Достижения в области нейтронной визуализации открывают новые возможности применения исследовательских реакторов малой мощности

Нейтронная визуализация?— это неинвазивный метод исследования внутренних структур, который осуществляется с помощью исследовательских реакторов или источников нейтронов на базе ускорителей. ?Это удивительный инструмент, обладающий безграничными возможностями для научных и промышленных исследований и разработок, а также для проведения криминалистических экспертиз и изучения объектов культурного наследия?,?— говорит младший сотрудник по проектам в МАГАТЭ Молли-Кейт Гавелло. Нейтронная визуализация может использоваться для испытания двигателей, амортизаторов и лопаток турбин. С ее помощью можно увидеть, как вода движется внутри живого растения, или исследовать внутреннюю сторону окаменевшего черепа динозавра, заполненного железистой породой.

Нейтронная визуализация используется с 1950-х?годов, однако до 1990-х?годов ее основным форматом были двухмерные (2D) изображения на пленке. С появлением цифровых технологий, в том числе усовершенствованных цифровых камер, в нейтронной визуализации начал применяться метод компьютерной томографии (КТ), при котором из сотен изображений, сделанных под разными углами, создается трехмерное (3D) изображение с высокой степенью детализации.

До недавнего времени по техническим и финансовым причинам нейтронную визуализацию с помощью КТ, которую еще называют 3D-визуализацией, было невозможно применять в работе с низкопоточными источниками нейтронов, такими как исследовательские реакторы малой мощности.

Высококачественные изображения при низкой мощности

Ситуация изменилась в 2021?году, когда аспирант Чешского технического университета в Праге (ЧТУ) Яна Матоушкова и ее руководитель Любомир Скленка продемонстрировали возможность проведения нейтронной визуализации с помощью КТ при мощности исследовательского реактора 500?ватт?(Вт).

Этому прорыву предшествовали два события. Во-первых, в предыдущее десятилетие стали доступны недорогие высококачественные камеры для астрофотографии. Во-вторых, работавшие на исследовательском источнике нейтронов им.?Хайнца Майера-Лейбница (FRM?II) в Мюнхенском техническом университете (Германия) исследователи воспользовались потенциалом этих новых камер и в 2016?году представили первую мини-установку для нейтронной томографии, в том числе для реакторов малой мощности. Коллектив исследователей под руководством Буркхарда Шиллингера разработал и создал недорогую систему высококачественной нейтронной визуализации, в которой использовался детектор с напечатанным на 3D-принтере корпусом и упрощенная версия профессионального управляющего программного обеспечения, используемого в экспериментальной системе усовершенствованной нейтронной томографии и радиографии (АНТАРЕС) для целей визуализации на исследовательском реакторе FRM?II. Получаемые с помощью новых детекторов изображения не уступают по качеству изображениям, получаемым с помощью высокотехнологической системы, которая обычно используется в АНТАРЕС.

Яна Матоушкова хотела испытать нейтронную визуализацию на источниках нейтронов малой мощности, таких как расположенный в ЧТУ учебный реактор VR-1 мощностью 500?Вт?— для сравнения, мощность реактора FRM?II составляет 20?МВт, что в 40?000?раз больше, чем в реакторе ЧТУ, и это позволяет ему производить соответственно в 40?000?раз больше нейтронов. Это оказалось непростой задачей, поскольку Яна не могла получить доступ к установкам ЧТУ для проведения экспериментов из-за ограничений в связи с пандемией COVID-19.

Любомир Скленка обратился к Буркхарду Шиллингеру за советом о том, как им воспроизвести у себя разработанную в FRM?II недорогую систему, и тот консультировал Яну Матоушкову по видеосвязи и снабжал ее информацией об устройстве системы и о том, где можно приобрести необходимые компоненты. Шаг за шагом она построила систему нейтронной визуализации у себя дома и провела испытания на видимом свете.

После снятия ограничений, обусловленных пандемией COVID-19, Матоушкова установила свою систему на реакторе ЧТУ и впервые в истории университета было успешно получено цифровое 2D-изображение с использованием нейтронной визуализации, после чего была проведена нейтронная визуализация с помощью КТ с 12-часовой экспозицией при мощности 500?Вт. Это означает, что результаты могут быть получены в течение одного дня и при значительно меньшей мощности?—мощность исследовательских реакторов, в которых также используется данная методика, варьируется от сотен киловатт до десятков мегаватт.

В настоящее время Матоушкова занимается усовершенствованием системы нейтронной визуализации ЧТУ в рамках своих аспирантских исследований. Система используется в основном для целей обучения, а также для проведения исследований, например для изучения объектов культурного наследия в сотрудничестве с Национальной галереей в Праге.

Передача технологий и обмен опытом

Опыт FRM?II и ЧТУ свидетельствует о том, что мини-установка может работать с любым источником нейтронов, включая исследовательские реакторы сверхмалой мощности. Буркхард Шиллингер заявил, что его коллектив готов бесплатно предоставить другим странам проектные планы и программное обеспечение, а также помочь с установкой и настройкой.

Благодаря компонентам, напечатанным на 3D-принтере, программному обеспечению, адаптированному для работы на ноутбуке, и снижению цен на камеры для астрофотографии полный комплект, который несложно перевозить, может быть собран менее чем за 5000?евро. В?2022?году Буркхард Шиллингер и научный сотрудник Айдахской национальной лаборатории (США) Аарон Крафт руководили миссией экспертов МАГАТЭ по установке системы цифровой нейтронной визуализации на исследовательском реакторе RECH-1 Чилийской комиссии по ядерной энергии. Шиллингер привез компоненты в чемодане, а на установку системы ушло меньше двух дней.

?МАГАТЭ играет ключевую роль в том, чтобы сделать эту технологию доступной для исследовательских реакторов малой мощности,?— говорит он.?— С?новыми чувствительными детекторами открывается совершенно новая область применения тех реакторов, которые не дают достаточно нейтронов для проведения сложных экспериментов в области рассеяния нейтронов. Нейтронная визуализация делает их более пригодными для применения в целях образования, исследований и сотрудничества с музеями?.

МАГАТЭ содействует техническому сотрудничеству с исследовательскими реакторами, в том числе путем проведения миссий экспертов и закупки оборудования. Агентство публикует также справочники по нейтронной визуализации, проводит региональные учебные мероприятия и расширяет возможности электронного обучения. Кроме того, в 2022?году благодаря МАГАТЭ Матоушкова смогла провести четыре месяца на исследовательском реакторе RA-6 в Аргентине, где она помогала установить и испытать недорогую систему нейтронной визуализации.

Аналогичная система двойной нейтронно-рентгеновской визуализации была установлена и введена в эксплуатацию на установке для нейтронных исследований МАГАТЭ в Зайберсдорфе (Австрия), где она используется в учебных целях.

---------------------------------------------

Что такое нейтронная визуализация?

Нейтронная визуализация?— это неинвазивный метод исследования внутренних структур и состава непрозрачных объектов. В?ее основе лежат принципы, аналогичные принципам рентгеновской визуализации. Однако в отличие от рентгеновского излучения, которое поглощается плотными материалами, такими как металлы, пучки нейтронов проникают через большинство металлов и горных пород, а некоторые легкие элементы, такие как бор, углерод, водород и литий, ослабляют нейтронное излучение. Нейтроны могут также помочь получать изображения магнитных полей, а также деформации технологических и конструктивных материалов.

?