BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
___________________
TRẦN TUẤN ANH
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẤU HÌNH CHE CHẮN PHÓNG XẠ
CHO KÊNH NƠTRON PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU CƠ BẢN VÀ
ỨNG DỤNG TẠI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT
CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU SINH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. VƯƠNG HỮU TẤN
2. TS. PHẠM ĐÌNH KHANG
ĐÀ LẠT – 2012
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG KÊNH NƠTRON SỐ 3 ............................................................. 4
1.1. Tổng quan kênh nơtron số 3 ........................................................................................... 4
1.1.1. Phần cấu trúc bên trong tường bảo vệ sinh học lò phản ứng .................................. 4
1.1.2. Phần cấu trúc bên ngoài tường bảo vệ sinh học lò phản ứng ................................. 5
1.2. Các đặc trưng cơ bản của KS3 ....................................................................................... 6
1.3. Một số vấn đề tồn tại và biện pháp khắc phục ............................................................... 9
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG MONTE CARLO ................................................. 11
2.1. Tính toán suất liều nơtron và gamma cho cấu hình che chắn phóng xạ hiện tại .......... 11
2.1.1. Mô hình tính toán: ................................................................................................. 11
2.1.2. Kết quả tính toán ................................................................................................... 12
2.2. Tính toán suất liều nơtron và gamma cho cấu hình che chắn phóng xạ mới ............... 14
2.2.1. Mô hình tính toán .................................................................................................. 14
2.2.2. Kết quả tính toán ................................................................................................... 16
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT HỆ CHE CHẮN PHÓNG XẠ MỚI ...................... 19
3.1 Thiết kế cấu hình che chắn phóng xạ mới ..................................................................... 19
3.1.1. Lắp khối cản xạ tại cửa KS3 .................................................................................. 19
3.1.2. Thiết kế cấu hình che chắn kín nước ..................................................................... 19
3.1.3. Thiết kế hệ che chắn phóng xạ bổ sung ................................................................. 21
3.1.4. Thiết kế cấu hình che chắn phóng xạ và bố trí hệ đo đa mục đích ........................ 22
3.1.5. Thiết kế chuẩn trực và chắn dòng nơtron .............................................................. 23
3.1.6. Thiết kế ray dẫn hướng cho toàn hệ ...................................................................... 24
3.2. Lắp đặt cấu hình che chắn phóng xạ mới ..................................................................... 26
3.2.1. Lắp đặt hệ che chắn kín nước ................................................................................ 26
3.2.2. Lắp đặt thiết bị đóng mở dòng nơtron ................................................................... 27
3.2.3. Lắp đặt cấu hình che chắn phóng xạ và bố trí hệ đo đa mục đích ......................... 28
3.3. Đánh giá an toàn bức xạ cho cấu hình che chắn phóng xạ mới ................................... 29
KẾT LUẬN ............................................................................................................................. 32
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 33
3
MỞ ĐẦU
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là cơ sở duy nhất tại Việt Nam có nguồn
nơtron mạnh, có thông lượng lớn và ổn định để có thể tiến hành các nghiên cơ
bản và ứng dụng. Bên cạnh các lĩnh vực như điều chế đồng vị, nghiên cứu vật lý
kỹ thuật lò, phân tích kích hoạt thì khai thác một cách có hiệu quả dòng nơtron từ
các kênh ngang của lò phản ứng phục vụ các nghiên cứu vật lý cơ bản và đào tạo
cán bộ là một định hướng khai thác lò không thể thiếu. Những kết quả nghiên
cứu khoa học và đào tạo thu được trong thời gian qua được thể hiện qua số lượng
các đề tài nghiên cứu khoa học đã được triển khai, số lượng học viên cao học và
nghiên cứu sinh đã được đào tạo và số lượng các công trình nghiên cứu đã công
bố. Các kết quả trên góp phần khẳng định lĩnh vực nghiên cứu khai thác các
dòng nơtron từ các kênh ngang của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là một lĩnh vực
nghiên cứu hiệu quả, không thể thiếu và cần được đầu tư chiều sâu.
Các hoạt động nghiên cứu trên KS3 chủ yếu là nghiên cứu số liệu và cấu
trúc hạt nhân sử dụng hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng và thực tập
vật lý nơtron cho sinh viên các trường đại học [4, 6]. Tuy nhiên không gian bố trí
thí nghiệm tại KS3 chật hẹp nên rất khó khăn trong việc bố trí thí nghiệm do đó
cần phải tiến hành quy hoạch lại KS3 theo hướng hiệu quả, an toàn thuận tiện
nhằm khai thác tối đa các trang thiết bị hiện có, tiến hành đồng thời nhiều thí
nghiệm khi lò hoạt động để nâng cao khả năng nghiên cứu. Để thực hiện việc
này cần phải có các tính toán đưa ra một cấu hình che chắn phóng xạ cho hệ thiết
bị nghiên cứu mới trong trường hợp tháo dỡ toàn bộ tường bao che chắn phóng
xạ bằng bê tông và gỗ hiện tại nhằm mở rộng không gian thí nghiệm đảm bảo về
mặt an toàn bức xạ và an toàn hạt nhân, tính thẩm mỹ phục vụ nghiên cứu cơ
bản, ứng dụng và đào tạo.
4
CHƯƠNG 1
HIỆN TRẠNG KÊNH NƠTRON SỐ 3
1.1. Tổng quan kênh nơtron số 3
Kênh nơtron số 3 (KS3) của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được mở và
đưa vào sử dụng từ những năm 90 của thế kỷ truớc. Thời gian đầu kênh được sử
dụng cho mục đích chụp ảnh nơtron và phân tích kích hoạt nơtron gamma tức
thời (PGNAA). Để đảm bảo an toàn bức xạ cho người sử dụng, khu vực bên
ngoài kênh được che chắn bằng vách tường bê tông, chỉ còn lại một lối đi hẹp
cho người làm thí nghiệm. Trong thời gian này, các hoạt động khai thác kênh đã
mang lại những kết quả khoa học có ý nghĩa được công bố tại các hội nghị khoa
học trong và ngoài nước [[1]]. Sau giai đoạn này, hệ PGNAA được chuyển sang
kênh nơtron số 4 để khai thác dòng nơtron có thông lượng cao hơn, KS3 đã tạm
dừng hoạt động và khu vực phía trong kênh đã trở thành chỗ lưu giữ các nguồn
phóng xạ và chất thải phóng xạ tạm thời. Theo thời gian, các hệ thống đóng mở
dòng nơtron cũng đã bị hư hỏng và không sử dụng được.
Năm 2003 KS3 đã được khôi phục lại để bố trí hệ đo phân rã gamma nối
tầng. Các thiết bị chuẩn trực, dẫn dòng, đóng mở dòng được thiết kế, chế tạo lại
cho phù hợp với việc bố trí thí nghiệm mới [[2]]. Các thiết bị che chắn phóng xạ
và dẫn dòng nơtron mới về cơ bản đã đáp ứng được việc bố trí hai detector và
các khối điện tử cho hệ phổ kế (n, 2γ). Từ đó đến nay KS3 được sử dụng cho
mục đích chuyên nghiên cứu số liệu và cấu trúc hạt nhân sử dụng phổ kế cộng
biên độ các xung trùng phùng. Cấu trúc hiện tại của KS3 gồm hai phần:
1.1.1. Phần cấu trúc bên trong tường bảo vệ sinh học lò phản ứng gồm:
- Hệ dẫn dòng nơtron là một ống thép với hai phần đường kính 203mm
dài 1650mm và đường kính 152mm dài 1500mm được nối với nhau. Phần nhỏ
của ống thép được đặt tại hốc trụ rỗng trong vành phản xạ, phần còn lại kết thúc
tại mặt ngoài tường bêtông bảo vệ sinh học của lò phản ứng. Kênh này cho dòng
nơtron với phông gamma từ vùng hoạt thấp nhất.
- Hệ đóng mở dòng nơtron là một thùng nhôm hình trụ đường kính 80mm
dài 1500mm chứa đầy nước cất. Nước được dẫn vào thùng qua hai ống dẫn vào
và ra thông qua hệ thống bơm điện. Trong trường hợp mở dòng nơtron, toàn bộ
nước trong thùng được tháo ra ngoài thùng chứa bên ngoài và ngược lại.
- Phin lọc Silic được bố trí sau hệ đóng mở dòng nơtron. Silic có tác dụng
nhiệt hóa nơtron nhanh thành nơtron nhiệt. Chiều dài phin lọc 50cm là kích
thước tối ưu để thông lượng nơtron nhiệt và tỉ số Cadmi là lớn nhất.
- Hệ chuẩn trực dòng nơtron được làm bằng parafin pha Boron, Li, Cd là
các vật liệu có tiết diện hấp thụ nơtron lớn có tác dụng tạo dòng nơtron đường
kính 1,2cm và 2,5cm (tùy thuộc từng cấu hình thực nghiệm), ngoài ra còn có các
khối chuẩn trực bằng chì để giảm các phông gamma từ vùng hoạt và gamma phát
ra từ các vật liệu che chắn.
- Khối cản xạ là một hộp vuông bằng thép được đặt chìm vào mặt ngoài
của tường bê tông bảo vệ của Lò phản ứng. Khối này có kích thước 23 x 23cm
và dày 11,4cm được làm từ các lá thép dày 6,3mm và chứa đầy chì có thể chuyển
động theo thanh hướng ngang về một bên mở ra lối thao tác đến kênh ngang.
Khối cản xạ có tác dụng làm giảm áp lực nước trong trường hợp rò rỉ nước từ
5
thùng lò ra kênh và che chắn phóng xạ khi đóng kênh. Tuy nhiên trong quá trình
xây dựng kênh từ giai đoạn trước, khối cản xạ đã được tháo ra và thay thế bởi
một khối parafin pha Boron và chì để che chắn phóng xạ từ dòng nơtron. Việc
đưa lại khối cản xạ theo đúng cấu trúc cũ cũng sẽ được thực hiện trong tính toán
này.
Sơ đồ cấu trúc bên trong KS3 được chỉ ra ở Hình 1.1.
Hình 1.1: Cấu trúc bên trong KS3
1.1.2. Phần cấu trúc bên ngoài tường bảo vệ sinh học lò phản ứng gồm:
- Cửa kênh là một tấm sắt được chế tạo từ thép dày 9,5mm và được dát
chì dày 3,2cm để tăng cường che chắn bức xạ. Cửa được gắn trên bản lề, ở phía
trên cửa có vành đệm bằng cao su và bảy cái ép gien cho phép ép kín cửa để
tránh mất nước lò trong trường hợp hở kênh ngang. Nếu trên kênh ngang không
tiến hành công việc thì cửa sắt phải được đóng chắc chắn.
- Hệ che chắn phóng xạ cho hệ phổ kế (n, 2γ) bao gồm hai buồng chì kích
thước 30cm × 25cm × 20cm bao quanh hai detector HPGe. Phần tinh thể detector
được bao bọc một lớp parafin pha LiF để chắn nơtron tán xạ từ mẫu và các vật
liệu che chắn vào detector. Một hệ chuẩn trực dòng nơtron phụ cũng được thiết
kế để tạo dòng nơtron với đường kính phù hợp với yêu cầu thực nghiệm. Toàn
bộ hệ thiết bị trên được bố trí trên một bàn di chuyển dọc đường ray song song
với dòng nơtron. Kết cấu này cho phép hai detector và hệ che chắn bức xạ có thể
di chuyển vào gần hoặc ra xa cửa kênh. Với thiết kế như vậy yêu cầu đóng kín
kênh khi không tiến hành thí nghiệm được tiến hành một cách dễ dàng.
- Hệ chắn dòng nơtron là một khối parafin pha Boron hình trụ đường kính
30cm, cao 40cm được bố trí trong tường bao che chắn phóng xạ KS3. Hệ này có
tác dụng bắt toàn bộ nơtron khi đi ra khỏi dòng. Hình 1.2 là sơ đồ mặt cắt ngang
của KS3 và sơ đồ bố trí các thiết bị nghiên cứu trên kênh.
- Tường bao che chắn phóng xạ có kích thước rộng 3,6m, dài 3,2m, dày
0,9m và cao 2,3m. Tường bao gồm hai lớp: Lớp thứ nhất gồm parafin pha boron
dày 10cm và gỗ dày 20cm có tác dụng bắt nơtron tán xạ từ các vật liệu che chắn,
lớp thứ 2 là các khối bê tông kích thước 40 x 20 x 10cm được xếp xen kẽ để che
chắn gamma. Lối vào kênh rộng 0,5m dành cho nhân viên vào kênh bố trí thí
nghiệm, lắp đặt các thiết bị điện tử và đổ nitơ cho các detector bán dẫn.
Sơ đồ cấu trúc bên ngoài tường bảo vệ sinh học tại KS3 được chỉ ra ở
Hình 1.2.
3150 mm
152mm
Nư
ớ
c
ra
ước vào/ra
80 mm
1500 mm
Chì
P
araphin
-
B
Không khí
khÝ
H
2
O
Bê tông
Si Bơm điện
Thùng nước cất Chuẩn trực 12mm
Phin lọc Silic
Ống thép