[論文レビュー] Detection of Missing Assemblies and Estimation of the Scattering Densities in a VSC-24 Dry Storage Cask with Cosmic-Ray-Muon-Based Computed Tomography

Zhengzhi Liu, Jason P. Hayward+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2017

Particle Detector Development and Performance参考文献 16被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、宇宙線ミューオンを用いたコンputedトモグラフィが、VSC-24のドライ・キャスク内での使用済み核燃料集合体の欠落または交換を高精度で検出可能であり、散乱密度を高精度で推定できることを示している。理想的な平面型検出器とフィルターバックプロジェクションを用いて、内部幾何構造および物質組成が再構成され、単純な手法では失敗する場合でも、欠落した集合体およびダミーの代替品を明確に特定できた。

ABSTRACT

Highly energetic, cosmic-ray muons can easily penetrate a dry storage cask and yield information about the material inside it by making use of the physics of multiple Coulomb scattering. Work by others has shown this information may be used for verification of dry storage cask contents after continuity of knowledge has been lost. In our modeling and simulation approach, we use ideal planar radiation detectors to record the trajectories and momentum of both incident and exiting cosmic ray muons; this choice allows us to demonstrate the fundamental limit of the technology for a particular measurement and reconstruction method. In a method analogous to computed tomography with attenuation coefficient replaced by scattering density is we apply a filtered back projection algorithm in order to reconstruct both the geometry and material information in modeled scenarios for concrete-walled cask VSC-24. A scenario where one of the middle four spent nuclear fuel assemblies is missing undetectable with a simple PoCA-based approach is expected to be readily detectable with CT-based approach. Moreover, a trickier scenario where the one or more assemblies is replaced by dummy assembly is put forward. In this case, we expect that this dry storage cask should be found to be not as declared based on our simulation and reconstruction results. Furthermore, we show that the material composition can be estimated if the momentum of individual muons can be precisely measured.

研究の動機と目的

• 知識の継続性を失った後のドライ・キャスク貯蔵システムの内容物を検証するミューオンベースのコンputedトモグラフィ法の開発を目的とする。
• ミューオン散乱測定を用いて、VSC-24キャスク内での使用済み核燃料集合体の欠落または交換を検出することを目的とする。
• ミューオンの運動量を正確に測定できた場合に、物質の散乱密度を高精度で推定することを目的とする。
• 核柵応用におけるミューオントモグラフィの根本的検出限界を評価することを目的とする。

提案手法

• 理想的な平面型放射線検出器が、入射および透過したミューオンの軌道と運動量を記録し、VSC-24キャスク内のミューオン散乱を模擬する。
• フィルターバックプロジェクションが適用され、減衰を散乱密度に置き換えたCTに類似した散乱密度分布の再構成が行われる。
• コンクリート壁と使用済み燃料集合体を有するVSC-24キャスクのモデルを用いて、現実的なミューオン相互作用を模擬する。
• 1つの中央部の集合体が欠落している状況および1つ以上のダミー集合体が存在する状況を模擬し、検出能力をテストする。
• ミューオンの軌道と運動量測定を組み合わせることで散乱密度を推定し、物質組成の推定が可能になる。
• 本手法は、検出器の分解能が完全であると仮定し、技術の根本的性能限界を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単純なPoCAベースの手法が失敗する状況でも、ミューオンベースのコンputedトモグラフィは、VSC-24ドライ・キャスク内での使用済み核燃料集合体の欠落を検出可能か？
• RQ2 現実的なキャスク幾何構造において、ミューオンの軌道と運動量測定から散乱密度をどの程度高精度に再構成できるか？
• RQ3 同程度の密度を持つダミーの代替品と本物の集合体の欠落を、本手法は区別可能か？
• RQ4 理想的な検出器条件下での核柵応用におけるミューオントモグラフィの根本的検出限界は何か？
• RQ5 再構成された散乱密度マップから、物質組成をどの程度まで推定できるか？

主な発見

• 単純なPoCAベースのアプローチでは検出できない、1つの中央部の燃料集合体が欠落している状況が、ミューオンCT手法によって容易に検出可能である。
• 本手法は、1つ以上の本物の集合体がダミーに置き換えられている場合も、明確に検出でき、キャスクの内容が宣言通りでないことを示している。
• フィルターバックプロジェクションによる再構成で得られた散乱密度マップは、欠落または交換された燃料要素に対応する異常を明確に示している。
• 個々のミューオンの運動量を正確に測定できることで、散乱密度再構成から物質組成の推定が可能になる。
• シミュレーション結果は、宇宙線ミューオンCTを用いたドライ・キャスク内容物の非侵襲的かつ高精度な検証が可能であることを示している。
• 本研究は、理想的な検出器条件下でのミューオントモグラフィの理論的性能限界を確立し、柵応用における強力な可能性を示している。