研究人员利用宇宙射线3D扫描核反应堆

SÉBASTIEN PROCUREUR/UNIVERSITÉ PARIS-SACLAY/SCIENCE ADVANCES

一项新的研究发现，来自深空的宇宙射线可以帮助3D扫描核反应堆，观察反应堆内部是否安全。

当被称为宇宙射线的高能粒子撞击地球大气层时，它们可以产生μ介子，μ介子与电子相似，只是它的重量是电子的200倍多 。每一秒钟，成千上万的宇宙射线——主要是氢和氦核 —— 撞击地球上层大气的每一平方米。

μ介子通常很容易穿透物质，但密集或巨大的物体可以以类似于X射线的方式吸收或散射它们。通过捕捉穿过物体的大量μ介子，研究人员可以开发出物体的图像，这是一种被称为μ介子层析成像（muon tomography）的技术，也称为muography。

之前的研究使用muography扫描福岛融化的核芯，深入吉萨大金字塔，并分析火山。然而，到目前为止，大型复杂物体的多重成像仅限于2D图像；使用muography的3D成像仅适用于简单项目。

现在，科学家们首次发现，他们可以使用全息图对核反应堆进行3D成像。

“对我来说，（这项技术）最令人兴奋的可能性是在不接触这些复杂、致密结构的情况下研究它们的内部，”该研究的主要作者Sébastien Procureur说，他是巴黎萨克莱大学和法国替代能源和原子能委员会（CEA）的粒子物理学家。

研究人员分析了法国马库勒的铀燃料G2反应堆，该反应堆在1958年至1980年间发电，是该国第一批核反应堆之一。G2的冷却系统从1986年至1996年被拆除，此后一直接受定期检查，等待最终退役。

“这是20世纪50年代建造的最古老的反应堆之一，因此人们对研究其潜在老化非常感兴趣，”Procurer说。

Procureur和他的同事调查G2的另一个原因是，该反应堆是由研究团队的机构CEA运营的，因此更容易获得授权对其进行检查。同时，他指出， G2在反应堆下方有一个开放的区域，让科学家可以在其周围完全放置μ介子传感器。

科学家们使用了四台μ介子望远镜，从反应堆周围的20多个地点收集了27次扫描，每次扫描花费了几天时间。接下来，他们使用一种新的层析重建算法，从这些2D扫描中绘制出反应堆内部结构的3D图。

研究人员能够对G2用来控制核反应的石墨立方体、冷却管和混凝土反应堆结构进行3D成像。所有这些元素的尺寸和形状都与已知的G2模型紧密匹配，除了使用muography收集的数据之外，所有这些都没有算法接收到关于反应堆的任何数据。

“我们没有在反应堆中发现任何问题，”Procureur指出。

他说，这项新工作最令人惊讶的方面是“如此少量的2D图像足以获得如此高质量的3D重建”。医学3D成像通常依赖于数百或数千张2D图像，“我之前真的不确定仅仅几十张就能进行像样的重建。这真的超出了我的预期。”

尽管这项新技术可以对活跃的反应堆进行成像，但“在现阶段，这种方法的最大兴趣似乎是在反应堆退役前对其进行扫描，以确保反应堆内部问题存在，”Procurer说，“此外，可以在福岛这样的事故中执行任务。”

Procureur表示，世界上许多公司目前正在致力于将μ介子望远镜商业化。他指出，3D muography可以扫描核废料容器，以检查其完整性，并预测其随着时间的推移会如何降解。它还可以用于土壤研究、采矿勘探和土木工程。

“考古学是另一个令人感兴趣的领域，”Procureur说，“我们也在尝试将这种3D重建技术应用于大金字塔。”

然而，这种新技术确实有其局限性。“例如，我们无法检测到结构中的小裂缝，”Procurer说，“灵敏度没有那么高。”

科学家们于2月3日在Science Advances杂志上详细介绍了他们的发现。