研究人員利用宇宙射線3D掃描核反應(yīng)堆

一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，來(lái)自深空的宇宙射線可以幫助3D掃描核反應(yīng)堆，觀察反應(yīng)堆內(nèi)部是否安全。

當(dāng)被稱為宇宙射線的高能粒子撞擊地球大氣層時(shí)，它們可以產(chǎn)生μ介子，μ介子與電子相似，只是它的重量是電子的200倍多。每一秒鐘，成千上萬(wàn)的宇宙射線——主要是氫和氦核 —— 撞擊地球上層大氣的每一平方米。

μ介子通常很容易穿透物質(zhì)，但密集或巨大的物體可以以類似于X射線的方式吸收或散射它們。通過(guò)捕捉穿過(guò)物體的大量μ介子，研究人員可以開發(fā)出物體的圖像，這是一種被稱為μ介子層析成像（muon tomography）的技術(shù)，也稱為muography。

之前的研究使用muography掃描福島融化的核芯，深入吉薩大金字塔，并分析火山。然而，到目前為止，大型復(fù)雜物體的多重成像僅限于2D圖像；使用muography的3D成像僅適用于簡(jiǎn)單項(xiàng)目。

現(xiàn)在，科學(xué)家們首次發(fā)現(xiàn)，他們可以使用全息圖對(duì)核反應(yīng)堆進(jìn)行3D成像。

“對(duì)我來(lái)說(shuō)，（這項(xiàng)技術(shù)）最令人興奮的可能性是在不接觸這些復(fù)雜、致密結(jié)構(gòu)的情況下研究它們的內(nèi)部，”該研究的主要作者Sébastien Procureur說(shuō)，他是巴黎薩克萊大學(xué)和法國(guó)替代能源和原子能委員會(huì)（CEA）的粒子物理學(xué)家。

研究人員分析了法國(guó)馬庫(kù)勒的鈾燃料G2反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆在1958年至1980年間發(fā)電，是該國(guó)第一批核反應(yīng)堆之一。G2的冷卻系統(tǒng)從1986年至1996年被拆除，此后一直接受定期檢查，等待最終退役。

“這是20世紀(jì)50年代建造的最古老的反應(yīng)堆之一，因此人們對(duì)研究其潛在老化非常感興趣，”Procurer說(shuō)。

Procureur和他的同事調(diào)查G2的另一個(gè)原因是，該反應(yīng)堆是由研究團(tuán)隊(duì)的機(jī)構(gòu)CEA運(yùn)營(yíng)的，因此更容易獲得授權(quán)對(duì)其進(jìn)行檢查。同時(shí)，他指出， G2在反應(yīng)堆下方有一個(gè)開放的區(qū)域，讓科學(xué)家可以在其周圍完全放置μ介子傳感器。

科學(xué)家們使用了四臺(tái)μ介子望遠(yuǎn)鏡，從反應(yīng)堆周圍的20多個(gè)地點(diǎn)收集了27次掃描，每次掃描花費(fèi)了幾天時(shí)間。接下來(lái)，他們使用一種新的層析重建算法，從這些2D掃描中繪制出反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)的3D圖。

研究人員能夠?qū)2用來(lái)控制核反應(yīng)的石墨立方體、冷卻管和混凝土反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D成像。所有這些元素的尺寸和形狀都與已知的G2模型緊密匹配，除了使用muography收集的數(shù)據(jù)之外，所有這些都沒(méi)有算法接收到關(guān)于反應(yīng)堆的任何數(shù)據(jù)。

“我們沒(méi)有在反應(yīng)堆中發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題，”Procureur指出。

他說(shuō)，這項(xiàng)新工作最令人驚訝的方面是“如此少量的2D圖像足以獲得如此高質(zhì)量的3D重建”。醫(yī)學(xué)3D成像通常依賴于數(shù)百或數(shù)千張2D圖像，“我之前真的不確定僅僅幾十張就能進(jìn)行像樣的重建。這真的超出了我的預(yù)期?！?/p>

盡管這項(xiàng)新技術(shù)可以對(duì)活躍的反應(yīng)堆進(jìn)行成像，但“在現(xiàn)階段，這種方法的最大興趣似乎是在反應(yīng)堆退役前對(duì)其進(jìn)行掃描，以確保反應(yīng)堆內(nèi)部問(wèn)題存在，”Procurer說(shuō)，“此外，可以在福島這樣的事故中執(zhí)行任務(wù)?！?/p>

Procureur表示，世界上許多公司目前正在致力于將μ介子望遠(yuǎn)鏡商業(yè)化。他指出，3D muography可以掃描核廢料容器，以檢查其完整性，并預(yù)測(cè)其隨著時(shí)間的推移會(huì)如何降解。它還可以用于土壤研究、采礦勘探和土木工程。

“考古學(xué)是另一個(gè)令人感興趣的領(lǐng)域，”Procureur說(shuō)，“我們也在嘗試將這種3D重建技術(shù)應(yīng)用于大金字塔?！?/p>

然而，這種新技術(shù)確實(shí)有其局限性?！袄纾覀儫o(wú)法檢測(cè)到結(jié)構(gòu)中的小裂縫，”Procurer說(shuō)，“靈敏度沒(méi)有那么高?！?/p>

科學(xué)家們于2月3日在Science Advances雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

審核編輯 ：李倩