[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究证明，基于宇宙射线μ子的电子计算机断层扫描技术能够以高精度检测VSC-24干式 cask 中缺失或被替换的乏核燃料组件，并估计散射密度。通过使用理想化的平面探测器和滤波反投影法，该方法可重建内部几何结构与材料组成，成功识别出简单方法失效时的缺失组件及假想替代品。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于μ子的电子计算机断层扫描方法，用于在失去知识连续性之后验证干式cask储存系统的内部内容。
• 利用μ子散射测量检测VSC-24 cask中缺失或被替换的乏核燃料组件。
• 在精确测量μ子动量的前提下，高精度估计材料散射密度。
• 评估μ子断层扫描在核保障应用中的基本检测极限。

提出的方法

• 理想化的平面辐射探测器记录入射与出射μ子轨迹及动量，以模拟VSC-24 cask中的μ子散射。
• 应用滤波反投影法重建散射密度分布，类似于CT中以散射密度替代衰减的处理方式。
• 使用包含混凝土壁和乏燃料组件的VSC-24 cask模型，模拟真实的μ子相互作用。
• 模拟一个中间组件缺失及一个或多个假想组件的情况，以测试检测能力。
• 通过结合μ子轨迹与动量测量结果，估算散射密度，从而推断材料组成。
• 该方法假设探测器分辨率完美，以确立该技术的基本性能极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 当简单方法（如PoCA）失效时，基于μ子的电子计算机断层扫描能否检测到VSC-24干式cask中缺失的乏燃料组件？
• RQ2 在真实cask几何结构下，基于μ子轨迹与动量测量，散射密度的重建精度如何？
• RQ3 该方法能否区分缺失的真实组件与密度相近的假想替代品？
• RQ4 在理想探测器条件下，μ子断层扫描在保障核查中的基本检测极限是什么？
• RQ5 从重建的散射密度图中，材料组成可被推断到何种程度？

主要发现

• 在简单PoCA方法无法检测到的缺失中间燃料组件场景中，该μ子CT方法可轻松识别。
• 该方法成功识别出一个或多个真实组件被假想组件替换的情况，表明cask内容与申报不符。
• 通过滤波反投影重建的散射密度图清晰显示出与缺失或被替换燃料元件相对应的异常区域。
• 对单个μ子动量的精确测量，使得可基于散射密度重建结果估计材料组成。
• 模拟结果表明，利用宇宙射线μ子CT实现非侵入式、高保真度的干式cask内容核查具有可行性。
• 本研究在理想探测器条件下确立了μ子断层扫描的理论性能上限，显示出其在保障应用中的强大潜力。