I Laboratori Nazionali di Legnaro Missione: Sviluppare fisica e astrofisica nucleare di base, assieme alle applicazioni delle tecnologie nucleari connesse.

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1 I Laboratori Nazionali di Legnaro Missione: Sviluppare fisica e astrofisica nucleare di base, assieme alle applicazioni delle tecnologie nucleari connesse Punti di forza: sviluppo di acceleratori di nuclei, bersagli ad alta intensita’, trattamento di superfici, rivelatori di radiazioni Personale. Ogni giorno lavorano ai LNL 250 persone, di cui 110 staff INFN e 15 TD INFN Costo per INFN : 20 MEuro/anno (10 per funzionamento e ricerche, altrettanti per il personale) Bacino di utenza: circa 600 ricercatori, piu’ della meta’ non italiani Macchine esistenti :AN2000 e CN: (3700 ore di fascio nel 2009, TANDEM-XTU e ALPI-PIAVE: 4270 ore a disposizione dagli utenti 1

2 Un punto di vista sulla fisica nucleare La fisica nucleare e’ una disciplina matura, che puo’ e deve confrontarsi con altre discipline, per arricchirle e per arricchirsi essa stessa Alcuni esempi nell’INFN: - doppio decadimento beta senza : caccia al mistero del numero leptonico, in raffinatissimi esperimenti di fisica nucleare - geologia neutrinica: una nuova sonda della terra, un nuovo capitolo di geologia nucleare, assieme a classici studi di spettri di decadimento beta -LUNA: reazioni nucleari che alimentano il Sole, nelle condizioni dell’interno del sole, un approccio innovativo alla astrofisica nucleare 2

3 3 Fisica dei/coi neutroni In prospettiva la fisica dei/coi neutroni puo’ avere un ruolo interessante (nuclei ricchi di neutroni, ma anche astrofisica nucleare, fisica nucleare per reattori di generazioni future, proprieta’ dei materiali, medicina nucleare …. ) Finora fisica e applicazioni dei neutroni hanno ruotato principalmente attorno ai reattori nucleari, ma: - reattori che usano HEU sono sorgenti di proliferazione nucleare (vedi 99Tc-m) -i reattori sono sistemi costosi e complessi -i reattori difficilmente si porteranno negli ospedali E’ naturale dunque pensare agli acceleratori come sorgenti di neutroni Last but not least, e’ necessario recuperare nel paese la fisica dei neutroni, anche per la formazione e l’addestramento di nuove generazioni che lavoreranno con tecnologie nucleari

4     4 SPES*: la speranza del laboratorio SPES e’ un progetto di ricerca nel campo della fisica e astrofisica nucleare di base, con possibilita’ di estensione a settori applicativi, quali: - produzione di radioisotopi di interesse sanitario; - sorgenti di neutroni da impiegare per lo studio di reattori di nuova generazione, del radiation damage indotto da neutroni atmosferici… SPES, assieme al funzionamento delle macchine esistenti, e’ il cuore e il futuro del laboratorio * SPES= Selective Productiono of exotic species

5 5 SPES-  : il cuore del laboratorio Nel 2008 INFN ha approvato e finanziato, con un impegno di 18 MEuro, la fase  di SPES, che consiste principalmente in: - Acquisizione e installazione di un ciclotrone di alta intensita’ (~1mA) con energia fino a 70 MeV (ordine effettuato). - Realizzazione dell’edificio (progettazione definitiva in corso) Il ciclotrone e’ previsto avere due uscite: -una da dedicarsi alla “fisica dei fasci di ioni radioattivi” -una da dedicarsi ad altre applicazioni Applicazioni 

6 6 SPES-  : la riaccelerazione degli ioni radioattivi SPES-  produrra’ ioni radioattivi per urti di protoni su una targhetta di Uranio. L’interesse per la fisica di base e’ principalmente nella ri-accelerazione di questi ioni e nello studio delle successive collisioni su idonei bersagli La fase di ri-accelerazione si avvarra’ di un acceleratore ideato e costruito a Legnaro (PIAVE-ALPI) Questa fase  e’ in concorrenza con un progetto francese (SPIRAL2 del CEA, costo 100Meuro) ma e’ anche complementare allo stesso. Esiste ed e’ operativo un accordo internazionale (LEA, Laboratori Europei Associati) che vede SPIRAL2 e SPES come partner di una attivita’ comune. Per SPES-  occorrono 25- 30 Meuro. Questa parte e’ approvata ma non ancora finanziata da INFN

7 r-process path Super Heavy stability ??? 114 184 Neutron Drip Line Halo nuclei Borromean nuclei 11Li Pigmy resonance Evolution of shell nuclear structure ? SPES beams Neutron Rich Isotopes are fission fragments products A: 80-160 with UCx target n-richndeficient Isospin & level density Besprovany Levit PLB 217(1989)1 N Z Limiting T EXCYT beams

8 SPES Status ItemdoneTo be done26M€ ISOL target and ion source Completed the development of Target-ion source System Implementation of UCx ISOL laboratory and infrastructure. Construction of on-line device 7M€ Beam coolerStarted R&DDesign and construction1M€ High Resolution Mass Spectrometer Completed physics design and beam transport from ISOL target to reaccelerator Engineering design and costruction 6M€ Re-acceleratorUpgrade of Low Beta sectionComplete ALPI and PIAVE upgrade 8M€ Radiation protection Control and Safety Request for operation Developed control system and safety architecture Implementation on site4M€ CyclotronConstruction started10.5 M€ Building and infrastructuresExecutive project in progress10 M€

9 The SPES target prototype Graphite Window UCx Disk Graphite Dumpers Graphite Box UCx emissivity measurement SEM Characterization UCx target procuction SPES target-ion-source Front End 40 mm Target Ion Source (1+)

10 Call for Letters of Intent: Reaccelerated radioactive beams 15 Nuclear Structure 9 Nuclear Reactions International collaborations: Italy Bulgaria Hungary France Poland Spain Great Britain Turkey USA Slovakia Romania Croazia Russia India Germany Canada * european collaborations First Day Experiments SPES2010 International Workshop (LNL- November 15 th -17 th, 2010) The goal is to improve the scientific collaborations around the SPES facility, defining priorities in the development of exotic beams and instrumentation. Requested beams (Next call will be prepared for 2012-13) Instrumentation: 1 GARFIELD Low threshold 4  LCP-Fragment array - F. GramegnaGARFIELD 2 PRISMA Large acceptance spectrometer - A.M. StefaniniPRISMA 3 8PLP 4  LCP-Fission Fragment array - M. Cinausero8PLP 4 RIPEN Neutron array - M. CinauseroRIPEN 5 GALILEO  -array - C. UrGALILEO 6 TRACE Compact LCP array - D. MengoniTRACE 7* AGATA High performance  -array - E. FarneaAGATA 8* FAZIA High performance LCP-Fragment array - G. CasiniFAZIA 9* NEDA New generation neutron array - J.J. Valiente DobonNEDA 10* PARIS New generation high energy  -ray array - A. Maj 11 CHIMERA (partial) Low threshold 4  LCP-Fragment array – S.Pirrone 24 LOIs

11 11 SPES-  : la produzione di radioisotopi Produzione di radioisotopi     INFN puo’ fornire protoni ed assistenza tecnica in generale, ma tutto quel che e’ a valle deve essere svolto da parte e sotto la responsabilita’ di un’azienda inserita nel mercato sanitario Dovra’ essere costitutito un consorzio, di Universita’ e Enti a carattere sanitario, per le attivita di tipo sperimentale. Fra le applicazioni, e’ di particolare interesse la produzione di radioisotopi di interesse sanitario, di tipo innovativo e di ricerca. In Francia a Nantes e’ in fase di realizzazione il progetto ARRONAX, per la produzione di radioisotopi di tipo innovativo e sperimentale, basato su un ciclotrone con caratterstiche simili a quello di SPES e con un costo di circa 40 Meuro. Mettendo in sinergia il valore del ciclotrone e dell’edilizia per il progetto SPES, si puo’ realizzare un centro analogo con un investimento di 10-30 Meuro

12 Il Progetto LARAMED LAboratorio per la produzione di RAdionuclidi di interesse per la MEDicina utilizzando il ciclotrone SPES-  12

13 I prodotti di LARAMED RadioisotopeHalf-life Fe-528.3 h Cu-6412.7 h Cu-672.58 d Sr-8225.4 d Ge-68270.8 d I-1244.18 d Ac-22510 d Alcuni esempi di radionuclidi di interesse per la medicina che possono essere prodotti utilizzando il ciclotrone SPES-  13

14 64 Cu e 67 Cu Negli ultimi anni è stato sviluppato un nuovo radiofarmaco marcato con i radionuclidi Cu‐64 e Cu‐67, che si concentra selettivamente nelle cellule ipossiche Il nuovo radiocomposto ([64/67Cu]ATSM ) si è rivelato particolarmente utile nella diagnosi e nella terapia delle neoplasie prostatiche per le quali il tracciante [18F]FDG non può essere utilizzato. Un ciclotrone di energia medio‐alta costituisce uno strumento efficace per aumentare le rese di produzione di Cu‐64 e, di conseguenza, assicurare una più adeguata disponibilità di [64Cu]ATSM [64/67Cu]ATSM ) IsotopoCu-64Cu-67  1/2 12.7h2.5d EC41%- ++ 19%- -- 39%100%

15 Ge‐68/Ga‐68 Accanto a F‐18 e C‐11, negli anni recenti, è cresciuta in modo esponenziale la richiesta del radionuclide β+ emettitore Ga‐68. L’interesse nasce dal fatto che il Ga‐68 si è dimostrato particolarmente vantaggioso per la marcatura di piccole molecole peptidiche, utilizzate per la diagnostica di innumerevoli patologie a carico di tessuti che esprimono recettori capaci di legarsi ai peptidi marcati. La produzione condotta per mezzo di ciclotroni a medio‐alta energia fornirebbe una soluzione efficace al problema della disponibilità del radionuclide padre Ge‐68, che non può essere prodotto in quantità adeguate con i metodi attuali. IsotopoGe-68 Ga-68  1/2 271d68m EC-- ++ -100% -- 100% in Ga-68 -

16 Sr‐82/Rb‐82 Lo ione Rb+ è un analogo biologico dello ione K+ che è coinvolto in modo fondamentale nel processo di funzionamento della cellula cardiaca. Somministrato per via endovenosa, lo ione Rb+ si accumula selettivamente nel miocardio e, quindi, se sostituito con un radioisotopo in grado di generare raggi γ può essere utilizzato come tracciante per lo studio della funzionalità cardiaca. Questo radioisotopo è prodotto attualmente utilizzando ciclotroni di bassa energia che non ne consentono una resa elevata a causa delle basse energie ed intensità di corrente IsotopoSr-82 Rb-82  1/2 25d1.27m EC100% in Rb82 - ++ -100% -- --

17 Mo‐99/Tc‐99m Il Tecnezio 99 metastabile e’ usato in 20 milioni di procedure diagnostiche nel mondo ogni anno. Circa l’85% delle procedure di imaging in medicina nucleare utilizzano questo isotopo. Prodotto per tutto il mondo in alcuni speciali reattori nucleari, ne e’ adesso difficile l’approvvigionamento, per la chiusura di alcuni centri di produzione. In tutto il mondo si stanno studiano strategie alternative per la produzione di Tc‐99m, mediante acceleratori Il ciclotrone di Legnaro, se fosse utilizzato esclusivamente per questo scopo, produrrebbe il fabbisogno di una regione come il Veneto. IsotopoMo-99Tc-99m  1/2 66h6h  -100% ++ -- -- 100% in Tc-99 e Tc - 99m -

18 Il piano economico del progetto LARAMED La progettazione dettagliata e la valutazione dei costi per la realizzazione del laboratorio LARAMED sono state attentamente studiate da un gruppo di esperti, che riuniva al suo interno tutte le necessarie competenze tecnico-scientificjhe. I livelli di possibili investimenti corrispondenti a vari gradi di produttività del laboratorio LARAMED 18

19 Produzione di radiofarmaci: solo farmacologia o anche fisica nucleare? Si e’ alla ricerca di metodi alternativi di produzione, mediante acceleratori, del Mo-99 e del Tc-99m Ricerche sui bersagli, che devono sostenere potenze elevate Necessita’ di misure “affidabili” di yield di produzione Alcuni nuclidi di interesse medico sono anche di interesse fisico (batch mode) 19

20 20 SPES-  : la produzione di neutroni Il ciclotrone puo’ essere usato come una sorgente intensa di neutroni, con lo scopo di realizzare : -A) un simulatore di reattore veloce -B) un dimostratore di reattore veloce pilotato dall’acceleratore Produzione di radioisotopi     Il tutto si inquadra nella prospettiva dei reattori nucleari di IV generazione

21 Che sappiamo sui neutroni prodotti dal ciclotrone? Molto in teoria, poco in pratica, nel senso di conclusioni basate su effettive misure e non solo su modelli teorici 21 Neutron spectra from 70 MeV protons, From FLUKA Benvenuta una campagna di misure di sezioni d’urto e spettri che dia informazioni sperimentali di input per i modelli, e quindi per gli studi successivi

22 22 Proposte presentate: Facility TOF per misure di interesse applicativoMastinu Archeologia / Beni culturaliAndreani Neutroni atmosferici Bisello / Wyss Facility per irraggiamento per reattori di IV GenerazioneColonna / Esposito MetrologiaZafiropoulos Riunioni esplorative per fasci di neutroni con ciclotrone Source: N. Colonna – INFN Bari

23 Neutroni atmosferici e SEE PD

24 VERY USEFUL  VERY USEFUL to have fast neutron white spectrum facility with wide range of fluxes very great interest  very great interest to have a copious source of fast mono-energetic neutrons from thin Lithium targets (to resolve energy dependence)  such a fast neutron facility would be unique in Italy and competitive in Europe Jeffery Wyss Electronics testing at the LNL 70 MeV cyclotron

25 25CSN 3, Roma, 2 Febbraio 2010N. Colonna – INFN Bari FARETRA FAst REactor simulator for TRAnsmutation studies Proponenti: N. Colonna, J. Esposito Idea: generare uno spettro di neutroni simile a quello atteso per reattori veloci Gen. IV per misure integrali su attinidi, frammenti di fissione, e materiali strutturali. Proposta: fascio di protoni (40 MeV) su un convertitore (Be, W o Pb) + moderatore per ottenere spettro opportuno. Proof of principle: 20 cm di Fe + 5 cm B-D 2 O Fascio iniziale: 10 13 n/s Efficienza di moderazione 10 -3 Fascio neutroni: 10 10 n/cm 2 /s Neutron spectrum in Gen IV fast reactors 1  gr 238 Pu (87 y, 0.6 MBq)  =1 b TR = 20 c/s Sezioni d’urto integrali per reattori di IV Generazione

26 un a infrastruttura INFN-ANN per Formazione e Ricerca ai LNL - un reattore veloce sottocritico k<1 sostenuto da un piccolo acceleratore di particelle. - Potenza di qualche decina di kw - Il reattore e’ totalmente controllato dal fascio:si spegne se il fascio manca. -Potenza massima fissata dalla massima corrente di fascio

27 27 LNL e il nucleare energetico (da fissione e da fusione) IFMIF: Nell’ambito del cosiddetto “Broader approach” INFN ha la responsabilita’ di un acceleratore di deutoni ad alta intensita’ (~100 mA) per la produzione di neutroni da 14 MeV, dedicato allo studio degli effetti sui materiali dei neutroni da fusione. Il prototipo dell’acceleratore RFQ rappresenta il contributo italiano ad IFMIF (circa 30 Meuro, in kind) in un progetto mondiale da 1000 Meuro per la realizzazione della facility di irraggiamento in Giappone. L’attivita’ italiana e centrata ai LNL, col coinvolgimento di Pd, Bo e To, RFX: LNL partecipa al consorzio per la progettazione e realizzazione del prototipo del Neutral Beam Injector di ITER (40A, 1MV) Responsabilita’ e opportunita’ per INFN e LNL

28 … in situ … in laboratorio … in volo ~ 10 m ~ 0.1 m ~ 100 m ~ 10 m Misure della radioattivita’ dei suoli e rocce

29 N Distribuzione dell’ Uranio [ppm] UUUU 9 ± 2.33.3 ± 1.21.4 ± 0.90.3 ± 0.4 0 2.5 5 7.5 10 km Preliminary

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31 La formazione Formazione di una nuova generazione nel campo delle tecnologie nucleari (fisici, geologi, ingegneri, chimici….), PER L’ENERGIA, LA SALUTE E L’AMBIENTE, e’ necessaria per - operare scelte comptetenti - non passare dalla schiavitu’ energetica alla schiavitu’ tecnologica I laboratori offrono la possibilita’ di formazione sul campo, complementare, sinergica e integrativa di quella universitaria 31

32 Legnaro e il gruppo II Legnaro si e’ connotato negli anni come sede per lo studio di forze deboli (Casimir, PVLAS, gravitazione…), e fisica delle superfici (CUORE…) talora con ottimi risultati Alcune iniziative stanno migrando verso altre sedi. Raccomandazione ai fisici e tecnologi di LNL: far sinergia fra di loro e contribuire allo sviluppo di iniziative nel loro laboratorio.

33 WORK IN PROGRESS

34 Pianta dei Laboratori SPES e LARAMED LARAMED SPES 34

35 Alcuni risultati