Gamma spectrometry and gamma and X-ray tomography of nuclear fuel

The purpose of gamma spectrometry and gamma and X-ray tomography of nuclear fuel is to determine both radionuclide concentration and integrity and deformation of nuclear fuel. The aims of this thesis have been to find out the basics of gamma spectrometry and tomography of nuclear fuel, to find out the operational mechanisms of gamma spectrometry and tomography equipment of nuclear fuel, and to identify problems that relate to these measurement techniques. In gamma spectrometry of nuclear fuel the gamma-ray flux emitted from unstable isotopes is measured using high-resolution gamma-ray spectroscopy. The production of unstable isotopes correlates with various physical fuel parameters. In gamma emission tomography the gamma-ray spectrum of irradiated nuclear fuel is recorded for several projections. In X-ray transmission tomography of nuclear fuel a radiation source emits a beam and the intensity, attenuated by the nuclear fuel, is registered by the detectors placed opposite. When gamma emission or X-ray transmission measurements are combined with tomographic image reconstruction methods, it is possible to create sectional images of the interior of nuclear fuel. MODHERATO is a computer code that simulates the operation of radioscopic or tomographic devices and it is used to predict and optimise the performance of imaging systems. Related to the X-ray tomography, MODHERATO simulations have been performed by the author. Gamma spectrometry and gamma and X-ray tomography are promising non-destructive examination methods for understanding fuel behaviour under normal, transient and accident conditions.

Ydinpolttoaineen gammaspektrometrian sekä gamma- ja röntgentomografian tarkoituksena on määrittää ydinpolttoaineessa olevien radioaktiivisten aineiden koostumus sekä ydinpolttoaineen eheys ja säteilytyksen aiheuttamat muodonmuutokset. Työn tarkoituksena on ollut selvittää ydinpolttoaineen gammaspektrometrian sekä gamma- ja röntgentomografian perusteet sekä mittausmenetelmien toimintaperiaate ja tunnistaa niihin liittyviä ongelmia ja esittää ratkaisuehdotuksia. Ydinpolttoaineen gammaspektrometriassa hyödynnetään säteilytetyn polttoaineen emittoimaa gammasäteilyä. Tiettyjen radioaktiivisten nuklidien emittoima gammasäteily on verrannollinen polttoaineen fyysisiin ominaisuuksiin. Ydinpolttoaineen gammaemissiotomografiassa säteilytetyn ydinpolttoaineen emittoima gammasäteily mitataan useasta suunnasta. Vastaavasti ydinpolttoaineen transmissiotomografiassa ydinpolttoaine on asetettu ulkoiseen röntgensäteilykeilaan ja säteilyn vaimeneminen mitataan läpivalaisukeilan vastakkaiselta puolelta säteilynilmaisimilla. Mittauksista saadun datan ja tomografisten kuvarekonstruktiomenetelmien avulla voidaan luoda paikallisia poikkileikkauskuvia ydinpolttoaineen sisustasta. MODHERATO on tietokonekoodi jota käytetään simuloimaan radioskopisia ja tomografisia laitteistoja. Työn tekijä on tehnyt simulointeja MODHERATO koodilla ja tulokset on esitetty työssä. Gammaspektrometria sekä gamma- ja röntgentomografia ovat lupaavia ainetta rikkomattomia tutkimusmenetelmiä ydinpolttoaineen käyttäytymisen ymmärtämiseksi normaali-, transientti- ja onnettomuustilanteissa.