[논문 리뷰] 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. Hayward외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 21.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 16인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 우주선-뮤온 기반 컴퓨터 단층촬영이 VSC-24 드리프트 캐스크 내에서 누락되거나 교체된 사용된 원자력 연료 집합체를 고정밀도로 탐지하고 산산이 흩어진 밀도를 추정할 수 있음을 보여준다. 이상화된 평면 검출기와 필터링 배경 복원을 사용하여, 이 방법은 내부 기하학적 구조와 물질 조성을 재구성하며, 간단한 방법이 실패하는 상황에서도 누락된 집합체와 허위 대체물 모두를 성공적으로 식별한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지식 연속성 상실 후 드리프트 캐스크 저장 시스템의 내용물을 확인하기 위한 뮤온 기반 컴퓨터 단층촬영 기법을 개발하는 것.
• 뮤온 산산이 흩어짐 측정을 이용해 VSC-24 캐스크 내에서 누락되거나 교체된 사용된 원자력 연료 집합체를 탐지하는 것.
• 뮤온 운동량을 정확하게 측정할 경우 물질 산산이 흩어진 밀도를 정밀하게 추정하는 것.
• 핵 보안 응용 분야에서 뮤온 단층촬영의 기본 탐지 한계를 평가하는 것.

제안 방법

• 이상화된 평면 방사선 검출기가 입사 및 탈출하는 뮤온 궤적과 운동량을 기록하여 VSC-24 캐스크 내 뮤온 산산이 흩어짐을 시뮬레이션한다.
• 산산이 흩어진 밀도 분포를 재구성하기 위해 필터링 배경 복원이 적용되며, 이는 감쇠가 산산이 흩어진 밀도로 대체된 CT와 유사하다.
• 콘crete 벽과 사용된 연료 집합체를 포함한 VSC-24 캐스크 모델을 사용하여 현실적인 뮤온 상호작용을 시뮬레이션한다.
• 한 개의 중앙 집합체가 누락된 경우와 하나 이상의 허위 집합체가 있는 경우를 시뮬레이션하여 탐지 능력을 시험한다.
• 뮤온 궤적과 운동량 측정을 조합하여 산산이 흩어진 밀도를 추정함으로써 물질 조성 추론이 가능해진다.
• 이 방법은 이상적인 검출기 해상도를 가정하여 기술의 기본 성능 한계를 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간단한 방법인 PoCA가 실패하는 상황에서 뮤온 기반 컴퓨터 단층촬영은 VSC-24 드리프트 캐스크 내에서 사용된 연료 집합체가 누락되었는지 탐지할 수 있는가?
• RQ2 현실적인 캐스크 기하학에서 뮤온 궤적과 운동량 측정을 통해 산산이 흩어진 밀도는 얼마나 정확하게 재구성될 수 있는가?
• RQ3 유사한 밀도를 가진 허위 대체물과 실제 집합체가 누락된 경우를 이 방법이 구분할 수 있는가?
• RQ4 이상적인 검출기 조건 하에서 핵 보안 응용 분야에서 뮤온 단층촬영의 기본 탐지 한계는 무엇인가?
• RQ5 재구성된 산산이 흩어진 밀도 지도로부터 물질 조성은 얼마나 정확하게 추론할 수 있는가?

주요 결과

• 단순한 PoCA 기반 접근 방식으로는 탐지할 수 없는, 한 개의 중앙 연료 집합체가 누락된 경우도 뮤온 CT 방법을 통해 쉽게 탐지할 수 있다.
• 이 방법은 실제 집합체가 하나 이상 허위 집합체로 교체된 경우를 성공적으로 식별하여 캐스크의 내용이 선언된 그대로가 아님을 나타낸다.
• 필터링 배경 복원을 통해 재구성된 산산이 흩어진 밀도 지도는 누락되거나 교체된 연료 요소에 해당하는 비정상적인 패턴을 명확히 보여준다.
• 개별 뮤온의 운동량을 정밀하게 측정함으로써 산산이 흩어진 밀도 재구성에서 물질 조성을 추정할 수 있다.
• 시뮬레이션 결과는 우주선 뮤온 CT를 비침습적이고 고정밀도로 드리프트 캐스크 내용물을 점검하는 데 활용할 수 있음을 입증한다.
• 이 연구는 이상적인 검출기 조건 하에서 뮤온 단층촬영의 이론적 성능 최고 한계를 설정하였으며, 보안 응용 분야에서 큰 잠재력을 보여준다.