Development of advanced methods for detecting special nuclear materials in nuclear safeguards and security applications

QC 2026-10-01

Abstract

Detektering, lokalisering och karakterisering av s.k. kärnämnen (exempelvis uran, plutonium) och andra aktinider är av central betydelse för kärnsäkerhet, kärnämneskontroll, hantering av radioaktivt avfall, räddningsinsatser vid radiologiska olyckor och radiologisk miljöövervakning. Konventionella passiva strålningsdetektionsmetoder står dock ofta inför utmaningar när det gäller att identifiera och lokalisera klyvbara och andra neutronemitterande material, särskilt när endast små mängder förekommer, när materialen är kraftigt skärmade eller när mätmiljön är komplex. Denna avhandling behandlar dessa utmaningar genom utvecklingen av Neutron–Gamma Emission Tomography (NGET), en ny avbildningsteknik baserad på detektion av korrelerade snabba neutroner och gammastrålning från spontan fission.

Forskningen omfattar teoretisk utveckling, experimentell validering, optimering och tillämpning av NGET med hjälp av ett detektorsystem baserat på flytande organiska scintillatorer med snabb tidsrespons. Genom att utnyttja karakteristiska tids- och energikorrelationer mellan de emitterade partiklarna använder tekniken Bayesiansk inferens och möjliggör snabb tredimensionell lokalisering av neutronemitterande källor. Experimentella mätningar och Monte Carlo-simuleringar genomfördes för att undersöka hur detektorgeometrin påverkar avbildningsprestanda och spatial upplösning. Resultaten visar att detektorkonfigurationen bör optimeras utifrån den avsedda tillämpningen.

NGET-tekniken har i detta arbete implementerats i ett prototypsystem för en avbildande strålningsportalmonitor, med förmåga att med hög effektivitet och låg andel falsklarm detektera och lokalisera små mängder neutronemitterande material, inklusive kalifornium och representativa speciella kärnämnen. Dessutom demonstrerades NGET-teknikens användbarhet för icke-förstörande analys av radioaktivt avfall genom mätningar av avfallsfat innehållande skärmat s.k. historiskt radioaktivt avfall i samarbete med AB Svafo vid Mellanlagret för radioaktivt avfall i Studsvik. Resultaten visade att tekniken kan lokalisera aktinider som är svåra att detektera med konventionella passiva metoder för icke-förstörande analys.

Arbetet som presenteras i denna doktorsavhandling har visat att NGET är en mångsidig, effektiv och skalbar teknik för tredimensionell strålningsavbildning, med betydande förbättringar av känslighet, lokaliseringsnoggrannhet och operativ flexibilitet jämfört med etablerade metoder. Tekniken visar en betydande potential för tillämpningar inom kärnsäkerhet, kärnämneskontroll, karakterisering av radioaktivt avfall, beredskap inför kärntekniska nödsituationer och radiologisk miljöövervakning, samtidigt som den utgör en grund för framtida utveckling av korrelerad gamma-neutronavbildning.

Link to DiVA