Puuttuvia ydinjätesauvoja paljastava algoritmi palkittiin kansainvälisessä haastekilpailussa

11.9.2019
Helsingin yliopiston matematiikkojen ja fyysikkojen yhteisprojektissa kehitetty algoritmi on voittanut toisen sijan Kansainvälisen atomienergiajärjestön IAEA:n haastekilpailussa, jossa haettiin ratkaisuja käytetystä ydinpolttoainenipusta lähtevän gammasäteilyn tulkintaan.

Ydinenergian turvallisuutta valvovan järjestön ongelma on, että vaikka käytetystä uraanista lähtevää gammasäteilyä pystytään mittaamaan, niin pelkän säteilyn määrän perusteella ei tiedetä, ovatko kaikki raportoidut uraanisauvat nipussa. Tätä varten IAEA on kehittänyt PGET-tomografialaitteen (Passive Gamma Emission Tomography), jonka avulla voidaan tutkia nipun sisäistä rakennetta.  Menetelmä on aivan uusi, ja IAEA halusi haastekilpailun avulla selvittää löytyykö maailmasta osaamista tulkita PGET-laitteella kerättyä dataa nykyistä paremmin. Suomessa tulokset kiinnostavat ydinjätteen loppusijoituksen valvontaa varmistavaa Säteilyturvakeskusta (STUK).

Matemaattisen algoritmin avulla mittausdatasta voidaan laskea sauvanipun poikkileikkauskuva, jossa säteilevät uraanisauvat näkyvät kirkkaina kohtina ja puuttuvat sauvat tummempina aukkoina.

–Tässä sovelletaan inversiomatematiikkaa, koska lopputuloksesta lasketaan alkuperäinen säteilylähde, sanoo professori Samuli Siltanen Helsingin yliopistosta.

Tällaiset ns. käänteiset ongelmat ovat tutkimuskohde matematiikan osaston inversio-ongelmien ryhmälle, joka on osa Inversiomallinnuksen ja kuvantamisen huippuyksikköä.

Helsinkiläisten ehdotus tarkastelee ongelmaa omaperäisellä tavalla verrattuna aiempiin tässä yhteydessä käytettyihin menetelmiin. Koska uraani on voimakkaasti absorboivaa eli se vaimentaa gammasäteilyä, niin lähtevän säteilyn lisäksi algoritmissa huomioidaan absorptio ja näin saadaan tarkempi kuva säteilylähteestä.

Ollaan oikeilla jäljillä

Professori Peter Dendooven ja tutkijatohtori Camille Bélanger-Champagne Fysiikan tutkimuslaitoksesta aloittivat tämän kuvantamisongelman parissa jo vuonna 2015 ja yhteistyö laajeni matematiikan osaston ja Fysiikan tutkimuslaitoksen yhteisprojektiksi vuonna 2018. Tutkimuksen aikana LUT-yliopistoon apulaisprofessoriksi siirtynyt Tapio Helin korostaa poikkitieteellisen yhteistyön merkitystä.

–Tässä yhteistyössä modernin matematiikan työkalut kohtaavat fysiikan alan asiantuntemuksen säteilystä. Se on varma resepti uudelle ja jännittävälle tieteelle, kertoo Helin.

Haastekilpailu osui oikeaan aikaan ja antoi suomalaistutkijoille varmistuksen, että he ovat oikeilla jäljillä ja ratkaisu on kilpailukykyinen verrattuna muihin alalla toimiviin.

Ryhmässä on mukana myös graduaan viimeistelevä ja puolipäiväisesti STUK:ssa työskentelevä matematiikan opiskelija Rasmus Backholm, joka on syyskuussa lähdössä Wieniin pokkaamaan 3000 euron palkinnon.

–Vielä ei ole päätetty mihin palkintorahat käytetään, paljastaa Backholm.

Juhlaseremonian lisäksi IAEA:n järjestämässä palkitsemistilaisuudessa parhaimmiksi valitut tutkimusryhmät esittelevät tarkemmin omia algoritmejaan ja voivat oppia toisiltaan, sillä kehitystyö jatkuu.

–Nyt kun simuloidulla datalla on saatu hyviä tuloksia, niin on voitu siirtyä oikean datan pariin. Tuloksia tullaan raportoimaan myös alan tieteellisissä julkaisuissa, kertoo tutkijatohtori Tatiana Bubba.