Kosmische stralen
Muonen zijn hoogenergetische subatomaire deeltjes die ontstaan wanneer kosmische stralen de bovenste atmosfeer van de aarde binnendringen. Deze deeltjes treffen het aardoppervlak op natuurlijke en onschadelijke wijze met een snelheid van ongeveer 10.000 muonen per vierkante meter per minuut. Muon-volgapparatuur detecteert en volgt deze deeltjes terwijl ze door objecten gaan. Subtiele veranderingen in de baan van de muonen wanneer zij materialen binnendringen en van richting veranderen, correleren met de dichtheid van het materiaal. Muon imaging, of muografie, kan de binnenkant van de diepste structuren blootleggen en directe beelden geven als een doordringende fotografie. “Muonen beginnen, net als marathonlopers, niet met dezelfde energie”, aldus Sébastien Procureur, onderzoeker bij de CEA. “Afhankelijk van de moeilijkheidsgraad en de lengte van de race zal een aantal onderweg stoppen, en slechts een fractie van hen zal de finishlijn halen. Deze fractie die de lijn passeert zegt iets over de moeilijkheidsgraad van de race. In de muografie komt deze moeilijkheid overeen met de dikte die wordt overschreden en de dichtheid.”
Foto: Doorsnede in lengterichting van de G2-reactor gemodelleerd op basis van de initiële documenten. ©CEA
Telescopen
De bij het CEA ontworpen muontelescopen zijn uitgerust met Micromegas-detectoren, die in 1994 zijn uitgevonden door het Instituut voor Onderzoek naar de Fundamentele Wetten van het Universum (IRFU) van het CEA. “In de Micromegas-detector gebruiken we een edelgas, omdat dat goede eigenschappen heeft waardoor deze ionisaties behouden blijven en dus de passage van muonen kan worden gedetecteerd,” aldus Procureur. “Vervolgens worden met behulp van elektrische velden die in het gasvormige volume worden aangebracht, deze elektrische ladingen gekanaliseerd om ze naar uitleeselektronica te sturen.” De technologie is al gebruikt om verschillende Egyptische piramides te onderzoeken om holtes te ontdekken die in hun muren verborgen zijn. Na de eerste ontmantelingsfase van de G2-reactor, die in 1996 werd voltooid, gingen teams de reactor binnen om video’s en metingen van de radiologische besmetting te nemen, en metaalmonsters om de corrosietoestand te controleren. Maar dat was niet genoeg: er moest een oplossing worden gevonden om verder onderzoek te doen zonder de installatie te vernietigen. “Toen ontdekte ik via een artikel de resultaten van de muontelescoop in het kader van het ScanPyramids-project”, aldus Laurent Gallego, hoofd van het G2- en G3-reactorontmantelingsproject bij de CEA. “We hebben de teams gevraagd of het mogelijk was om dit type acquisitie aan te passen aan structuren zoals onze reactoren, die zeer massief en weinig toegankelijk zijn”.
Foto: Muon telescoop. ©CEA
Uitdaging
“De eerste uitdaging bij het aanpassen van muografie aan een ontmantelingsproject is dat er, vergeleken met een stenen piramide met eenvoudige geometrie, meer dan 20.000 onderdelen in een reactor zitten”, aldus Hector Gomez-Maluenda, een andere onderzoeker bij CEA. Het team begon met twee belangrijke aanpassingen van het door eerdere groepen gebruikte proces: er waren meer detectoren nodig en de software die werd gebruikt om alle beelden van een groot aantal detectoren samen te voegen, moest worden verbeterd. Het was tijdens hun bijdrage aan het project voor de ontmanteling van de G2-reactor dat de CEA-IRFU-teams werden opgeroepen om met muografie na te gaan of de bestaande reactorplannen, die dateren van het einde van de jaren vijftig, overeenstemden met de structuur van de werkelijke reactor. Het team combineerde 27 projecties van vier telescopen om de dichtheidskaart af te leiden zonder voorafgaande informatie over de interne structuur van de reactor. De 3D-reconstructie van de reactor was voltooid in maart 2022.