Мюонна томографія: погляд усередину ядерних реакторів

Мозгова А., Гнатик Б., Габєлков С., Жиганюк Є. Мюонна томографія: погляд усередину ядерних реакторів. Вісник київського національного університету імені Тараса Шевченка. Астрономія. 2024. Вип. 1/2 (69/70). С. 56-62.

В с т у п . Космічні промені – високоенергетичні заряджені частинки (електрони, протони, важчі ядра) – постійно бомбардують атмосферу Землі й породжують зливи вторинних космічних променів, зокрема і високоенергетичних мюонів. Мюони мають великі пробіги навіть у матеріалах із великою густиною, тому виявляються ефективним джерелом сигналів для томографічних досліджень великомасштабних об'єктів до сотень метрів і навіть до кілометрів. Мюонна томографія нині є єдиним методом віддаленого дослідження просторового розподілу різних компонентів ядерних реакторів. В роботі запропоновано схему дослідження структури ядерно-небезпечного скупчення у зруйнованому четвертому енергоблоці Чорнобильської АЕС за допомого мюонної томографії.
М е т о д и . Первинні космічні промені досягають атмосфери Землі, взаємодіють з атмосферними ядрами (N, О тощо) і внаслідок ядерних каскадів генерують зливи вторинних частинок. До них належить і потік мюонів. Оскільки наша атмосфера постійно бомбардується космічними променями, потік мюонів постійно надходить з атмосфери до земної поверхні і завдяки високій енергії мюонів (від 1 ГеВ до десятків ТеВ) вони мають високу проникну здатність і можуть проникати під землю на глибину від сотень метрів і до кількох кілометрів у тверді породи. Причому внаслідок енергетичних втрат і розсіяння інтегральна інтенсивність мюонів зменшується залежно від пройденої стовпчикової густини Х як добутку густини середовища ρ на пройдену відстань L: X(L)=ρ∙L. Позиційно-чутливі детектори мюонів,
зокрема і годоскопи, реєструють інтегральну інтенсивність мюонів у певному тілесному куті і за картою інтегральної інтенсивності дозволяють відтворити значення Х – розподіл поглинальної речовини вздовж променя зору. За даними спостережень об'єкта з декількох місць із різними зенітними й азимутальними кутами можна відтворити 3D-розподіл поглиначів в об'єкті.
Р е з у л ь т а т и . Запропоновано методику застосування мюонної томографії для встановлення внутрішньої структури розплаву паливовмісних матеріалів, зокрема і ядерно-небезпечного скупчення у зруйнованому четвертому енергоблоці Чорнобильської АЕС. Інтегральна інтенсивність мюонів з імпульсами p>1.12 ГеВ/с у зенітному куті 75о (напрямок спостереження годоскопа) дорівнює I(>p = 1.12 ГеВ/с) = 6.90·10–4 см–2с –1ср–1 . Кількість зареєстрованих мюонів у тілесному куті (пікселі на небі) δΩ = 1.0·10–3 ср з ефективною площею Σ = 5.76 см2ср і часом спостереження 100 днів (8.64·106 с) буде Nµ = 3.43·104. Якщо на промені зору телескопа розміщено поглинальний об'єкт із густиною ρ, протяжністю L і відповідною стовпчиковою густиною X(L) = ρ∙L, то під час проходження шару бетону завтовшки 10 м, на детектор попадуть мюони з початковим імпульсом p > 5 ГеВ/с. Інтегральна інтенсивність таких мюонів дорівнює I(>p = 5.0 ГеВ/с) = 4.28·10 –4 см–2с –1ср–1, а кількість зареєстрованих мюонів – 2.12·104
. Якщо ж густина поглинального об'єкта – ядерно-небезпечного скупчення – рівна 5 г/см3, на детектор попадуть мюони з початковим імпульсом p > 10.4 ГеВ/с, інтегральною інтенсивністю I(>p = 10.4 ГеВ/с) = 2.65·10–4 см–2с –1ср–1 , а кількість зареєстрованих мюонів – 1.32·104. Тобто чутливості запропонованого методу достатньо для впевненого встановлення внутрішньої структури розплаву паливовмісних матеріалів.
В и с н о в к и . Мюонна томографія нині є єдиним ефективним методом віддаленого дослідження просторового розподілу компонентів ядерних реакторів. В роботі запропоновано схему дослідження структури ядерно-небезпечного скупчення у зруйнованому четвертому енергоблоці Чорнобильської АЕС за допомого мюонної томографії. Показано, що для заданих параметрів годоскопа можна провести мюонну томографію реактора для часу спостережень з одного місця близько 100 днів.