Ett av alla sätt att titta inuti en sak utan att öppna den: gammatomografi

När jag gick i skolan fick vi göra ett försök med att undersöka svartmålade trälådor. De var inte tänkta att kunna öppnas utan idén var att försöka lista ut vad de innehöll, genom att använda alla trick vi kunde komma på. Detta skulle förstås illustrera hur forskare går till väga för att förstå saker och ting genom indirekta metoder.

Vi hade inte tillgång till något mer avancerat än en stavmagnet i klassrummet, annars hade vi nog redan i mellanstadiet kunnat komma på att en röntgenutrustning skulle vara användbar. De flesta har gjort en röntgenundersökning, om inte annat av tänderna, och vi är väl bekanta med skelettbilder från tv och serietidningar och så vidare. Att lysa igenom saker med röntgen är något då flesta vet att det är möjligt, även de som inte tänkt så noga på hur det går till.

Medicin är ett typiskt område där det är viktigt att kunna titta inuti utan att behöva öppna. Därför är finns det en hel rad avbildningsmetoder, utöver röntgen. En del av dem bygger på att patienten ges ett ämne som är svagt radioaktivt, och när atomkärnorna i det ämnet sönderfaller sänds strålning ut som kan komma ut ur kroppen och fångas upp i en apparat. Det radioaktiva ämnet kan paketeras ihop med lämpliga andra ämnen så att det hamnar i det organ som ska undersökas.

Att rekonstruera en bild av strukturer inuti en kropp, må det vara en biologisk kropp eller något annat föremål, kallas tomografi. Själv är jag långt från de medicinska tillämpningarna¹, men jag gör saker som har med gammatomografi att göra — tomografi med gammastrålning. (Uppsala universitets bidrag till UGET-projektet, närmare bestämt, där jag tillfälligt hjälper till lite på ett hörn.)

Det handlar om att titta på använt kärnbränsle, som av helt andra anledningar är lite knepigt att plocka isär och handskas med för att analysera. Det finns flera saker som kan vara bra att kunna göra. Inspektörer vill ha ett verktyg för att rationellt och i stor skala försäkra sig om att alla bränslestavar är där de ska vara innan bränslet läggs i slutförvar. Forskare och ingenjörer vill utvärdera användningen av bränsle för att kunna utnyttja det bättre i kärnkraftverken, bland annat för att få ut så mycket energi som det går och minimera mängden avfall. Det finns alla möjliga detaljer om bränslet som kan vara intressant att verifiera utan att behöva plocka isär bränslet och hantera bränslestavarna.

Själva svårigheten, nämligen att bränslet är starkt radioaktivt, blir nu också en möjlighet. Den strålning som smiter ut ur ett bränsleknippe innehåller ju all möjlig information om vilka sönderfall som sker, hur många, och var i bränslet. Det här är en viss skillnad mot de svaga signaler som används i medicinsk tomografi! Själva grundprincipen är förstås samma, men för att inte trassla in mig är det nog bäst att jag håller mig till att förklara hur det funkar när det gäller kärnbränsle.

Det är två knep som behöver tas till. Det första är att bestämma vilka energier som ska mätas, och se till att ha en detektor som fungerar för att skilja på de intressanta delarna av energifördelningen (spektrum). Det kommer ju ut gammastrålning från alla möjliga sönderfall med olika typiska energier, särskilt ifall bränslet inte har lagrats och kylts av så länge, och det betyder att det finns gammafotoner med en räcka olika energier. Efter några decennier är det inte så många olika isotoper som går att urskilja längre.

Men det där med att se hur mycket fotoner det finns av varje energi är bara det som kallas spektroskopi. Det ska till ett annat knep för att göra tomografi. Det gäller att mäta mängden gammafotoner av den relevanta energin som kommer ut i olika riktningar, och att göra den mätningen på många punkter kring bränslet. Vissa delar strålar ju mer än andra, men sedan är själva bränslematerialet också bra på att absorbera gammastrålning och hindra den från att komma ut. I mätningarna kommer det att bli mönster av skuggor där tätare delar skymmer det material som är bakom och ljusare delar där det är mer öppet och mer av strålningen slipper ut.

Det där mönstret går att använda för att ”räkna bakåt” och lista ut hur det strålande materialet är fördelat inuti ett slutet bränsleknippe. Med hjälp av totalt sisådär 10000 mätningar i olika riktningar (tänk på det som ”siktlinjer” genom bränslet) och i olika punkter kan vi räkna bakåt och skapa en bild av bränslet i genomskärning. Där går det att se var varje bränslestav står, och till och med att (med diverse ytterligare knep) räkna ut aktiviteten i varje stav för sig. Andra saker folk har gjort är att titta på fördelningen av ämnen som bildas när neutroner absorberas i de material som utgör stödstrukturen kring själva urankutsarna, eller till och med att studera hur de ämnen som bildas efter kärnklyvningarna fördelar sig inuti bränslestaven.

Med yngre bränsle är det väldigt användbart att kunna mäta på flera olika energier, från olika isotoper, för det kan då göra det möjligt att göra en oberoende bedömning av hur mycket energi som har fåtts ut ur bränslet (utbränningsgraden) och hur länge det har stått i bränslebassängen på avkylning.

Själv är jag långt ifrån någon expert här, jag bara jobbar med en liten, liten bit av ett projekt som utvecklar de här metoderna för användning i större skala. Men det är kul att få en liten inblick i ett forskningsfält som är nytt för mig. Och det är ju precis den sortens pusslande med att lista ut och förstå saker som inte går att se och ta på direkt som är det som gör fysik häftigt.

—-

¹Jag undrade faktiskt väldigt mycket varför folk pratade om ”Single-photon Emission Computed Tomography”, SPECT. Konstigt namn, det är ju knappast så att det räcker med enstaka fotoner? Sedan insåg jag att den här beteckningen måste ha kommit till i kontrast mot Positronemissionstomografi, PET, där det gäller att fånga upp två fotoner som kommer från samma ställe.

Om åka

Fysiker, sf-fantast, allmän entusiast.
Det här inlägget postades i Kärnfysik. Bokmärk permalänken.

Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut / Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut / Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut / Ändra )

Google+ photo

Du kommenterar med ditt Google+-konto. Logga ut / Ändra )

Ansluter till %s