Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Tính toán phổ năng lượng của kênh Nơtron phin lọc từ lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:115

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu, phát triển kỹ thuật phin lọc nơtron trên thế giới và trong nước; thiết kế chuẩn trực và tính toán mô phỏng kênh nơtron tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt; trình bày các kết quả tính toán và thảo luận về phân bố phổ năng lượng nơtron của chùm tia nơtron, các tham số phổ nơtron,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Tính toán phổ năng lượng của kênh Nơtron phin lọc từ lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Huỳnh Thanh Sơn TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TÍNH TOÁN PHỔ NĂNG LƯỢNG CỦA KÊNH NƠTRON PHIN LỌC TỪ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Khánh Hòa – 2020
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Huỳnh Thanh Sơn TÍNH TOÁN PHỔ NĂNG LƯỢNG CỦA KÊNH NƠTRON PHIN LỌC TỪ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 8520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn 1: PGS.TS Phù Chí Hòa- Trường Đại học Đà Lạt Hướng dẫn 2: TS. Phạm Ngọc Sơn- Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt Khánh Hòa – 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phù Chí Hòa và TS. Phạm Ngọc Sơn. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn được tiến hành tại Phòng Vật lý và Điện tử hạt nhân, Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt. Các số liệu, kết quả là trung thực và chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác. Nếu không đúng như đã nêu trên, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về đề tài của mình. Khánh Hòa, tháng 07 năm 2020 Tác giả Huỳnh Thanh Sơn i
LỜI CẢM ƠN Với tình cảm chân thành và lòng biết ơn sâu sắc, cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới : Quý Thầy, Cô giáo của Viện Hàm lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập. Quý Thầy, Cô giáo của Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang đã nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi để giúp tôi hoàn thành khóa học. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Phù Chí Hòa, TS. Phạm Ngọc Sơn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Trung học Phổ thông Hoàng Văn Thụ, đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong suốt khóa học. Cảm ơn các bạn học viên lớp cao học ngành Vật lý kỹ thuật K6 – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cùng tôi trao đổi kiến thức trong suốt khóa học. Và cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình tôi, những người đã, đang và sẽ luôn luôn động viên – chia sẽ cùng tôi trong suốt cuộc đời. Khánh Hòa, tháng 07 năm 2020 Huỳnh Thanh Sơn ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Giải thích ký hiệu 1 PHITS Hệ thống mô phỏng hạt và ion nặng bằng phương pháp Monte – Carlo, (Particle and Heavy Ion Transport code System) 2 MCNP Chương trình tính toán mô phỏng bằng phương pháp Monte – Carlo (Monte Carlo N-Particle Transport Code) 3 MCNP5 Chương trình tính toán mô phỏng bằng phương pháp Monte – Carlo phiên bản 5 (Monte Carlo N-Particle version 5) 4 BNCT Phương pháp xạ trị bằng kỹ thuật BNCT (Boron neutron capture theraphy) 5 PGNAA Phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời (Prompt Gamma-ray Neutron Activation Analysis) 6 IAEA Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế (International Atomic Energy Agency) 7 EXFOR Thư viện số liệu phản ứng hạt nhân thực nghiệm (Experimental Nuclear Reaction Data) 8 CFNB Chương trình tính toán cho các chùm nơtron được lọc (Calculation for Filtered Neutron Beams) 9 JAEA Cơ quan Năng lượng nguyên tử Nhật Bản (Japan Atomic Energy Agency) 10 GEANT4 Chương trình mô phỏng hình học và quá trình chuyển động (GEometry And Tracking) 11 JENDL-4.0 Thư viện số liệu hạt nhân tính toán (Japanes Evaluated Nuclear Data Library) iii
DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Nội dung bảng Trang 1.1 Bảng so sánh chương trình PHITS với các chương 17 trình máy tính khác 2.1 Các phần trong cấu trúc chương trình PHITS 22 2.2 Mô tả chế độ tính toán 24 2.3 Mô tả lịch sử tương tác của hạt 24 2.4 Tên tập tin đầu vào-đầu ra 25 2.5 Mô tả các thông số cho nguồn bức xạ hình trụ 26 2.6 Bề mặt bao quanh vật thể 30 2.7 Định dạng khối vật thể 35 2.8 Mô tả các chức năng của Tally 39 3.1 Số liệu phân bố phổ năng lượng nơtron của chùm tia 49 nơtron ( với chuẩn trực hình cone, phin lọc Bismuth 6cm và Sapphire 15cm) 3.2 Số liệu phân bố phổ năng lượng nơtron của chùm tia 53 nơtron ( với chuẩn trực hình trụ, phin lọc Bismuth 6cm và Sapphire 15cm) 3.3 Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt, 58 trên nhiệt, đối với hình cone tinh thể và hình cone bình thường (Sử dụng phin lọc Bismuth-6cm, Sapphire-15cm) 3.4 Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt, 59 trên nhiệt, đối với hình cone tinh thể và hình trụ tinh thể (Sử dụng phin lọc Bismuth-6cm, Sapphire-15cm) iv
3.5 Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt, 61 trên nhiệt, đối với hình cone tinh thể với phin lọc sử dụng Bismuth-6cm và chiều dài tinh thể Sapphire thay đổi từ 0 đến 20cm 3.6 Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt, 63 trên nhiệt, đối với hình cone tinh thể (Sử dụng phin lọc Bismuth-6cm, Sapphire-15cm và không có phin lọc) v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hình Nội dung hình Trang 1.1 Sơ đồ thuật toán Monte Carlo tính toán quá trình tương 12 tác, của một hạt nơtron trong vật liệu. 1.2 Thống kê số liệu về phổ năng lượng của hạt. 16 1.3 Thống kê về mật độ thông lượng của hạt 16 2.1 Khai báo véctơ chỉ phương và góc khối của nguồn bức xạ 26 2.2 Nguồn hình trụ 27 2.3 Các trường hợp nguồn hình trụ 27 2.4 Kết quả khai báo một nguồn bức xạ hình trụ 28 2.5 Kết quả khai báo hình cầu, hình hộp, mặt phẳng và hình 37 trụ. 2.6 Kết quả khai báo chuẩn trực hình trụ. 38 2.7 Thống kê về mật độ thông lượng của hạt khi sử dụng lưới 43 xyz. 2.8 Lỗi khi không có hạt thống kê trong lưới. 43 2.9 Hiển thị thông lương của hạt với phân bố năng lượng. 45 3.1 Mặt cắt của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt và vị trí kênh 46 ngang số 1. 3.2 Mô hình tính toán hệ dẫn chùm tia nơtron phin lọc hình 48 cone tại kênh ngang số 1 bởi chương trình PHITS. 3.3 Mô hình tính toán hệ dẫn chùm tia nơtron phin lọc hình 48 trụ tại kênh ngang số 1 bởi chương trình PHITS. 3.4 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể và hình cone 58 bình thường theo thang logarit. 3.5 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể và hình cone 59 bình thường theo thang tuyến tính. vi
3.6 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể và hình trụ 60 tinh thể theo thang tuyến tính. 3.7 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể và hình trụ 60 tinh thể theo thang logarit. 3.8 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể khi phin lọc 62 Sapphire thay đổi chiều dài theo thang tuyến tính. 3.9 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể (với phin lọc 63 Bismuth-6cm, Sapphire-15cm và không có phin lọc) theo thang logarit. 3.10 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể (với phin lọc 64 Bismuth-6cm, Sapphire-15cm và không có phin lọc) theo thang tuyến tính. vii
MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Danh mục các ký hiệu, chữ cái viết tắt iii Danh mục các bảng iv Danh mục các hình vẽ, đồ thị vi Mục lục viii Mở đầu ……………………………………………………………….. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU………..…….……….. 3 1.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước. …………………… 3 1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước …………………..… 4 1.3 Cơ sở lý thuyết của kỹ thuật phin lọc nơtron …………… 5 1.4 Phương pháp tính toán dòng nơtron phin lọc ………….... 8 1.5 Kỹ thuật tính toán bằng mô phỏng Monte Carlo ………... 9 1.5.1 Tìm hiểu các chương trình mô phỏng trên thế giới và trong nước …………………………….……… 9 1.5.2 Kỹ thuật tính toán Monte Carlo …………………. 11 1.6 Giới thiệu chương trình tính toán PHITS………….…….. 15 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG………..……. 20 2.1 Hướng dẫn cài đặt và thực thi PHITS ……………...…… 20 2.1.1. Cài đặt trên hệ điều hành Windows ……………… 20 2.1.2. Thực thi PHITS trên hệ điều hành Windows…….. 21 2.1.3. Phần mềm được đề xuất …………………………. 21 viii
2.2 Hướng dẫn tạo file-input cho chương trình mô phỏng … 22 Chương 3 Kết quả và thảo luận ……………………………………. 46 3.1 Tổng quan chương trình và phương pháp Monte Carlo … 47 3.2 File-input dựa trên cơ sở cấu trúc thiết kế của kênh ngang số 1 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt …………..……… 47 3.3 Số liệu phân bố phổ năng lượng nơtron của chùm tia nơtron tại kênh ngang số 1 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ……………….....……… 49 3.4 Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt, trên nhiệt………………………………………………… 57 3.5 Thảo luận ………………………………………….……. 65 Kết luận và kiến nghị …………………………………… 67 1 Kết luận ………………………………………………… 67 2 Kiến nghị …………………………………………….…. 68 Bài báo khoa học công bố…………………………………………… 68 Tài liệu tham khảo ……………………………………………………. 69 Phụ lục………………………………………………………………… 71 Phụ lục 1 Bài báo khoa học ……………………………………….. 71 Phụ lục 2 Thông báo phê duyệt sử dụng phần mềm PHITS .....…… 79 Phụ lục 3 File input mô phỏng chuẩn trực hình cone……..……….. 80 Phụ lục 4 File input mô phỏng chuẩn trực hình trụ.……………….. 91 Phụ lục 5 Các nội dung hướng dẫn thiết kế file – input trong chương trình mô phỏng PHITS .....……………………………..... 95 ix
MỞ ĐẦU Vật lý nơtron có một vai trò quan trọng trong sự phát triển khoa học và công nghệ hạt nhân. Đây là một trong những ngành khoa học mũi nhọn không thể thiếu ở các nước có nền khoa học hạt nhân tiên tiến. Kỹ thuật phin lọc nơtron đã được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới như Ukraina, Mỹ, Nga, Nhật Bản, Việt Nam,... trong các nghiên cứu ứng dụng kênh nơtron từ lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu như: nghiên cứu thực nghiệm phản ứng hạt nhân với nơtron, nghiên cứu vật lý nơtron và cấu trúc hạt nhân; chuẩn liều bức xạ nơtron, nghiên cứu phương pháp xạ trị nơtron (neutron capture therapy), nghiên cứu che chắn bức xạ, chụp ảnh nơtron, phân tích nguyên tố . . . Hiện nay, Việt Nam đã có nhiều chương trình ứng dụng năng lượng và kỹ thuật hạt nhân tham gia vào sự phát triển kinh tế xã hội. Vì vậy, các nghiên cứu về vật lý nơtron và đào tạo nguồn nhân lực trong lĩnh vực này ngày càng trở nên cần thiết. Trong các nghiên cứu thực nghiệm về phản ứng hạt nhân với nơtron, đo số liệu hạt nhân phục vụ cho tính toán thiết kế lò phản ứng, phân tích đánh giá an toàn luôn cần thiết phải tạo ra các dòng nơtron chuẩn đơn năng. Phổ năng lượng của các kênh nơtron phin lọc từ Lò phản ứng hạt nhân là thông tin quan trọng cần thiết cho các nghiên cứu ứng dụng. Do đó, đề tài nghiên cứu tính toán xác định thông lượng nơtron nhiệt, nơtron nhanh và phổ năng lượng nơtron của các kênh nơtron phin lọc từ Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là cần thiết và cũng là lý do chọn đề tài này. Kết quả của đề tài này sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong việc phục vụ phát triển kênh nơtron năng lượng nhiệt (thermal neutron beam) tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt và góp phần cung cấp thông tin về tham số vật lý nơtron như thông lượng nơtron, tỉ số Cadmi và độ sạch của chùm tia. Các tham số này cần thiết cho các nghiên cứu khoa học và ứng dụng triển khai tại kênh ngang số 1 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Mục đích của đề tài là ứng dụng chương trình tính toán mô phỏng PHITS trên cơ sở phương pháp Monte Carlo để nghiên cứu tính toán truyền nơtron qua phin lọc và chuẩn trực chùm tia phục vụ phát triển kênh 1
nơtron nhiệt tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, từ đó tính toán xác định được phân bố phổ năng lượng nơtron sau khi truyền qua các tổ hợp phin lọc tại kênh nơtron phin lọc của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu là đặc trưng phổ năng lượng và thông lượng nơtron nhiệt tương ứng với bộ phin lọc mới (bao gồm Bismuth và Sapphire) để nhận được chùm tia nơtron với năng lượng trung bình En = 0.0253 eV tại kênh nơtron số 1 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế đã nêu ở trên, tôi đã chọn nội dung nghiên cứu với tên đề tài: ‘‘Tính toán phổ năng lượng của kênh nơtron phin lọc từ Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt’’, để làm luận văn tốt nghiệp Cao học khóa 6, chuyên ngành Vật lý kỹ thuật của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Cấu trúc luận văn như sau: Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu, phát triển kỹ thuật phin lọc nơtron trên thế giới và trong nước. Trình bày tổng quan về kỹ thuật tính toán phổ năng lượng, độ sạch tương đối của dòng nơtron phin lọc và một số ứng dụng quan trọng. Trình bày tổng quan về phương pháp mô phỏng Monte Carlo và chương trình máy tính PHITS. Chương 2: Thiết kế chuẩn trực và tính toán mô phỏng kênh nơtron tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Chương 3: Trình bày các kết quả tính toán và thảo luận về phân bố phổ năng lượng nơtron của chùm tia nơtron, các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt, trên nhiệt . . . Chương 4: Trình bày các kết luận và kiến nghị. Lĩnh vực vật lý nơtron và kỹ thuật phin lọc nơtron để tạo ra dòng nơtron chuẩn đơn năng rất phức tạp và đa dạng. Mặc dù, tôi đã rất cố gắng nhưng do thời gian nghiên cứu tương đối ngắn và kinh nghiệm chưa nhiều nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung cũng như cách trình bày, kính mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU Trong chương này, các nội dung được trình bày một cách tổng quan gồm tình hình nghiên cứu ở ngoài nước và trong nước về sự phát triển của kỹ thuật nơtron phin lọc, trình bày một số ứng dụng trong thực tiễn đối với các dòng nơtron phin lọc. 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở NGOÀI NƯỚC Một trong những phương pháp tạo dòng nơtron chuẩn đơn năng cường độ mạnh hiện nay trong vùng năng lượng từ 0,4 keV đến vài trăm keV là các chùm nơtron đi qua phin lọc trên cơ sở các kênh ngang của lò phản ứng hạt nhân. Kỹ thuật nơtron phin lọc được giới thiệu vào năm 1968 bởi hai nhà khoa học Simpson và Muller, về khả năng sử dụng một số phin lọc để tạo dòng nơtron đơn năng từ lò phản ứng, phục vụ các thí nghiệm nghiên cứu về phản ứng bắt nơtron của hạt nhân [1]. Ngày nay, kỹ thuật phin lọc nơtron đã được áp dụng ở nhiều nước như Ukraina, Mỹ, Nhật, Hàn Quốc,… Tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Kiev (Ucraina), đã phát triển các tổ hợp phin lọc nơtron sử dụng các loại vật liệu Ni, Fe, S, B, Al, Mn, Mg, Si, Sc và các đồng vị Cr-52, Fe-54, Fe-56, Ni-58, Ni-60, Ni-62, Ni-64, B-10,... và đã nhận được các dòng nơtron chuẩn đơn năng, với năng lượng từ 0,498 keV đến 602,5 keV, thông lượng từ 0,13 đến 26,8x106 (n/cm2.s) và cường độ tương đối từ 39,5 đến 99% [2, 3,4] Tại phòng thí nghiệm lò phản ứng hạt nhân của Đại học Ban Ohio (OSURR) đã phát triển các tổ hợp phin lọc nơtron sử dụng các loại vật liệu Bismuth và Sapphire để làm phin lọc và đã nhận được các dòng nơtron chuẩn đơn năng, với năng lượng 0,5 MeV, 0,8 MeV, 1,0 MeV, 1,5 MeV, 2,0 MeV, 3,0 MeV,…[5]. Tại Brookhaven của Mỹ, các chùm nơtron phin lọc 2 keV và 24,5 keV được sử dụng để đo tiết diện bắt bức xạ và nghiên cứu cơ chế phản ứng bắt nơtron [2]. Các dòng nơtron phin lọc từ lò phản ứng có ưu điểm là có thông lượng dòng cao đạt từ 105-107 n/cm2s, có độ phân giải năng lượng cao và nền phông 3
gamma thấp. Các khó khăn chính là để tạo ra các chùm nơtron có chất lượng tốt thì phần lớn các vật liệu phin lọc cần có độ giàu đồng vị cao, do đó dòng nơtron phin lọc nhiệt sử dụng các vật liệu đơn tinh thể như Silic, Berili, Bismuth được phát triển phổ biến hơn ở nhiều nước như Ai Cập, Ấn Độ, Hàn Quốc,...[2]. 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt có 4 kênh nơtron phục vụ cho các mục đích nghiên cứu với đường kính kênh là 15,2cm, trong đó có 3 kênh xuyên tâm và 1 kênh tiếp tuyến. Cho đến nay đã có 3 kênh được đưa vào sử dụng là kênh tiếp tuyến số 3, kênh xuyên tâm số 2 và kênh xuyên tâm số 4. Các dòng nơtron phin lọc từ kênh ngang số 3 và số 4 đã được đưa vào sử dụng từ những năm 1990, kênh ngang số 2 đã được đưa vào sử dụng từ năm 2012 để phục vụ các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Kỹ thuật phin lọc nơtron được phát triển ở Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt cho phép nhận được các chùm nơtron chuẩn đơn năng với thông lượng từ 105 đến 106 (n/cm2.s) thích hợp cho các nghiên cứu số liệu phản ứng hạt nhân với nơtron. Các phương pháp như phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời, các thí nghiệm đo nơtron truyền qua, các nghiên cứu thực nghiệm về cấu trúc và mật độ mức hạt nhân bằng phương pháp đo tổng biên độ các xung gamma trùng phùng từ phản ứng bắt nơtron nhiệt đã được thực hiện tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [6]. Năm 2012 kênh xuyên tâm số 2 với hệ thống phin lọc Silic và Bismuth được đưa vào sử dụng phục vụ cho phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời (PGNAA), nghiên cứu phản ứng hạt nhân (n,  ), đo xác định thực nghiệm số liệu tiết diện phản ứng hạt nhân với nơtron, tiến hành các thực nghiệm về phản ứng hạt nhân, vật lý hạt nhân, vật lý nơtron và che chắn bức xạ trong công tác đào tạo[2]. 4
1.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT PHIN LỌC NƠTRON Nơtron có tính chất trung tính về điện, do đó nơtron không bị ảnh hưởng bởi điện tích âm của electron trong lớp vỏ nguyên tử cũng như điện tích dương của hạt nhân. Tính chất quan trọng này cho phép nơtron đi qua đám mây electron nguyên tử và tương tác trực tiếp với hạt nhân. Chính vì thế, nơtron có thể xâm nhập sâu vào các vật thể và vật liệu. Mặt khác, bước sóng của nơtron thì tỷ lệ nghịch với động lượng của nó. Với hằng số Planck h, khối lượng nơtron mn không đổi, bước sóng giảm xuống theo một hàm của vận tốc v, được thể hiện trong phương trình de Broglie cho bước sóng tính bằng đơn vị nanomet[5]. h 395, 6   (1.1) mn .v v Các nơtron có năng lượng cao khi chúng được sinh ra từ các nguồn phản ứng phân hạch và trải qua nhiều tương tác tán xạ để bị làm chậm hoặc điều tiết xuống các năng lượng mà chúng ở trạng thái cân bằng nhiệt với chuyển động của các nguyên tử xung quanh chúng. Tại thời điểm này, năng lượng có thể được truyền từ nơtron sang hạt nhân và từ hạt nhân đến nơtron. Các nơtron nhiệt theo định nghĩa là các nơtron ở trạng thái cân bằng nhiệt với vật chất ở 300K. Khi đó, ta có thể sử dụng hàm phân bố Maxwell để mô tả phổ của các năng lượng trong trạng thái cân bằng nhiệt này. Năng lượng có thể xảy ra với tỉ lệ cao nhất trong phân bố là 0,0253 (eV), tương ứng với vận tốc nơtron là 2200 (m/s) và bước sóng là 0,18 (nm). Khi xảy ra các tương tác bắt một nơtron bởi một hạt nhân, dẫn đến một hoặc nhiều tia gamma được phát ra. Sự hấp thụ nơtron và phát xạ tia gamma tiếp theo rất hữu ích trong việc xác định thành phần nguyên tố của mẫu vì mỗi đồng vị tạo ra tia gamma có năng lượng riêng biệt. Trên thực tế, trong các lò phản ứng hạt nhân, chỉ có nơtron nhanh được tạo ra trong quá trình phân hạch hạt nhân. Sự phân bố năng lượng của các nơtron này có thể tính gần đúng bởi công thức Watt [2]: ( E)  0, 484e E sin(2E)0,5 (1.2) 5
Từ lý thuyết phản ứng hạt nhân, chúng ta biết rằng tiết diện tương tác của nơtron với vật chất, tăng rõ rệt theo quy luật 1/v khi giảm năng lượng nơtron. Trong môi trường chất làm chậm của lò phản ứng hạt nhân, phổ nơtron có phân bố theo ba miền năng lượng như sau : + Nơtron nhiệt : 0 < En < 0,5 eV + Nơtron trung gian : 0,5 eV < En < 100 keV + Nơtron nhanh : 100 keV < En < 20 MeV Cơ sở của kỹ thuật nơtron phin lọc là dựa trên sự suy giảm cường độ chùm nơtron, tại các năng lượng không mong muốn nhưng vẫn đảm bảo được cường độ mạnh tại đỉnh năng lượng quan tâm, khi đi qua vật liệu làm phin lọc có một bề dày đủ lớn. Trong tiết diện nơtron toàn phần của nhiều đồng vị hoặc nguyên tố, có các cực tiểu tạo thành do sự giao thoa của tán xạ thế và tán xạ cộng hưởng, của các sóng nơtron trong vùng năng lượng trung bình. Các cực tiểu này có thể có giá trị tiết diện gần bằng 0 hoặc rất nhỏ. Vì vậy, khi chùm nơtron từ lò phản ứng có năng lượng phân bố từ nơtron nhiệt đến nơtron nhanh, truyền qua vật liệu có độ dày thích hợp sẽ tương tác với vật liệu này giống như lọc nơtron. Phía sau vật liệu này sẽ nhận được dòng nơtron đơn năng, với giá trị năng lượng tương ứng với cực tiểu của tiết diện toàn phần. Các bước cơ bản nhất để tạo ra một dòng nơtron phin lọc mới, trên cơ sở các kênh ngang của lò phản ứng bao gồm: 1. Tính toán lựa chọn kích thước và tổ hợp các vật liệu phù hợp nhất làm phin lọc, để thu được phổ nơtron đơn năng có độ sạch (cường độ tương đối) đạt gần 100%. 2. Gia công, lắp đặt phin lọc và chuẩn trực dòng nơtron. 3. Đo và kiểm tra thực nghiệm đỉnh năng lượng, thông lượng và độ sạch đơn năng. 4. Hiệu chỉnh phin lọc để có kết quả phù hợp với thiết kế. 6
Trong luận văn này, chúng tôi trình bày các nghiên cứu tính toán, nhằm chọn lựa các thông số thiết kế tối ưu về kích thước và phân bố phổ năng lượng đơn năng tại 0,0253eV dự kiến sẽ thu được trên cơ sở dòng nơtron qua tổ hợp phin lọc Bismuth và Sapphire từ kênh ngang số 1 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Các kết quả này là số liệu cần thiết để tiến hành phát triển dòng nơtron phin lọc đơn năng 0,0253eV qua tổ hợp phin lọc Bismuth và Sapphire mới trong thời gian tới. Phổ năng lượng nơtron tạo thành sau phin lọc được tính theo biểu thức sau [2, 4]: 0 ( E )  i ( E )* exp(  k dk tk ( E )), (1.3) k Eh   ( E )dE 0 I El 20 MeV , (1.4)  5 0 ( E )dE 10 eV Trong đó: + 0 ( E ) là phổ thông lượng nơtron tạo thành sau phin lọc, + i ( E ) là phổ thông lượng nơtron từ lò phản ứng tại vị trí trước phin lọc, +  k là mật độ hạt nhân của thành phần phin lọc thứ k (số hạt nhân/cm3), + dk là chiều dài của thành phần phin lọc thứ k (cm), +  tk ( E ) là tiết diện hấp thụ nơtron toàn phần của vật liệu thứ k, + E là năng lượng nơtron, + I là cường độ tương đối (độ sạch) của đỉnh phổ đơn năng, + El và Eh là cận dưới và cận trên của đỉnh phổ năng lượng chính. Ngoài ra, các công đoạn còn lại như gia công, lắp đặt phin lọc và chuẩn trực dòng nơtron, đo và kiểm tra thực nghiệm đỉnh năng lượng, thông lượng, độ sạch đơn năng và hiệu chỉnh phin lọc để có kết quả phù hợp với thiết kế. 7
Các vấn đề an toàn bức xạ và các điều kiện kỹ thuật cần thiết để đạt được chất lượng dòng nơtron cao nhất là hướng phát triển kế tiếp của đề tài. 1.4. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DÒNG NƠTRON PHIN LỌC Các bộ lọc thường được sử dụng trong các cơ sở chùm tia để lọc ra tia gamma không mong muốn và thông lượng nơtron nhanh nhằm cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu cho nhiều kỹ thuật phân tích. Các cơ sở chụp ảnh phóng xạ nơtron nhắm đến hàm lượng neutron nhiệt cao và giảm hàm lượng gamma cho độ nhạy cao và chất lượng hình ảnh tổng thể. Do nhu cầu về các chùm nơtron nhiệt có cường độ cao và độ sạch tia gamma cao nên cần phải có các vật liệu lọc chất lượng tương ứng. Các vật liệu ứng cử viên tốt nhất thỏa mãn các yêu cầu trên bao gồm Thạch anh (SiO2 ), Bismuth, Berili, Magiê oxit, Silic và Sapphire (Al2O3). Nếu xét về sự sẵn có của các tinh thể đơn lớn và hiệu quả thì Thạch anh, Sapphire và Silic là những vật liệu được ưu tiên lựa chọn. Sapphire ở nhiệt độ phòng hiệu quả hơn Thạch anh và Silic như một bộ lọc nơtron nhiệt, ngay cả khi chúng được làm lạnh bằng phương pháp lạnh đến 77 K để cải thiện hiệu quả. Hơn nữa, các đặc tính truyền của Sapphire không bị suy giảm do chiếu xạ trong một thời gian dài trong kênh ngang của lò phản ứng[5]. Bismuth không phải là ứng cử viên hàng đầu làm vật liệu lọc nơtron, vì Bismuth tồn tại mật độ cao của các trạng thái phonon tần số thấp. Tuy nhiên, với mật độ cao (9,78 g/cm3) và số nguyên tử (Z = 83), Bismuth rất hiệu quả trong việc che chắn các tia gamma. Mặc dù thiếu hiệu quả với việc truyền nơtron nhiệt nhưng nó có thể đóng vai trò kép trong việc lọc tia gamma và góp phần làm giảm nền nơtron nhanh[5]. Với việc chấp nhận hy sinh một lượng nhỏ nơtron nhiệt nhưng đem lại hiệu quả trong việc lọc nơtron nhanh và tia gamma thì ta chọn tổ hợp phin lọc là Bismuth và Sapphire làm phin lọc nơtron. Các bước cơ bản nhất để tạo ra dòng nơtron phin lọc mới, trên cơ sở các kênh ngang của lò phản ứng nghiên cứu bao gồm: 8
- Tính toán chọn lựa kích thước và tổ hợp các vật liệu phù hợp nhất làm phin lọc, để thu được phổ nơtron đơn năng có cường độ tương đối đạt đến giá trị cao nhất có thể (trong thực tế đạt từ 85  97%). - Gia công, lắp đặt phin lọc và chuẩn trực dòng nơtron. Trong nội dung này, luận văn trình bày cách tính toán nhằm lựa chọn các thông số về kích thước, mật độ, tổ hợp các vật liệu và phân bố phổ năng lượng dự kiến sẽ thu được trên cơ sở dòng nơtron từ kênh ngang số 1 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Các kết quả tính toán sẽ là số liệu cần thiết để tiến hành phát triển dòng nơtron phin lọc 0,0253eV trên kênh ngang số 1. Như đã trình bày, nguyên lý cơ bản của kỹ thuật phin lọc nơtron nhiệt là sử dụng một lượng đủ lớn các vật liệu dạng đơn tinh thể có phân bố cực tiểu trong tiết diện hấp thụ nơtron toàn phần trong vùng năng lượng lân cận nơtron nhiệt với giá trị En = 0,0253eV. Như vậy, khi cho chùm nơtron từ lò phản ứng truyền qua tổ hợp vật liệu đơn tinh thể này thì chúng ta sẽ nhận được một dòng nơtron có thành phần thông lượng nơtron nhiệt cao, tỉ số nơtron nhiệt và nơtron nhanh có thể đạt giá trị từ 80 đến 200 lần. Chương trình máy tính gọi là PHITS [7, 8], được sử dụng trong tính toán các đặc trưng phân bố của phổ nơtron tạo thành sau khi truyền qua các tổ hợp phin lọc khác nhau. Các số liệu về kích thước được thay đổi để thu được dòng nơtron đơn năng có độ sạch cao và thông lượng đáp ứng được yêu cầu (trên 106 n/cm2.s). Số liệu ban đầu về phổ thông lượng nơtron từ lò phản ứng đã được xác định trước đây tại vị trí trước phin lọc của kênh ngang số 1 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. 1.5. KỸ THUẬT TÍNH TOÁN BẰNG MÔ PHỎNG MONTER CARLO 1.5.1. Các chương trình mô phỏng trên thế giới và trong nước. Hiện nay, tại Viện Nghiên cứu hạt nhân có các chương trình máy tính để sử dụng trong tính toán thiết kế phin lọc nơtron áp dụng tại các kênh ngang của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt bao gồm: chương trình CFNB được phát triển bởi Nhóm nghiên cứu số liệu hạt nhân tại Viện Nghiên cứu hạt nhân và chương trình MCNP5. Chương trình tính toán CFNB thực hiện tính toán bằng 9