Исследователи Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии (CEA) использовали мюоны — космические частицы для дистанционного неинвазивного создания BD-изображения реактора G2 на площадке Маркуль, Франция, который в настоящее время выводится из эксплуатации.
Мюоны — высокоэнергетические субатомные частицы, которые создаются при попадании космических лучей в верхние слои атмосферы Земли. Эти частицы естественным образом и безвредно достигают поверхности Земли со скоростью около 10 000 мюонов на м2/мин. Устройства слежения за мюонами обнаруживают и отслеживают эти частицы, когда они проходят через объекты. Едва заметные изменения траектории мюонов по мере проникновения в материалы и изменения направления коррелируют с плотностью материала. Мюонная визуализация, или мюография, может раскрыть внутреннюю часть самых глубоких структур и предоставить точные изображения, как проникающая фотография.
«Мюоны, как и спортсмены-марафонцы, не стартуют с одной и той же энергии, — сказал Себастьен Прокюрер, исследователь из CEA. — В зависимости от сложности и протяженности гонки, многие остановятся по пути, и лишь часть из них пересечет финишную черту. И та часть, которая пересекает черту, говорит нам о сложности состоявшейся гонки. В мюографии эта сложность соответствует пройденной толщине и плотности».
Спроектированные в CEA мюонные телескопы оснащены детекторами Micromegas, изобретенными в 1994 г. Институтом исследований фундаментальных законов Вселенной (IRFU) CEA.
«В детекторе Micromegas мы используем благородный газ, поскольку он обладает хорошими свойствами, позволяющими сохранять необходимую ионизацию и, следовательно, обнаруживать прохождение мюонов, — сказал Прокюрер. — Впоследствии используя электрические поля, которые применяются в газовом объеме, эти электрические заряды направляются на считывающую электронику».
Эта технология уже использовалась для исследования нескольких египетских пирамид, чтобы обнаружить полости, скрытые в их стенах.
После первого этапа демонтажа реактора G2, который был завершен в 1996 г., группы исследователей вошли внутрь реактора, чтобы снять видео и сделать замеры радиоактивного загрязнения, а также взять пробы металла для проверки степени его коррозии. Но этого было недостаточно: нужно было найти решение для проведения дальнейших исследований без разрушения установки.
«Именно тогда я обнаружил в какой-то статье результаты работы мюонного телескопа в рамках проекта сканирования пирамид ScanPyramids, — рассказал Лоран Гальего, руководитель проекта демонтажа реакторов G2 и G3 в CEA. — Мы задали вопрос исследователям, можно ли использовать мюографию в отношении таких конструкций, как наши реакторы, которые слишком массивны и не очень доступны?».
«Первая проблема в адаптации мюографии к проекту демонтажа заключается в том, что, по сравнению с каменной пирамидой с простой геометрией, в реакторе находятся более 20 000 компонентов», — сказал Гектор Гомес-Малуэнда, другой исследователь из CEA.
Группа исследователей начала с двух крупных изменений процесса, который использовался предыдущими группами: потребовалось большее количество детекторов и внесение усовершенствований в программное обеспечение, используемое для сшивания всех изображений, полученных от большого числа детекторов.
Именно во время осуществления их вклада в проект демонтажа реактора G2 группы исследователей CEA-IRFU были призваны проверить с помощью мюографии, что существующие чертежи реактора, датируемые концом 1950-х гг., соответствовали конструкции фактического реактора.
Группа исследователей совместила 27 проекций с четырех телескопов для получения карты плотности без какой-либо предварительной информации о внутренней конструкции реактора. 3D-реконструкция реактора была завершена в марте 2022 г.
«Несмотря на сложность и большие размеры, визуализацию реактора смогли составить за относительно короткое время, при этом была выполнена достаточно качественная реконструкция, на которую затратили всего несколько дней для получения каждой проекции, — сообщили исследователи. — Хотя мы и ожидали этого от моделирования, анализ подтвердил, что для визуализации и определения местоположения основных компонентов реактора достаточно лишь ограниченного количества проекций». Также они добавили: «Эти выводы открывают новые перспективы для проведения инспекций и мониторинга ядерных объектов в течение всего срока их эксплуатации, а также на этапе их вывода из эксплуатации, способствуя тем самым обеспечению ядерной безопасности».
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances («Научные достижения»).
Созданная в 1950-х гг. площадка Маркуль является базовым центром CEA для исследований в области ядерного топливного цикла, включая переработку отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), рецикл ядерных материалов, а также обращение с РАО. В этом центре располагались три прототипа газоохлаждаемых реакторов — реактор G1 мощностью 2 МВт(э), который был введен в эксплуатацию в 1956 г. и работал до 1968 г., и два реактора G2 и G3 мощностью 40 МВт(э) (1958-1980 и 1959-1984 гг.соответственно), а также установка по переработке UP1, закрытая в 2007 г. В настоящий момент, эти три реактора и установка UP1 находятся на различных этапах дезактивации и демонтажа.