Пройти тропой мюонов

Элементарные частицы помогают ученым увидеть, что происходит внутри ядерного реактора

МИФИ и ВНИИАЭС впервые в мире получили изображения внутренней структуры реакторного блока с помощью мюонного томографа. Это специальное устройство для регистрации треков элементарных частиц — мюонов.

Мюонная томография основана на методе мюонографии (по аналогии с рентгенографией) — анализе и визуализации пространственных изменений потока частиц, проходящих через исследуемый объект. Результат исследования — отображение внутренней структуры объекта на графической матрице (мюонограмме).

Хроники мюонной томографии

В атомной отрасли интерес к мюонной томографии вырос после аварии на АЭС «Фукусима Даичи». Японским специалистам нужно было определить, причем дистанционно, какие повреждения произошли в активной зоне реактора и где находится топливо. Вблизи аварийных реакторов приборы выходили из строя из-за высокого уровня радиации. Создавали мюонный томограф и проводили исследования в 2015–2017 годах. Статистику набирали около полугода, затем ее долго анализировали, сверяли со схемой реактора, в целом исследования были успешными.

Первые работы по исследованию внутренних структур крупномасштабных объектов с помощью регистрации потоков мюонов были выполнены в 1970-е годы. Детекторы того времени занимали большие площади, так как необходимо было набирать значительные объемы данных, фиксируя трек каждого мюона и его угловые координаты. В России одним из ведущих научных центров в области развития методов мюонографии является НИЯУ МИФИ, в котором с середины 1990-х годов было создано несколько поколений прецизионных мюонных трековых детекторов большой площади.

В 2018 году возможностями мюонной томографии применительно к ядерным реакторам заинтересовался ВНИИАЭС. Институты подали совместную заявку на аванпроект.

Аванпроект нужен был для детальной проработки научной идеи: можно ли создать аппаратуру, чтобы в течение относительно небольшого промежутка времени получать пригодные для дальнейшего использования мюонограммы ядерного реактора. Также ученые хотели уточнить технические и экономические параметры и подтвердить перспективность проекта. В результате выполнения аванпроекта были сформулированы цель и задачи будущего проекта, подготовлено и обосновано техническое задание на создание мюонного томографа нового типа и на программу исследований. Аванпроект был завершен и одобрен в Росатоме в том же 2018 году.

Вскоре было открыто финансирование в рамках основного проекта «Мюонная томография ядерных реакторов», предусматривающего создание полнофункционального мюонного томографа. АО «Наука и инновации» стало заказчиком, ВНИИАЭС — генподрядчиком и исполнителем, НИЯУ МИФИ — соисполнителем.

Команды в обоих институтах сложились еще на стадии аванпроекта. В МИФИ в проекте были заняты сотрудники Научно-образовательного центра «НЕВОД» под руководством профессора Игоря Яшина. Во ВНИИАЭС томографом занимается отдел экономического анализа и сопровождения перспективных проектов развития, коллеги из других подразделений ВНИИАЭС также привлекались по мере необходимости. Сначала проект возглавляла руководитель департамента экономики жизненного цикла АЭС Оксана Золотарева, сейчас — начальник отдела экономического анализа и сопровождения перспективных проектов развития Сергей Олейник.

Томограф в разных ракурсах

Главная часть мюонного томографа — это координатно-трековый детектор-годоскоп, который определяет параметры треков мюонов — путей, которые они проходят. Годоскоп включает стриповый сцинтилляционный детектор и детектор на дрейфовых трубках. Оба метода широко используются в современной физике. Каждый детектор обладает рядом преимуществ, и при совместном применении для регистрации треков частиц они дополняют друг друга. Сцинтилляционный детектор достаточно прост в эксплуатации, он дает возможность организовать быстрый триггер (сигнал о прохождении через томограф мюона) и оперативно реконструировать нулевое приближение трека мюона. Дрейфовый детектор обеспечивает одну из лучших точностей регистрации треков мюонов, но это достаточно медленный прибор. Главный компонент таких детекторов — дрейфовые трубки, заполненные газовой смесью.

Особенность томографа МИФИ — ВНИИАЭС в том, что оба типа детекторов в нем используются совместно для регистрации одних и тех же треков. Поэтому его называют гибридным. «Коллеги из МИФИ предложили объединить их таким образом, чтобы триггером для дрейфового детектора был сигнал с сцинтилляционного. Раньше таких систем не было, мы первыми в мире создали гибрид. Совмещение позволяет получить «картинку» гораздо быстрее. Если на «Фукусиме» экспозиция заняла шесть месяцев, то у нас — всего 15 суток», — комментирует Сергей Олейник.

Полнофункциональный полноразмерный образец томографа решили установить рядом с блоком № 4 Калининской АЭС. В отличие от опытного образца, для него была разработана и изготовлена высокоточная монтажная рама, чтобы закреплять детектирующие пластины строго в определенных координатах. Площадь квадратной детектирующей плоскости полнофункционального томографа составляет 9 м².

Собирали детекторы в машинном зале. Затем раму с детектирующими плоскостями установили на модуль подвижности и разместили в специальном пневмокаркасном ангаре в 70 м от вертикальной оси расположения реактора энергоблока № 4 Калининской АЭС. Мюонный томограф разместили под углом 15°, чтобы активная зона реактора находилась в центре мюонограммы, кроме того это позволило сократить время набора статистики. Дело в том, что поток мюонов космических лучей обладает сильной зависимостью от зенитного угла, отсчитываемого от вертикали. Чем ближе к горизонту земной поверхности, тем меньше поток мюонов и, соответственно, тем дольше придется набирать статистику.

В октябре 2022 года мюонный томограф запустили. Собранные статистические данные об угловых координатах мюонов обрабатывались с помощью специального ПО (его тоже разработали ученые из НИЯУ МИФИ), и строилась матрица — двухмерная сетка, которая в результате обработки превращалась в изображение. На Калининской АЭС ученые планировали проверить, будет ли работать технология гибридного мюонного томографа и какие результаты будут достигнуты. Работает — значит, получается мюонограмма исследуемых объектов с высоким разрешением за относительно короткое время экспозиции. Ответ на вопрос получили буквально через два часа после запуска, когда на мюонограмме стала проявляться гермооболочка реакторного отделения, железобетонные перегородки в здании и другие объекты, обладающие высокой плотностью.

Правда, выявилась одна сложность: мюонограмма включала не только реактор, но и оборудование машзала, который находился за ним. Отделить изображение активной зоны от турбин и прочих агрегатов из стали оказалось сложно. «Поэтому мы планируем весной сменить локацию, чтобы нам ничто не мешало наблюдать за активной зоной. Кроме того, благодаря смене плоскости наблюдения мы можем получить трехмерное изображение реакторного отделения», — отмечает Сергей Олейник. Весной — потому что дрейфовый детектор отключили на зиму, он плохо реагирует на перепады температуры. Сейчас работает только сцинтилляционный детектор. Три зимних месяца он набирал статистику, и ученые уже предвкушают, как они будут изучать результаты.

Получив трехмерные изображения, специалисты планируют совместить их с трехмерной цифровой моделью блока. Цель такого наложения — проверить, увидит ли томограф различия, например наличие или отсутствие топлива в период проведения планово-предупредительного ремонта. Эксперимент планируют провести во время ППР и перегрузки топлива в июне 2023 года. «Если у нас получится зафиксировать динамическое изменение внутри реактора, а мы на это надеемся, то можно будет говорить о практическом применении томографа, этого ждут все», — рассказывает Сергей Олейник.

Для чего нужен мюонный томограф

Одна из важных задач — встроить мюонный томограф в производственные процессы на АЭС, а также найти ему другое востребованное применение. Концептуально он пригодится, когда другие способы визуализации плотного объема — невооруженным глазом, камерой, ультразвуком или другими методами — неприменимы. «Например, у нас есть железобетонная конструкция — дамба, домна или иное сложное сооружение. В ней есть некая схема армирования. И мы можем увидеть, в каком состоянии внутри этого сооружения находится арматура, получить реальную схему армирования. На АЭС мюонный томограф можно использовать для мониторинга состояния зданий, сооружений и оборудования. Например, для оценки отложений, которые со временем образуются на оросителях градирен. Профессионально решает эту проблему одно из подразделений ВНИИАЭС. На сегодняшний день, чтобы продиагностировать градирню обычным способом, она не должна работать, то есть надо ждать ППР. А томограф можно использовать и в рабочем режиме. Но даже во время ППР томограф удобнее, потому что присутствие человека не требуется, сравнение полученных результатов с исходными мюонограммами (мы называем их базовыми) происходит дистанционно», — отмечает Сергей Олейник. По предварительным расчетам, для станции из нескольких блоков достаточно будет одного-двух томографов (второй — запасной при одностороннем сканировании, либо он будет служить для получения трехмерных изображений онлайн).

Текущий уровень готовности технологии — TRL–7, то есть полнофункциональный полноразмерный образец испытан в реальных условиях эксплуатации, его работоспособность подтверждена. Следующий шаг — сделать промышленный образец. Основные требования — он должен быть мобильным и работать «с колес», без возведения пневмокаркасных ангаров для защиты от неблагоприятных погодных условий и термостатирования. Это уже задача для дальнейшего логического развития направления мюонной томографии в атомной энергетике.