Профессор НИЯУ МИФИ Игорь Яшин рассказал о предстоящих испытаниях мюонного томографа на атомном реакторе

Специалисты НИЯУ МИФИ в сотрудничестве с коллегами из АО "ВНИИАЭС" (концерн "Росэнергоатом") и Института физики высоких энергий создали мюонный томограф для дистанционного обследования атомного реактора. Опытный образец устройства, собранный в 2021 году, сейчас проходит испытания на площадке НИЯУ МИФИ. Летом  установка будет доставлена на Калининскую АЭС для проведения натурных экспериментов по мюонографии реакторного здания одного из блоков. Профессор НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук Игорь Яшин рассказал об этой разработке и о планах по ее применению.

- Игорь Иванович, что такое мюонная томография?

- В основе метода лежит следующая идея. На поверхность  Земли приходит достаточно стабильный поток вторичных космических лучей, который равен примерно 100 частицам на 1 кв. м в секунду. Основную часть этих частиц составляют мюоны, элементарные частицы похожие на электрон, только примерно в 200 раз тяжелее. Они образуются на высотах 15-20 км в результате взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атомов атмосферы. За свое короткое время жизни, примерно в две микросекунды, из-за релятивистских эффектов они могут проходить большие расстояния, достигая поверхности Земли и даже проникая до нескольких километров вглубь земли.

Процессы взаимодействия мюонов при прохождении через вещество могут давать информацию о массовом составе и плотности вещества. Большая проникающая способность вызвала интерес к использованию естественных потоков мюонов для «просвечивания»  масштабных объектов и даже их томографии. Метод получил название «мюонографии» по аналогии с «рентгенографией».  Результатом просвечивания является «мюонограмма» – теневое изображение объекта на плоскости, которое содержит информацию о его внутренней структуре.

Чтобы изучать структуру крупномасштабных объектов на основе анализа изменений в пространственно-угловом распределении потока мюонов, нужны детекторы, которые могут эффективно регистрировать мюоны  и восстанавливать их треки с очень хорошей точностью.

У исследователей давно родилась идея использовать мюоны для изучения крупных природных и искусственных объектов. Этот принцип впервые применил нобелевский лауреат Луис Альварес при изучении египетских пирамид в 1965 году. Сейчас во всем мире проводятся эксперименты по мюонографии, разрабатываются новые детекторы.

- У сотрудников НИЯУ МИФИ есть большой опыт исследований космического излучения. Как появилась идея использовать эти знания для диагностики атомных реакторов?

- В Научно-образовательном центре «НЕВОД» НИЯУ МИФИ мы давно занимаемся мюонографией процессов в атмосфере и гелиосфере, создали уже три поколения мюонных годоскопов и запатентовали технологию мюонографии. Несколько лет назад мы решили применить свои компетенции и знания для решения такой сложной задачи, как разработка технологии мюонографии больших промышленных объектов. В частности, реакторов.

Дело в том, что очень сложно проводить диагностику того, что происходит в реакторе. Особенно остро это проблема встает во внештатных ситуациях. Как показали события на «Фукусиме», после аварии исключительно трудно узнать, что происходит в разрушенном энергоблоке, где находится расплавленное топливо и т.д. Именно там, на «Фукусиме», нашими японскими коллегами была осуществлена мюоногрфия аварийных блоков. Измерения проводились на больших расстояниях (до 100 м) и помогли обнаружить местоположение расплавленного топлива.

- В чем новизна вашей разработки?

- Ученые на «Фукусиме» использовали детектор размером метр на метр, но из-за его небольших размеров измерения заняли длительный срок до полугода и более. Мы пошли дальше, создали и запатентовали гибридный детектор, в котором используются две технологии – одна из них применяется в эксперименте ATLAS  на ускорителе БАК.

Наш детектор представляет собой сборки  из трех слоев дрейфовых трубок. Когда через них проходит частица, локализацию трека можно определить с точностью лучше 0,5 мм, это очень высокое разрешение. Конструкция детектора состоит из взаимно-ортогональных «сборок» таких трубочек и занимает площадь 9 кв. м. Это позволяет сократить срок измерений до одного  месяца. Мы подготовили две такие сборки и оснастили детектор дополнительной установкой – триггерной системой на основе плоских детекторов на сцинтилляционных стрипах. Она повышает надежность работы всего устройства.

Сейчас детектор работает на территории НИЯУ МИФИ, мы на нем отрабатываем методику, просвечиваем исследовательский реактор и соседние здания. На Калининской АЭС он будет установлен на специальной подъемной раме, оснащенной шасси, на расстоянии 55 м от реактора. Он будет регистрировать весь поток мюонов, который будет проходить сквозь реакторный блок.

После отработки методики мы попробуем получить объемное изображение, для этого надо будет сделать плоские проекции с нескольких сторон. Но это будет на следующем этапе работы.

- Где еще может быть востребован мюонный томограф?

- Помимо реакторов это также могут быть другие крупномасштабные объекты, например, домны, где мы сможем в реальном времени смотреть, как происходит процесс выплавки металла. Также это могут быть любые промышленные объекты, конструкции, мосты, градирни и т.д. Широкое применение метод мюонной томографии нашел при создании таможенных терминалов для предотвращения распространения тяжелых делящихся веществ.

Что касается небольших мюонных годоскопов, то с их помощью можно изучать разные объекты исторического и культурного наследия – скрытые помещения, захоронения, гробницы – когда нужно понять, есть там что-нибудь внутри или нет. Очень удобно, что это неразрушающий, неинвазивный метод. Исследование безопасно для человека, так как основано на использовании естественной радиации, в окружении которой мы всегда живем.

Области применения постоянно расширяются. Появились идеи использования мюонографии в геологии, например для поиска урановых и золотоносных месторождений. Мы планируем создание компактной промышленной установки, например, метр на метр, чтобы ее можно было использовать в узких закрытых помещениях.

Поживем – увидим. Пока для нас главное – удачно провести все испытания и наработать опыт.