Мюонный томограф поможет заглянуть внутрь реактора на Калининской АЭС

Первый отечественный полнофункциональный гибридный мюонный томограф запустили на Калининской АЭС. Уникальная разработка, выполненная специалистами НИЯУ МИФИ в сотрудничестве с коллегами из ВНИИАЭС и Института физики высоких энергий, позволит «заглянуть» внутрь реактора, провести дистанционное обследование оборудования. Эта технология в перспективе позволит повысить безопасность работы крупных промышленных объектов, в первую очередь в атомной энергетике.

Диагностика сплошным потоком

Опытный образец мюонного томографа в разобранном виде привезли на площадку Калининской АЭС из МИФИ. Именно там на протяжении нескольких последних лет российские ученые занимаются исследованием космических лучей и рожденных под их воздействием мюонов.

Собирали томограф в машинном зале энергоблока № 4 Калининской АЭС. Сейчас он установлен возле реакторного отделения энергоблока. Устройство представляет собой трековый детектор, позволяющий в режиме реального времени регистрировать трек (непрерывную линию маршрута) каждого мюона, проходящего через систему.

Как пояснил заместитель начальника отдела ядерной безопасности и надежности Калининской АЭС Сергей Киселев, проводить диагностику процессов, проходящих в реакторе, очень сложно, а мюонам, обладающим высокой проникающей способностью, до 2,5 км скальных пород это как раз под силу.

Процессы взаимодействия этих частиц при прохождении через вещество могут давать информацию о его массовом составе и плотности. Метод получил название «мюонография» — по аналогии с рентгенографией. Результатом его работы является мюонограмма — теневое изображение объекта на плоскости, которое содержит информацию о его внутренней структуре.

«Мюонная томография ближе к природе: мы используем естественное излучение, которое уже есть в природе. Несколько таких снимков с разных ракурсов позволяют собрать трехмерное изображение объекта», — добавляет Сергей Киселев.

Это неразрушающий, неинвазивный метод. Исследование абсолютно безопасно для человека, поскольку основано на использовании естественной радиации, в окружении которой мы живем.

Однако на пути практического применения метода мюонографии много проблем, связанных с особенностями потока мюонов на поверхности Земли. Это в первую очередь достаточно слабый поток с сильной зенитно-угловой зависимостью, для регистрации которого требуются большие детекторы. Основная задача исследований на Калининской станции — научиться бороться с этими трудностями.

«Сейчас на Калининской АЭС отрабатывается технология мюонографии, оптимизируются регистрирующие системы и программное обеспечение, — говорит профессор НИЯУ МИФИ, руководитель программы «Мюонная томография ядерных реакторов» Игорь Яшин. — Успешное завершение исследования позволит перейти к промышленному производству линейки мюонных томографов. Их предполагается использовать как дополнительное средство дистанционного мониторинга ядерных реакторов, оборудования и сооружений АЭС в самых разных условиях. Они также пригодятся для дистанционного мониторинга крупных промышленных и культурных объектов — мостов, плотин, зданий со скрытыми помещениями, гробниц, для поиска урановых и золотоносных месторождений, обследований вулканов и так далее».

От египетских пирамид до реактора «Фукусимы»

Мюоны впервые обнаружили в 1936 году. Каждую минуту через один квадратный метр земной поверхности пролетает до 10 тыс. этих частиц, рождающихся в земной атмосфере под действием космических лучей. Ученые давно научились их регистрировать. А принцип использования мюонов для изучения крупных природных и искусственных объектов впервые применил нобелевский лауреат Луис Альварес при изучении египетских пирамид в 1965 году. Тогда ученые начали работу в самой большой из них — пирамиде Хеопса. Снаружи пирамиды и в обследованных внутренних помещениях разместили детекторы мюонов. Через несколько месяцев работы исследователи получили первые данные о неизвестных ранее пустотах в толще пирамиды.

С 2000-х годов мюонная томография применяется при поиске перевозимых контрабандой радиоактивных грузов. Детекторы улавливают отклонение в направлении потока мюонов, вызванное тяжелыми металлами: свинцом, ураном или плутонием.

Этот метод также служит для неразрушающего контроля бетонных сооружений, например, состояния стенок плотин, для изучения внутренних структур вулканов. В последние годы в Японии при помощи мюонных детекторов следят за состоянием поврежденного реактора атомной электростанции в Фукусиме.