뮤온 스캔으로 원자로 내부 작동 밝혀
- 기술 / 문광주 기자 / 2023-02-07 15:21:34
3'00" 읽기
- 뮤온은 전자보다 약 200배 무겁고 고에너지 우주 광선이 지구의 대기권에 충돌할 때 형성
- 작은 크기와 높은 에너지 덕분에 단단한 콘크리트, 강철 또는 암석을 관통
- 뮤온 스캔은 감속재, 콘크리트 기반, 냉각 시스템용 배관, 심지어 원자로 노심 외부 케이블용 일부 분배 캡 역할을 하는 큰 흑연 블록의 모양과 거친 구조를 드러내
후쿠시마, 체르노빌 또는 원자력 발전소가 해체를 계획하고 있든 간에 원자로는 폐쇄되거나 원자력 사고가 발생한 후에도 수십 년 동안 여전히 높은 방사능을 가지고 있다. 따라서 그들의 상태는 간단한 검사로는 결정할 수 없다. 후쿠시마에서는 정찰 로봇조차 가장 심하게 오염된 지역에서 실패했다. 원자로 내부의 사진을 찍는 데 사용할 수 있는 다른 방법을 찾는 것이 더욱 중요하다.
매핑 보조 장치로서의 뮤온
이러한 방법 중 하나는 뮤온을 사용하는 형광 투시법이다. 이 기본 입자는 전자보다 약 200배 무겁고 고에너지 우주 광선이 지구의 대기권에 충돌할 때 형성된다. 평균적으로 거의 빛의 속도로 이동하는 약 1만 뮤온이 매분 지구 표면의 모든 제곱미터에 충돌한다. 작은 크기와 높은 에너지 덕분에 단단한 콘크리트, 강철 또는 암석을 관통할 수도 있지만 그 과정에서 부분적으로 흡수되고 휘어진다.
이를 통해 뮤온을 수동 매핑 보조 장치로 사용할 수 있다. 여러 개의 뮤온 검출기를 건물 주변에 배치하면 들어오는 입자의 패턴을 통해 내부에 공동 및 기타 구조가 있는지 알 수 있다. 고고학자들은 이미 Cheops 피라미드에서 숨겨진 방과 통로를 찾기 위해 그러한 뮤온 스캔을 사용했다. 후쿠시마에서는 그러한 스캔의 2D 버전이 손상된 원자로의 상태에 대한 첫 번째 징후를 제공했다.
테스트로 해체된 원자로의 코어
이제 처음으로 University of Paris-Saclay의 Sébastien Procureur와 그의 동료들은 뮤온 스캔이 원자로 노심 내부의 3차원 이미지를 제공할 수 있는지 더 자세히 조사했다. X선 단층 촬영과 유사하게 검출기에 의해 캡처된 2차원 입자 패턴은 특수 알고리즘을 사용해 3D 이미지로 조립되어야 한다.
연구팀은 실험용 원자로로 프랑스 마르쿨에 있는 G2 원자로를 선택했다. 이 원자로는 1980년에 폐쇄됐으며 현재 해체를 기다리고 있다. 길이 34m, 두께 20m의 원자로 노심은 우라늄을 핵연료로, 흑연을 감속재로 사용했다. "흑연 감속재는 가장자리 길이가 약 9m인 거의 입방체 구조를 형성하며 연료봉용 1,200개의 수평 샤프트가 산재해 있다"고 과학자들은 설명했다.
단층 촬영으로 내부를 밝힌다.
뮤온 스캔을 위해 Procureur와 그의 팀은 원자로 블록 아래와 옆에 번갈아 위치에 4개의 50 x 50cm 뮤온 검출기를 설치했다. "2021년 3월부터 우리는 1,100일 동안 27개의 다른 관점에서 총 약 3억 7천만 개의 뮤온을 포착했다"고 그들은 보고했다. 그들이 개발한 알고리즘은 건설 계획이나 발전소의 기본 구조를 먼저 알지 못한 채 원자로 노심 내부의 3D 이미지를 생성했다.
결과: "복잡하고 큰 치수에도 불구하고 원자로 내부는 상대적으로 짧은 시간에 좋은 품질로 재구성될 수 있었다"고 연구원들은 보고했다. 뮤온 스캔은 감속재, 콘크리트 기반, 냉각 시스템용 배관, 심지어 원자로 노심 외부 케이블용 일부 분배 캡 역할을 하는 큰 흑연 블록의 모양과 거친 구조를 드러냈다.
해상도는 여전히 크게 증가할 수 있다.
Procureur와 그의 동료들은 "이것은 아마도 뮤온을 사용하여 3차원적으로 매핑된 것 중 가장 복잡하고 가장 큰 물체일 것이다"고 말했다. 각각의 뮤온 검출기는 약 3일 동안만 측정 위치에 있었지만 입자 밀도는 여전히 수십 센티미터의 분해능에 충분했다. 더 크고 더 큰 입자 탐지기가 사용되면 팀이 설명하는 것처럼 이것은 크게 증가할 수 있다.
과학자들에 따르면, 컴퓨터 지원 뮤온 단층 촬영은 원자로의 수명 동안과 가동이 중단된 후 또는 핵사고 이후에 원자로를 매핑하고 모니터링할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.
(사이언스 어드밴스, 2023; doi:10.1126/sciadv.abq8431)
출처: 미국과학진흥협회(AAAS)
- 뮤온은 전자보다 약 200배 무겁고 고에너지 우주 광선이 지구의 대기권에 충돌할 때 형성
- 작은 크기와 높은 에너지 덕분에 단단한 콘크리트, 강철 또는 암석을 관통
- 뮤온 스캔은 감속재, 콘크리트 기반, 냉각 시스템용 배관, 심지어 원자로 노심 외부 케이블용 일부 분배 캡 역할을 하는 큰 흑연 블록의 모양과 거친 구조를 드러내
뮤온 스캔으로 원자로 내부 작동 밝혀져
우주 입자는 고방사능 원자로를 모니터링하는 데 도움이 될 수 있다.
고방사능 시설 내부 살펴보기:
연구원들은 3D 뮤온 스캔을 사용하여 처음으로 원자로 내부를 볼 수 있게 만들었다. 지표면 곳곳에 부딪히는 이 빠른 소립자들은 원자로 물질에 흡수되어 다양한 각도로 휘어지기 때문에 단층 촬영과 유사한 방식으로 해체된 프랑스 원자력발전소 모습처럼 원자로 노심 내부를 영상으로 촬영할 수 있다.
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| ▲ 27개 위치에서 단 4개의 작은 뮤온 검출기를 기반으로 하는 G2 원자로 노심의 뮤온 단층 촬영. © Procureur et al./Science Advances, CC-by 4.0 |
후쿠시마, 체르노빌 또는 원자력 발전소가 해체를 계획하고 있든 간에 원자로는 폐쇄되거나 원자력 사고가 발생한 후에도 수십 년 동안 여전히 높은 방사능을 가지고 있다. 따라서 그들의 상태는 간단한 검사로는 결정할 수 없다. 후쿠시마에서는 정찰 로봇조차 가장 심하게 오염된 지역에서 실패했다. 원자로 내부의 사진을 찍는 데 사용할 수 있는 다른 방법을 찾는 것이 더욱 중요하다.
매핑 보조 장치로서의 뮤온
이러한 방법 중 하나는 뮤온을 사용하는 형광 투시법이다. 이 기본 입자는 전자보다 약 200배 무겁고 고에너지 우주 광선이 지구의 대기권에 충돌할 때 형성된다. 평균적으로 거의 빛의 속도로 이동하는 약 1만 뮤온이 매분 지구 표면의 모든 제곱미터에 충돌한다. 작은 크기와 높은 에너지 덕분에 단단한 콘크리트, 강철 또는 암석을 관통할 수도 있지만 그 과정에서 부분적으로 흡수되고 휘어진다.
이를 통해 뮤온을 수동 매핑 보조 장치로 사용할 수 있다. 여러 개의 뮤온 검출기를 건물 주변에 배치하면 들어오는 입자의 패턴을 통해 내부에 공동 및 기타 구조가 있는지 알 수 있다. 고고학자들은 이미 Cheops 피라미드에서 숨겨진 방과 통로를 찾기 위해 그러한 뮤온 스캔을 사용했다. 후쿠시마에서는 그러한 스캔의 2D 버전이 손상된 원자로의 상태에 대한 첫 번째 징후를 제공했다.
테스트로 해체된 원자로의 코어
이제 처음으로 University of Paris-Saclay의 Sébastien Procureur와 그의 동료들은 뮤온 스캔이 원자로 노심 내부의 3차원 이미지를 제공할 수 있는지 더 자세히 조사했다. X선 단층 촬영과 유사하게 검출기에 의해 캡처된 2차원 입자 패턴은 특수 알고리즘을 사용해 3D 이미지로 조립되어야 한다.
연구팀은 실험용 원자로로 프랑스 마르쿨에 있는 G2 원자로를 선택했다. 이 원자로는 1980년에 폐쇄됐으며 현재 해체를 기다리고 있다. 길이 34m, 두께 20m의 원자로 노심은 우라늄을 핵연료로, 흑연을 감속재로 사용했다. "흑연 감속재는 가장자리 길이가 약 9m인 거의 입방체 구조를 형성하며 연료봉용 1,200개의 수평 샤프트가 산재해 있다"고 과학자들은 설명했다.
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| ▲ G2 원자로. (A 및 B) 북쪽 및 콘크리트 실린더 아래에서 사진, (C) CAD 전체 보기 및 (D에서 F) 세 방향을 따른 단면. (출처:관련논문 3D imaging of a nuclear reactor using muography measurements / Science Advances 3 Feb 2023 Vol 9, Issue 5) |
단층 촬영으로 내부를 밝힌다.
뮤온 스캔을 위해 Procureur와 그의 팀은 원자로 블록 아래와 옆에 번갈아 위치에 4개의 50 x 50cm 뮤온 검출기를 설치했다. "2021년 3월부터 우리는 1,100일 동안 27개의 다른 관점에서 총 약 3억 7천만 개의 뮤온을 포착했다"고 그들은 보고했다. 그들이 개발한 알고리즘은 건설 계획이나 발전소의 기본 구조를 먼저 알지 못한 채 원자로 노심 내부의 3D 이미지를 생성했다.
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| ▲ 지면 위 15~20m 사이의 슬라이스가 있는 원자로 단층 촬영 그림. (A) 1 × 1 × 200 × 200 독립 측정에서 비닝된 25cm 측면 복셀 및 무조그래피 이미지와 함께 27개 위치를 사용하여 재구성된 밀도. 색상 스케일은 밀도를 g/cm3 단위로 표시하며 최대 밀도는 2.5g/cm3로 대비를 높인다. (B) (A)와 동일하며 1 × 1 × 100 × 100 측정 비닝이 있다. (C) (B)와 동일하며 DART와 유사한 절차를 사용한다(텍스트 참조). (D) CAD 모델의 해당 슬라이스. (E) 각 예측에서 3일 간의 데이터만 사용하여 (B)와 동일하다. (F) (A)와 동일하며 가장 바깥쪽 위치 5개만 사용한다.(출처: 관련논문 Fig 3) |
결과: "복잡하고 큰 치수에도 불구하고 원자로 내부는 상대적으로 짧은 시간에 좋은 품질로 재구성될 수 있었다"고 연구원들은 보고했다. 뮤온 스캔은 감속재, 콘크리트 기반, 냉각 시스템용 배관, 심지어 원자로 노심 외부 케이블용 일부 분배 캡 역할을 하는 큰 흑연 블록의 모양과 거친 구조를 드러냈다.
해상도는 여전히 크게 증가할 수 있다.
Procureur와 그의 동료들은 "이것은 아마도 뮤온을 사용하여 3차원적으로 매핑된 것 중 가장 복잡하고 가장 큰 물체일 것이다"고 말했다. 각각의 뮤온 검출기는 약 3일 동안만 측정 위치에 있었지만 입자 밀도는 여전히 수십 센티미터의 분해능에 충분했다. 더 크고 더 큰 입자 탐지기가 사용되면 팀이 설명하는 것처럼 이것은 크게 증가할 수 있다.
과학자들에 따르면, 컴퓨터 지원 뮤온 단층 촬영은 원자로의 수명 동안과 가동이 중단된 후 또는 핵사고 이후에 원자로를 매핑하고 모니터링할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.
(사이언스 어드밴스, 2023; doi:10.1126/sciadv.abq8431)
출처: 미국과학진흥협회(AAAS)
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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