Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Астрономія, №. 70, c. 59-66 (2024)
МЮОННА ТОМОГРАФІЯ: ПОГЛЯД ВСЕРЕДИНУ ЯДЕРНИХ РЕАКТОРІВ
Альона МОЗГОВА, канд. фіз.-мат. наук
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна
Богдан ГНАТИК, д-р фіз.-мат. наук, проф.
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна
Єлизавета ЖИГАНЮК
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна
Сергій ГАБЄЛКОВ, д-р фіз.-мат. наук
Інститут проблем безпеки атомних електростанцій Національної академії наук України, Чорнобиль, Україна
Абстракт
Вступ. Космічні промені – високоенергетичні заряджені частинки (електрони, протони, важчі ядра) – постійно бомбардують атмосферу Землі і породжують зливи вторинних космічних променів, зокрема, високоенергетичних мюонів. Мюони мають великі пробіги навіть в матеріалах з високою густиною, тому виявляються ефективним джерелом сигналів для томографічних досліджень великомасштабних об’єктів до сотень метрів і навіть до кілометрів. Зокрема, мюонна томографія зараз є єдиним методом віддаленого дослідження просторового розподілу різних компонентів ядерних реакторів. В роботі запропонована схема дослідження структури ядерно-небезпечного скупчення в зруйнованому четвертому реакторі Чорнобильської АЕС за допомого мюонної томографії.
Методи. 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 проникаючу здатність і можуть проникати під землю на глибину від сотень метрів і до кількох кілометрів у тверді породи. При цьому внаслідок енергетичних втрат та розсіювання інтегральна інтенсивність мюонів зменшується в залежності від пройденої стовпчикової густини Х як добутку густини середовища ρ на пройдену відстань L: X(L)=ρ∙L. Позиційно-чутливі детектори мюонів, зокрема, годоскопи, реєструють інтегральну інтенсивність мюонів у певному тілесному куті і за картою інтегральної інтенсивності дозволяють відтворити значення Х – розподілу поглинаючої речовини вздовж променя зору. За даними спостережень об’єкта з декількох локацій з різними зенітними та азимутальними кутами можна відтворити 3D розподіл поглиначів в об’єкті.
Результати. Запропонована методика застосування мюонної томографії для встановлення внутрішньої структури розплаву паливовмісних матеріалів, зокрема, ядерно-небезпечного скупчення в зруйнованому четвертому реакторі Чорнобильської АЕС. Інтегральна інтенсивність мюонів з імпульсами p>1.12 ГеВ/с в зенітному куті 75о (напрям спостереження годоскопа) дорівнює I(>p=1.12 ГеВ/с)=6.90·10-4 см-2 с-1 ср-1. Кількість зареєстрованих мюонів в тілесному куті (пікселі на небі) δΩ=1.0·10-3 ср з ефективною площею Σ=5.76 см2∙ср та часом спостереження 100 днів (8.64·106 с) буде Nµ =3.43·104. Якщо на промені зору телескопа знаходиться поглинаючий об’єкт з густиною ρ, протяжністю L та відповідною стовпчиковою густиною X(L)=ρ∙L, то при проходженні шару бетону товщиною 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-2∙с-1∙ср-1, а кількість зареєстрованих мюонів – 2.12·104. Якщо ж густина поглинаючого 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-2∙с-1∙ср-1, а кількість зареєстрованих мюонів – 1.32·104. Тобто, чутливості запропонованого методу достатньо для впевненого встановлення внутрішньої структури розплаву паливовмісних матеріалів.
Висновки. Мюонна томографія нині є єдиним ефективним методом віддаленого дослідження просторового розподілу компонентів ядерних реакторів. В роботі запропонована схема дослідження структури ядерно-небезпечного скупчення в зруйнованому четвертому реакторі Чорнобильської АЕС за допомого мюонної томографії. Показано, що для заданих параметрів годоскопа можна провести мюонну томографію реактора при часі спостережень з однієї локації близько 100 днів.
Ключові слова
космічні промені, мюони, мюонна томографія, ядерна безпека, ядерні реактори, ЧАЕС.
DOI: