[논문 리뷰] Monitoring Spent Nuclear Fuel in a Dry Cask Using Momentum Integrated Muon Scattering Tomography

Junghyun Bae, Stylianos Chatzidakis|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 06.

Particle Detector Development and Performance인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 건식 캐스크 내 고갈 원자력 연료(스패ent 원자력 연료, SNF)의 모니터링을 향상시키기 위해 동량 통합 다이내믹 뮤온 산란 단층촬영(MMST) 알고리즘을 제안한다. 뮤온 산란 각도와 동량 스펙트럼을 측정함으로써, 밀도가 높고 다에너지 뮤온 비임을 갖는 환경에서 이미징에 필수적인 정보를 확보함으로써, 기존 뮤온 단층촬영 대비 이미지 해상도를 크게 향상시키고, 누락된 연료 암반을 탐지하는 데에 소요되는 시간을 10분의 1로 줄인다.

ABSTRACT

Nuclear materials accountability and nonproliferation are among the critical tasks to be addressed for the advancement of nuclear energy in the United States. Monitoring spent nuclear fuel is important to continue reliable stewardship of SNF storage. Cosmic ray muons have been acknowledged a promising radiographic tool for monitoring SNF due to their highly penetrative nature and high energy. Cosmic ray muons are more suitable and have been used for imaging large and dense objects. Despite their potential in various applications, the wide application of cosmic ray muons is limited by the naturally low intensity at sea level. To efficiently utilize cosmic ray muons in engineering applications, trajectory and momentum must be measured. Although various studies demonstrate that there is significant potential for measuring momentum in muon applications, it is still difficult to measure both muon scattering angle and momentum in the field. To fill this critical gap, a muon spectrometer using multilayer pressurized gas Cherenkov radiators was proposed. However, existing muon tomographic algorithms were developed assuming monoenergetic muon scattering and are not optimized for a measured polyenergetic momentum spectrum. In this work, we develop and evaluate a momentum integrated muon scattering tomography algorithm. We evaluate the algorithm on its capability to identify a missing fuel assembly from a SNF dry cask. Our results demonstrate that image resolution using MMST is significantly improved when measuring muon momentum and it can reduce monitoring time by a factor of 10 when compared to that of a conventional muon imaging technique in terms of systematically finding a missing FA.

연구 동기 및 목표

• 비확산 및 원자력 연료 보존을 위한 건식 캐스크 내 고갈 원자력 연료(SNF)를 신뢰성 있게 모니터링하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 단일 에너지 뮤온을 가정하는 기존 뮤온 단층촬영 기술의 한계를 극복하기 위해, 실제 다에너지 뮤온 스펙트럼을 고려하지 못하는 문제를 해결하기 위해.
• 개선된 이미지 해상도와 탐지 효율을 위해 측정된 동량 스펙트럼을 통합한 새로운 단층촬영 알고리즘을 개발하고 평가하기 위해.
• 실제 건식 캐스크 내에서 누락된 연료 암반을 동량 분 giải 뮤온 산란 데이터를 사용하여 탐지할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 우주선에서 유래한 다에너지 뮤온 비임에 특화된 동량 통합 다이내믹 뮤온 산란 단층촬영(MMST) 알고리즘을 개발하였다.
• 다층 압력식 가스 케렌코프 라디에이터 기반 분광계를 사용하여 뮤온 궤도와 산란 각도를 측정하여 동량 정보를 확보하였다.
• 단일 에너지 산란을 가정하는 대신, 입사 뮤온의 전체 동량 스펙트럼을 고려함으로써, 고밀도 이미징 환경에서 정확도를 향상시켰다.
• 실제 뮤온 상호작용을 더 잘 반영하기 위해 동량 통합 산란 모델을 사용하여 이미지 재구성 작업을 수행하였다.
• 표준 건식 캐스크 구성에서 누락된 연료 암반을 탐지하기 위한 이미지 품질과 모니터링 시간을 시뮬레이션 기반 평가로 검증하였다.
• 개선된 성능를 정량화하기 위해 기존 뮤온 단층촬영 기술과의 비교 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동량 통합 다이내믹 뮤온 산란 단층촬영은 기존 뮤온 단층촬영 대비 건식 캐스크 내 누락된 연료 암반을 더 효과적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 측정된 다에너지 동량 스펙트럼을 통합함으로써 뮤온 단층촬영에서 고밀도 원자력 캐스크의 이미지 해상도는 어떻게 향상되는가?
• RQ3 MMST는 기존 기술 대비 고갈 원자력 연료(SNF) 검증을 위한 모니터링 시간을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 동량 해상도는 건식 캐스크 저장 환경에서 누락된 연료 암반과 같은 이상 징후의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 자연 발생적인 낮은 강도의 우주 뮤온을 가진 실제 현장 조건에서 MMST 알고리즘은 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• MMST 알고리즘은 우주 뮤온의 실제 다에너지 특성을 반영함으로써 기존 뮤온 단층촬영 대비 상당히 향상된 이미지 해상도를 달성하였다.
• 건식 캐스크 내에서 누락된 연료 암반을 체계적으로 탐지할 경우, 모니터링 시간을 10배 줄일 수 있었다.
• 측정된 동량 스펙트럼을 통합함으로써 고밀도 환경(예: SNF 캐스크)에서 뮤온 산란 재구성의 정확도가 향상되었다.
• 자연 발생 뮤온 유량과 에너지 분포를 고려한 현실적인 조건에서도 알고리즘이 강인하게 작동하였다.
• 결과적으로 동량 분해 뮤온 단층촬영은 장기적인 SNF 모니터링을 위한 실현 가능하고 더 효율적인 대안임을 입증하였다.
• 기존 뮤온 단층촬영 알고리즘은 단일 에너지 가정으로 인해 실제 응용에 비효율적임을 확인하였으며, 이는 동량 통합 접근법의 필요성을 입증하였다.