[論文レビュー] Monitoring Spent Nuclear Fuel in a Dry Cask Using Momentum Integrated Muon Scattering Tomography

Junghyun Bae, Stylianos Chatzidakis|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、乾燥キャスク内の使用済み核燃料（SNF）の監視を向上させるために、運動量を統合したミューオン散乱トモグラフィー（MMST）アルゴリズムを提案する。ミューオンの散乱角と運動量スペクトルを測定することで、密度が高く、多エネルギー性を持つミューオンビームのイメージングに不可欠な情報を得られ、従来のミューオントモグラフィーと比較して、画像分解能が著しく向上し、燃料集合体が欠落している状況を検出するための監視時間を10分の1に短縮する。

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.

研究の動機と目的

• 核不拡散および燃料管理の観点から、乾燥キャスク内における使用済み核燃料（SNF）の信頼性の高い監視を実現すること。
• 従来のミューオントモグラフィーでは単エネルギーのミューオンを仮定しているが、実際の多エネルギー性を持つミューオンスペクトルでは性能が劣るために、その限界を克服すること。
• 画像分解能と検出効率の向上を図るため、測定された運動量スペクトルを統合する新しいトモグラフィー手法の開発と評価を行うこと。
• 宇宙からのミューオンの運動量分解能を利用した散乱データを用いて、乾燥キャスク内に欠落した燃料集合体を検出可能な実用性の有無を実証すること。

提案手法

• 本研究では、宇宙線から発生する多エネルギー性を持つミューオンビームに特化した、運動量を統合したミューオン散乱トモグラフィー（MMST）アルゴリズムを開発する。
• ミューオンの軌道と散乱角は、多層構造の圧力付きガスチェレンコフ放射体を用いた分光計で測定され、運動量情報が取得される。
• 本アルゴリズムは、入射ミューオンの全運動量スペクトルを考慮するため、単エネルギー散乱を仮定する従来手法とは異なり、高密度なイメージング環境での精度が向上する。
• 画像再構成には、実際のSNFキャスク内におけるミューオンの相互作用をより正確に反映する、運動量を統合した散乱モデルが用いられる。
• 標準的な乾燥キャスク構成における燃料集合体欠落の検出に際して、画像品質と監視時間のシミュレーション評価を通じて本手法の妥当性を検証する。
• 従来のミューオントモグラフィーと比較することで、分解能および監視効率の向上を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動量を統合したミューオン散乱トモグラフィーは、従来のミューオントモグラフィーと比較して、使用済み核燃料の乾燥キャスク内に欠落した燃料集合体をより効果的に検出できるか？
• RQ2 測定された多エネルギー運動量スペクトルを組み込むことで、高密度な核燃料キャスクのミューオントモグラフィーにおける画像分解能はどの程度向上するか？
• RQ3 MMSTは、従来手法と比較して、SNFの確認に要する監視時間をどの程度短縮できるか？
• RQ4 運動量分解能が、乾燥キャスク保管における異常（例：燃料集合体の欠落）の検出可能性に与える影響はどの程度か？
• RQ5 自然に存在する低強度の宇宙ミューオンを想定した現実の現場条件において、MMSTアルゴリズムはどの程度の性能を示すか？

主な発見

• MMSTアルゴリズムは、宇宙ミューオンの真の多エネルギー的性質を考慮することで、従来のミューオントモグラフィーと比較して著しく高い画像分解能を達成する。
• 本手法は、乾燥キャスク内に欠落した燃料集合体を体系的に検出する際、必要な監視時間を10分の1に短縮する。
• 測定された運動量スペクトルを組み込むことで、SNFキャスクのような高密度環境におけるミューオン散乱再構成の精度が向上する。
• 自然に存在するミューオンフラックスおよびエネルギー分布を想定した現実の条件下でも、本アルゴリズムは安定した性能を示す。
• 結果として、運動量分解能を持つミューオントモグラフィーが、長期的なSNF監視のための実用的でより効率的な代替手法であることが示された。
• 本研究では、従来のミューオントモグラフィー手法が単エネルギー仮定に基づいているため、実世界の応用には不適切であることが確認され、運動量を統合する手法の必要性が裏付けられた。