An toàn bức xạ trong tương tác của neutron với vật chất

Chia sẻ: Lê Huy Ba Duy | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:20

Thêm vào BST

Báo xấu

131
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các neutron nhanh mất năng lượng khi va chạm đàn hồi với các hạt nhân môi trường trở thành neutron nhiệt hoặc trên nhiệt và cuối cùng bị hấp thụ trong môi trường. Có nhiều loại phản ứng của neutron với vật chất nhưng từ quan điểm an toàn bức xạ, các tương tác chính của neutron được quan tâm là quá trình tán xạ đàn hồi và quá trình neutron sinh ra các photon hay các hạt khác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: An toàn bức xạ trong tương tác của neutron với vật chất

LOGO GVHD : ThS. TRƯƠNG TRƯỜNG SƠN SVTH : TRẦN VĂN XUÂN HỒ HOÀNG ViỆT HUỲNH THỊ TUYẾT HOÀNG NGUYỄN PHÚC
NỘI DUNG 1 TƯƠNG TÁC CỦA NEUTRON VỚI VẬT CHẤT 2 ĐẶC TRƯNG CỦA TRƯỜNG NEUTRON 3 MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN KHÁC
1. TƯƠNG TÁC CỦA NEUTRON VỚI VẬT CHẤT 1.1. Sự suy giảm chùm neutron khi đi qua vậttch ấtt 1.1. Sự suy giảm chùm neutron khi đi qua vậ chấ 1.2. Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi i 1.2. Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồ 1.2.1. Tham số va cham ξξ ̣̣ 1.2.1. Tham số va cham 1.2.2. Số va cham S ̣̣ 1.2.2. Số va cham S 1.2.2. 1.2.2. 1.3. Hâp thụ neutron ́́ 1.3. Hâp thụ neutron
1.1. Sự suy giảm chùm neutron khi đi qua vật chất 1.1. Khi neutron va Khi neutron va NEUTRON chạm vớii hạtt NEUTRON chạm vớ hạ nhân thường nhân thường xảy ra các quá xảy ra các quá trình tán xạ đàn TƯƠNG TÁC trình tán xạ đàn TƯƠNG TÁC hồi, tán xạ hồi, tán xạ không đàn hồii không đàn hồ và phản ứng hạtt VẬT CHẤT và phản ứng hạ VẬT CHẤT nhân. nhân.
1.1. Sự suy giảm chùm neutron khi đi qua vật chất 1.1. Để xem xét sự tương tác của xem neutron rất nhanh neutron với vật chất Neutron nhiệt En lớn hơn 10MeV neutron nhanh Năng lượng neutron En từ 0 đến 0.5eV En từ 10keV đến 10MeV neutron trên nhiệt En từ 0.5eV đến 10keV Tương tác của neutron với hạt nhân phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng của nó.
1.1. Sự suy giảm chùm neutron khi đi qua vật chất 1.1. Tất cả các neutron khi sinh ra đều là neutron Các neutron nhanh. nhanh mất năng Có nhiều loại phản lượng khi va ứng của neutron với chạm đàn hồi với vật chất nhưng từ các hạt nhân môi quan điểm an toàn trường trở thành bức xạ, các tương tác neutron nhiệt chính của neutron hoặc trên nhiệt được quan tâm là quá và cuối cùng bị trình tán xạ đàn hồi và hấp thụ trong quá trình neutron sinh môi trường. ra các photon hay các hạt khác.
1.2. Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi 1.2. Tán xạ đàn hồi là quá trình phổ biến nhất khi Neutron tương tác với các hạt nhân môi trường có số nguyên tử bé. Do tán xạ đàn hồi, năng lượng neutron giảm dần khi đi qua môi trường, ta gọi là neutron bị làm chậm và môi trường như vậy gọi là chất làm chậm. Quá trình tán xạ đàn hồi giữa neutron nhanh với hạt nhân môi trường giống như sự va chạm đàn hồi giữa hai viên bi, trong đó hạt neutron có khối lượng bằng 1, động năng ban đầu E, còn hạt nhân đứng yên có khối lượng A. Sau tán xạ neutron có năng lượng E’.
1.2. Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi làm Do quy luật bảo toàn động năng và động lượng của quá trình tán xạ đàn h ồi, ta có: εE ≤ E’ ≤ E (1.2) 2 � −1 � Trong đó: A ε =� � A +1 � � (1.3) Trong công thức (1.2): E’=E: khi neutron tan xạ về phia trước. ́ ́ E’=εE: khi neutron tan xạ giât lui về phia sau, tức là va ́ ̣̀ ́ ̣ ̣ ́ cham cham tran. Theo công thưc (1.3) trong va cham với hat nhân hydrogen thì ε=0, do đó theo ́ ̣ ̣ công thưc (1.2) thì neutron truyên toan bộ đông năng cua minh cho hydrogen ́ ̀ ̀ ̣ ̉ ̀ ̣ ̣ ́ khi va cham cham tran.
1.2. Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi 1.2. Tuy nhiên, đôi với cac hat nhân năng hơn, ́ ́ ̣ ̣ do ε≠ 0 nên neutron không thể truyên toan ̀ ̀ bộ đông năng cua minh trong môt va cham. ̣ ̉ ̀ ̣ ̣ Chăng han, đôi với tan xạ đan hôi giữa neutron và hat nhân ̉ ̣ ́ ́ ̀ ̀ ̣ oxygen thì ε=0,778, do đó phân đông năng cua neutron được ̀ ̣ ̉ truyên cho hat nhân oxygen trong môt va cham cham tran là : ̀ ̣ ̣ ̣ ̣ ́ (E-E’)/E = 1-ε = 1- 0.778 = 0.222, tức là 22,2%. Như vây, hat nhân với khôi lượng bé lam châm neutron có hiêu quả ̣ ̣ ́ ̀ ̣ ̣ hơn hat nhân có khôi lượng lớn. ̣ ́
1.2.1 Tham số va cham ̣ • Để biêu thị độ mât năng lượng khi ̉ ́ neutron va cham đan hôi, người ta dung ̣ ̀ ̀ ̀ tham số va cham hay độ mât năng lượng ̣ ́ ̀ logarit trung binh: ε ln ε ξ =1 + E ́ ̀ lây trung binh ξ = ln 1 −ε ' E
• Trong trường hợp môi trường lam châm chứa n loai hat ̀ ̣ ̣̣ nhân và môi loai có tiêt diên tan xạ vi mô là σsi và tham số va ̃ ̣ ́ ̣́ cham ξi thì giá trị trung binh cua tham số va cham cua môi ̣ ̀ ̉ ̣ ̉ trường la: n ̀ σ si N iξi E' E ξ = ln ' nên = e −ξ ξ= n i =1 do E E σ si Ni i =1 E' f = 1 − = 1 − e −ξ Suy ra: E • Ví dụ: đôi với hydrogen thì ξ=1 nên phân năng lượng trung ́ ̀ ̀ ̉ ̀ ̣ binh cua neutron nhanh truyên cho hat nhân hydrogen trong môt va cham là f=63%, con đôi với carbon thì ξ=0.159 nên ̣ ̣ ̀ ́ f=14.7%.
1.2.2 Số va chạm S • Số va cham cân thiêt để lam châm neutron từ ̣ ̀ ́ ̀ ̣ năng lượng E1 đên năng lượng E2 la: ́ ̀ 1 E1 S ( E1 , E2 ) = ln ξ E2 • Như vây số va cham cân thiêt để chuyên từ ̣ ̣ ̀ ́ ̉ neutron nhanh có năng lượng E0=2 MeV đên ́ neutron nhiêt có năng lượng ET=0.025eV la: ̣ ̀ ST = S(E0ET) = 18.2/ξ
Bang 1: Cac thông số đôi với môt số ̉ ́ ́ ̣ ́̀ ̣ chât lam châm Chât lam Mât độ N .1024/cm3 ξ ́̀ ̣ τ ( E1 ) cm L (cm) D (cm ) ST -1 γ (g/cm3) ̣ châm 0.948 ∼ 18. H2O 1 0.0335 5.75 2.88 0.16 2 D2 O 1.1 0.0331 0.570 31.8 11 171 0.87 Be 1.85 0.1236 0.209 86 9.9 24 0.50 C 1.6 0.0803 0.158 114 17.3 50 0.84 Mât độ cua cac hat nhân tăng thì ξ giam => ̣ ̉ ́ ̣ ̉ va chạm ST tăng => các hạt nhân nhẹ làm chậm tốt hơn hat nhân nặng.
1.3 Hấp thụ neutron • Trong quá trinh neutron nhanh được lam châm thanh neutron trên ̀ ̀ ̣ ̀ nhiêt hay neutron nhiêt trong môi trường, xac suât hâp thụ chung ̣ ̣ ́ ́́ ́ tăng dân. Tiêt diên hâp thụ cua nhiêu hat nhân đôi với neutron ở ̀ ́ ̣ ́ ̉ ̀ ̣ ́ miên năng lượng nhiêt tuân theo quy luât như sau: ̀ ̣ ̣ 1 1 σ= = Ev • Với B10, quy luât nay đung trong miên năng lượng từ 0.001eV đên ̣̀ ́ ̀ ́ 1000eV. Tiêt diên neutron có giá trị cao nhât σT tai năng lượng ́ ̣ ́ ̣ nhiêt ET=0.025eV. Khi đó quy luât trên có thể viêt thanh: ̣ ̣ ́ ̀ VT ET σ = σT = σT V E
• Cac phan ứng hâp thụ neutron nhiêt được quan tâm trong ́ ̉ ́ ̣ an toan bức xạ như : ̀ – H1(n,γ )H2 vơi σT=0.33 barns ́ – N14(n,p)C14 vơi σT=1.70 barns ́ – B10(n,α)Li7 vơi σT= 4.01 × 103barns ́ – Cd113(n,γ )Cd114 vơi σT=2.1× 104 barns ́ • Thông thường, khi che chăn neutron nhanh , người ta ́ dung hai loai vât liêu kêt hợp với nhau, vât liêu nhẹ như ̀ ̣̣ ̣ ́ ̣ ̣ nước, paraphin để lam châm neutron và vât liêu hâp thụ ̀ ̣ ̣ ̣ ́ manh neutron nhiêt như B10 hay Cd113 để hâp thụ neutron ̣ ̣ ́ ̣ nhiêt.
Độ dai lam châm và độ dai khuêch tan neutron ̀̀ ̣ ̀ ́ ́ 2.2. Độ dai lam châm ̀̀ ̣ 2.2.1. Độ dai lam châm băng căn bâc hai cua tuôi Fermi ̀̀ ̣ ̀ ̣ ̉ ̉ τ(E), được xac đinh như sau: ̣́ λS λtr dE λS λtr E E τ(E) = − ln 0 3ξ E 3ξ E E0 Trong đó E0=2 MeV là năng lượng neutron nhanh, E là năng lượng neutron trong quá trinh ̀ lam châm, λs và λtr là cac độ dai tan xạ và độ dai ̀ ̣ ́ ̀́ ̀ dich chuyên cua neutron trong môi trường. Độ ̣ ̉ ̉ dai dich chuyên được xac đinh như sau: ̣̀ ̉ ̣́ λs λtr = 1 −cos θ
2 cos θ = Với 3A Là trung binh cosin cua goc bay cua neutron sau tan xa. ̀ ̉ ́ ̉ ́ ̣ Với E = ET = 0.025eV thì τ(ET) là tuôi neutron nhiêt con ̉ ̣̀ τ ( ET ) là độ dai lam châm ̀̀ ̣ 2.2.2.Độ dai khuêch tan ̀ ́ ́ Độ dai khuêch tan L là quang đường mà neutron đi được từ ̀ ́ ́ ̃ khi trở thanh neutron nhiêt đên luc bị hâp thụ và được xac ̀ ̣́́ ́ ́ đinh như sau: ̣ λλ L= a tr 3 Trong đó λa là độ dai hâp thụ neutron nhiêt cua môi trường. ̀́ ̣̉ Vơi môi trường có độ dai khuêch tan L thì chum tia ́ ̀ ́ ́ ̀ neutron nhiêt bị suy giam khi đi qua môi trường có bề day ̣ ̉ ̀ t được xac đinh như sau: ̣́ I =I0 e-t/L
Cac neutron khuêch tan với hệ số khuêch ́ ́ ́ ́ tan D được xac đinh qua độ dai dich ́ ̣́ ̣̀ chuyên như sau: ̉ D = λtr/3 • Đôi với môt nguôn điêm S neutron nhiêt ́ ̣ ̀ ̉ ̣ trong 1 giây đăt trong môt quả câu lam ̣ ̣ ̀̀ châm ban kinh R với độ dai khuêch tan L, ̣ ́ ́ ̀ ́ ́ hệ số khuêch tan D, thì mât độ thông ́ ́ ̣ lượng neutron nhiêt thoat khoi bề măt quả ̣ ́ ̉ ̣ ̀̀ câu la: −R/ L Se Φ= 4π RD
MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN KHÁC Trong phan ứng sinh nhiêu hat, hat nhân hâp thụ neutron và phat ra 2 hat ̉ ̀ ̣ ̣ ́ ́ ̣ neutron, kyphan ứng sinhứalpha: hat nhân ̣ hâp thụ neutroṇ và ̀ phat̉ ra ng Trong ́ hiêu là phan ng (n, 2n), 3 hat neutron, ký hiêu la phan ứ ̣̉ ̉ ̣ ́ ́ hat Phan ứng ̣̣ ̉ (n,3n) v.v…Víhiêu là phan ứng (n,α ): ̣ alpha, ký du: ̉ n + Z →6C -2+2n ứng n+6CXA → 11YA-3 + He4 (3.12) 12 ́ ́ chiêm phong (3.7) ̉62 Phan ứng ̉ Phan 2 Z n+29Cu →29Cu có năng ví dụ phan ứng sau đây khi neutronproton lượng 0.28 MeV: (3.13) ̣ +2n 63 xạ ̉ sinh phân hach Cac phan ứng sinh nhiêu 14→ 5th11 + ng xay ra với neutron có năng lượng rât ́ ̉ ̀N hat B ườ 2He4 ̉ ̣ ́ n +7 (3.8) cao. ́ với neutron nhiêt: và đôi ̣ Trong phan ứng chiêm 3Li6→ 1Hxạ 2He4 nhân hâp thụ neutron và phat ̉ n ́ + phong 3 + hat ́ ̣ ́ ́ (3.9) ra tia gamma, ký hiêu + ̀ B10→ ứng (n,γ4): ̣n la phan Li7 + He ̉ (3.10) Trong phan ứng phân hach XA→ nhân,γ cac hat nhân năng như(3.1) ̉ ̣ 5 hat3 XA+1+ ̣ ́ ̣ ̣ Uranium , 2 n+Z Z thorium và plutonium hâp thụ neutron và bị neutron nay phân chia thanh ́ ̀ ̀ Hat nhân ZXA+1 thường là hat nhân phong xạ beta và phân ra ̃ theo ̣ ̣ ́ 2 manh vỡ với khôi lượng gân theo tỉ lệ 2:3, ký hiêu là phan ứng (n,f): ̃ ́ ̀ ̣ ̉ kênh: ̉ Trong phan ứng sinh proton A →̣ Znhân hâpA2 ̣ neutron và phat ra hat ́ (3.11) ̣ ́ n + ZX hat 1YA1 + Z2Z thu proton, ký hiêu là phanZ +X (n,p): Ỳ A +eA γ= A + 1 Phan →Z+1 ̉ ̉ ứng = Z va + + (3.2) A+1 A+1 - ̣ với Phan 1+́ Z2A → ường p ̉ 2 ra vớưng sinh neutron t(3.4’) Z Phan ứng chiêm ̉ phong xạ th-1YA + xay 1 ̉ ́ n ZX i năng lượng ừ 0 ́ phan ứng phân hach con sinh ra cac hat neutron, gamma, beta.v.v… ̉ ̣ ̀ ́ ̣ Z ́ dụ phan ứ Vira nhiêt̉ lượng gâp hang triêu lân nhiêtượlượ1.46KeV phan ứng ́hoa hoc. sinh đên ́ 500keV. ứng ̉sau han, khi neutron có năng ngnhiêu hatương tac với ̣ Chăng đây neutron năng l t cuà cac ̣ ̉ ̣ lượngng 0.92 ́ MeV: và toa ̉ ̣ ng ́ ̀ ̣ ̀ ̉ ́ ̣ Indium như sau:alpha + S32 → P32 + p n6 ́ (3.5) ̉ Phan ứng phân hach được s1ử dung 5trong cac lò phan ứng hat nhân va ̀ cac phan ̉ ̣ ̣1151 116 ́ ̉ ̣ n+49In →49In + γ (3.3) và đôi với neutron nhiêt: ̣́ ̣ ứng hat nhân. Đông vị phong xạn + 11614 116 C14 ̃ + p với thời gian ban rã T1/2=54 phut: ̀ ́ ́ ́ In N p→ β ra beta hân 49 − 116 7 6 49 In Sn 50