que pour le second cas les calculs étaient faits pour le BCAL d'ALEPH, le STIC et VSAT de DELPHI, et le VSAT et le LF de L3. Tous les radionucléides avec la demie-vie plus longue que 24 heures ont été pris en considération dans les calculs de Monte Carlo, y compris ceux qui ne sont pas des émetteurs gamma tels que le 55Fe. Les calculs ont prévu des valeurs insignifiantes d'activité spécifique induite dans la majeure partie du détecteur (bien inférieures à 1 nBq/g, sauf dans la chambre de vide où ils étaient de toute façon inférieures à 1 µBq/g). Les valeurs des activités spécifiques induites sur les détecteurs à l'intérieur des end-caps, près de la chambre de vide, étaient également négligeables (de l'ordre de 1 mBq/g ou inférieur). Les quatre expériences ont été donc classifiées comme conventionnelles pour l'étude de zonage. Pour les détecteurs installés placés plus loin aux deux extrémités des expériences, les calculs ont prouvé que pour quelques radionucléides l'activité spécifique pourrait dépasser la valeur de 1 Bq/g. Par précaution, ces composants ont été classés comme TFA, mais aucune trace d'activité induite n'a été trouvée réellement lors de leur démantèlement. V. CONTROLES RADIOLOGIQUES Les contrôles radiologiques pendant le démantèlement incluait la dosimétrie opérationnelle, les contrôles systématiques de rayonnement ont été faits sur tout le matériel évacué du tunnel et tout le contrôle radiologique final exécuté par l'intermédiaire d'un portique extrêmement sensible pour tous les transports quittant le site du CERN. Chaque personne travaillant au démantèlement du matériel TFA a été équipé d'un film dosimètre et d'un dosimètre électronique de poche. Les doses individuelles étaient très basses, avec une dose collective de 6,8 mSv pour les 250 personnes impliquées. La dose individuelle maximale reçue au cours de l'opération de démantèlement a été de 0,55 mSv.

Tout le matériel de TFA a été marqué pendant le contrôle radiologique de la machine, effectuée avant le commencement du démantèlement. Le matériel quittant le tunnel du LEP a été soigneusement vérifié une deuxième fois pour la radioactivité induite et en conséquence étiqueté si une anomalie avec le zonage original était détectée. Les contrôles radiologiques ont été exécutés à l'aide d’appareils de mesure portatifs de sensibilité élevée (scintillateurs NaI), certifiés et calibrés pour détecter la radioactivité induite au-dessus du fond très bas dans le tunnel de LEP (environ 30 nSv/h). Tous les camions transportant le matériel conventionnel de LEP vendu sous le nom de ferraille ont subi un contrôle final de rayonnement par un moniteur portique très sensible installé dans la "zone de passage" sur l'emplacement (français) de Prévessin du CERN (voir le schéma 1). Le nombre de contrôles effectué par le portique a été de 8682 jusqu'en février 2002, y compris les contrôles quotidiens avec des sources radioactives, des contrôles des camions vides avant d'être chargé, etc... Le nombre réel de contrôles sur des camions chargés avec du matériel et quittant le CERN étaient supérieur à 1600. 32 ont donné une alarme signalant que du matériel TFA avait échappé d’une façon ou d'une autre aux contrôles précédentes. Le matériel était dans tous les cas identifié et enlevé de la charge. Le taux de dose maximum détecté a été de 1 mSv/h sur un bloc de fer probablement déjà radioactif avant son utilisation dans le LEP. Dans la plupart des cas il était de l'ordre de 100 nSv/h.

Figure 1. Le portique installé à la sortie de la zone de transit sur le site de Prévessin en France En plus des contrôles radiologiques courants exécutés sur tout l'équipement dans les zones souterraines du LEP, des échantillons de divers matériaux (tels que des câbles, des chemins de câbles, des morceaux de dipôle, des écrous et des boulons, béton des murs et du sol du tunnel) ont été pris de manière aléatoire et analysés par spectrométrie gamma. VI. MESURES PAR SPECTROMETRIE GAMMA Des mesures gamma de spectrométrie ont été effectuées sur quatre classes de matériel :

1) matériel classé comme conventionnel selon l'étude de zonage et confirmé conventionnel par le contrôle de rayonnement (non radioactif),

2) matériel classé comme conventionnel selon l'étude de zonage mais mesuré TFA (anomalies),

3) matériel classé comme TFA selon l'étude de zonage mais mesuré conventionnel, 4) matériel classé comme TFA selon l'étude de zonage et confirmé TFA.

Comme déjà mentionné, la législation française ne fournit pas les seuils de libération. Pour des raisons pratiques, une limite opérationnelle de référence a été prise au dixième des valeurs données par la Directive Européenne3. Dans plusieurs cas une activation non-uniforme a été détectée : une mesure gamma de spectrométrie a prouvé que le matériel était "conventionnel" (activité induite négligeable) tandis qu'une mesure du débit de dose du composant était supérieure au bruit de fond. Dans ce cas le matériel était considéré comme TFA, même si l'activité induite à l’endroit où l'échantillon avait été pris était réellement négligeable. Des échantillons ont été pris sur le plus grand nombre possible de composants et en choisissant les types les plus communs de matériaux : aluminium, acier inoxydable, cuivre, plomb, béton, fer, etc... Pour quelques matériaux le nombre de différents échantillons a été assez important pour essayer d'établir un rapport entre l'activité induite et le débit de dose mesuré à la surface. La figure 2 montre un graphique de l'activité induite et du débit de dose pour plusieurs échantillons d'acier inoxydable. Cette comparaison est empirique mais, en prenant l'hypothèse que les sources de rayonnement sont les mêmes tout autour la machine, elle peut être employée réellement pour prévoir l'activité induite dans d'autres composants du même matériel à partir d'une mesure du débit de dose.

0.1 1 10

0.01

0.1

1

10

100

Spec

ific

Activ

ity (B

q/g)

Dose Rate (µSv/h)

Cr51 Mn54 Co56 Co57 Co58 Co60

Figure 2 . Comparaison de l’activité induite en fonction du débit de dose en surface pour l’acier inox Toutes les mesures de spectrométrie gamma ont été effectuées par l'intermédiaire d’un détecteur HpGe d'une sensibilité élevée, bas bruit de fond (Canberra, volume 245 cm3, efficacité 60% à 1,33 MeV). Une évaluation de l'incertitude sur les résultats gamma de spectrométrie pour chaque radionucléide est de 20%. Cette valeur inclut les légères différences dans la géométrie, l’homogénéité et le positionnement de l'échantillon par rapport à la source de calibrage. VII. CONCLUSIONS Le démantèlement du LEP est vu comme la première étape de l'installation de l'accélérateur du futur LHC dans le même tunnel. Par conséquent le démantèlement a été conçu comme une vraie déconstruction. Les procédures qui ont réglé le travail pratique ont été établies seulement après une étude précise de l'histoire radiologique de la machine entière et sur la base de plusieurs simulations par l'intermédiaire du code FLUKA de Monte Carlo. Les anomalies entre le zonage établi sur une base théorique et les résultats des contrôles de rayonnement exécutés sur tout le matériel enlevé du tunnel de machine et les secteurs

expérimentaux étaient relativement limités. D'un point de vue radioprotection, les contrôles de rayonnement exécutés dans les secteurs souterrains étaient très précis. En fait, seulement quelques camions ont fait déclencher les alarmes au portique, indiquant que des pièces faiblement activées avaient échappé à au premier contrôle. Le portique était très fiable et permettait de détecter les matériaux même très faiblement radioactifs. Le résultat final est un succès puisque aucun des camions (environ 1600) qui ont quitté le CERN n'est revenu en raison d’une détection de radioactivité à la réception par le marchand de ferraille. Ce fait confirme qu'aucun matériel radioactif n'avait échappé aux contrôles effectués sur les lieux de CERN. REMERCIEMENTS Les auteurs souhaitent remercier G. Roy de sa participation à l'étude de zonage et 1a beaucoup de discussions utiles; I. Brunner et Y. Donjoux pour l'assistance technique avec les mesures de spectrométrie gamma; et G.R. Stevenson pour les résultats de simulation pour le rayonnement synchrotronique. Ils souhaitent également remercier J. Poole, chef du projet de démantèlement de LEP et A. Faugier, le représentant du CERN auprès des autorités françaises, pour les nombreuses discussions fructueuses et pour l'excellente collaboration. REFERENCES 1. LEP Design report, Vol. I and II, CERN-LEP/TH/83-29, (1983). 2. LEP Design report, Vol. III, CERN-AC/96-01 (LEP2), (1996). 3. Council Directive 96/29/Euratom of 13 May 1996 laying down basic safety standards for the protection of the health of workers and the general public against the dangers arising from ionizing radiation, Official Journal of the European Communities L 159 (29 June 1996). 4. M. Silari, S. Agosteo, J-C. Gaborit, L. Ulrici, “Radiation produced by the LEP superconducting RF cavities”, Nuclear Instruments and Methods A 432, 1-13 (1999). 5. A. Fassò, M. Silari, L. Ulrici, “Predicting Induced Radioactivity at High-Energy Electron Accelerators”, Proceedings of the Ninth International Conference on Radiation Shielding (ICRS-9) Tsukuba, Japan, 17-22 October, 1999, p. 827, Journal of Nuclear Science and Technology, supplement 1, (March 2000). 6. A. Fassò, A. Ferrari, P.R. Sala, “Electron-photon transport in FLUKA: status”, Proceedings of the Monte Carlo 2000 Conference, Lisbon, 23-26 October, 2000, p. 159-164, A. Kling, F. Barao, M. Nakagawa, L. Tavora and P. Vaz eds., Springer-Verlag, Berlin, (2001). 7. A. Fassò, A. Ferrari, J. Ranft, P.R. Sala, “FLUKA: status and prospective for hadronic applications”, Proceedings of the Monte Carlo 2000 Conference, Lisbon, 23-26 Octobe, 2000, p. 955-960, A. Kling, F. Barao, M. Nakagawa, L. Tavora and P. Vaz eds., Springer-Verlag, Berlin, (2001). 8. ICRP 74: Conversion Coefficients for use in Radiological Protection against External Radiation, ICRP Publication 74, Pergamon Press (1995).