1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM TRẦN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC ỨNG DỤNG CHÙM NƠTRON PHIN LỌC Ở LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT Chuyên ngành[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM - TRẦN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC ỨNG DỤNG CHÙM NƠTRON PHIN LỌC Ở LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT Chuyên ngành: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ Mã số chuyên ngành: 62 44 01 06 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ ĐÀ LẠT-2014 Cơng trình hoàn thành tại: Viện Nghiên cứu hạt nhân- Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Vương Hữu Tấn Người hướng dẫn khoa học 2:.PGS TS Phạm Đình Khang Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc ngày tháng Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện Nghiên cứu hạt nhân năm MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Một thực nghiệm quan trọng và phổ biến vật lý nơtron là nghiên cứu phản ứng hạt nhân và hiệu ứng tương tác nơtron với vật chất sở chùm nơtron đơn từ lò phản ứng hạt nhân kỹ thuật phin lọc Chất lượng chùm nơtron đơn là yếu tớ định đến độ xác kết thực nghiệm Để tạo nguồn nơtron đơn người ta đã ứng dụng kỹ thuật khác như: kỹ thuật phin lọc, kỹ thuật tán xạ tinh thể, phương pháp thời gian bay… Trong đó, kỹ thuật sử dụng phin lọc nơtron khác sở kênh ngang lò phản ứng để tạo chùm nơtron có lượng đơn năng, có độ phân giải lượng tớt và thơng lượng lớn là phương pháp hiệu đáp ứng yêu cầu nêu Kỹ thuật phin lọc nơtron đã áp dụng rộng rãi nhiều quốc gia giới như: Ukraina, Mỹ, Nhật Bản, Việt Nam, để tạo chùm nơtron nhiệt và đơn vùng lượng từ eV đến keV đến vài MeV [14, 21] Một vấn đề quan tâm hiện là độ xác số liệu hạt nhân thực nghiệm Các số liệu thực nghiệm tiết diện phản ứng nơtron với hạt nhân phân tích để xác định tham sớ phản ứng hạt nhân Độ xác tham số này là yếu tố quan trọng mơ hình tính tốn lý thuyết để tạo thư viện sớ liệu hạt nhân phục vụ tính tốn và phân tích an toàn lị phản ứng và ứng dụng khác Hiện hầu hết nghiên cứu số liệu hạt nhân tập trung vào vùng lượng cộng hưởng phân giải vùng lượng này cấu trúc cộng hưởng tiết diện phản ứng thường có khác biệt lớn đồng vị này với đồng vị khác và khó tính tốn cách xác từ mơ hình lý thuyết Do đó, thực nghiệm người ta dùng thiết bị có độ phân giải cao toàn giải phổ lượng Các thí nghiệm này thường thực hiện thiết bị đo thời gian bay nơtron (n_TOF) Ngoài ra, thực nghiệm đo số liệu tiết diện phản ứng vùng cộng hưởng phân giải được chuẩn hố giá trị đo xác vùng lượng thấp sử dụng nguồn nơtron từ lò phản ứng Trong vùng lượng trung gian, chồng chập cộng hưởng nên số liệu tiết diện thể hiện phụ thuộc đơn điệu theo lượng Một sớ mơ hình và chương trình tính tốn mơ tả xác đới với nhiều phản ứng hạt nhân vùng lượng này Tuy nhiên mơ hình này thường dựa tham số khớp từ số liệu đo thực nghiệm mà việc đo số liệu tiết diện vùng này cần có chùm nơtron đơn từ máy gia tốc hạt Van de Graff chùm nơtron phin lọc từ lị phản ứng nghiên cứu Vì lý và tồn đã nêu, việc nghiên cứu phát triển kỹ thuật tạo nơtron lượng trung gian, đặc biệt là nơtron đơn lò phản ứng nghiên cứu công suất nhỏ và máy gia tốc phục vụ đo số liệu hạt nhân nước quan tâm Ở Việt Nam, từ năm 1990, kỹ thuật phin lọc đã áp dụng thành cơng kênh ngang sớ (KS4) lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt để tạo chùm nơtron phin lọc nhiệt, 55 keV 144 keV phục vụ nghiên cứu đo đạc thực nghiệm số liệu hạt nhân, phân tích ngun tớ phương pháp PGNAA, chụp ảnh nơtron và đào tạo nhân lực [1] Trong bối cảnh hiện nay, nước ta tiến đến sản xuất điện nguyên tử và tăng cường phát triển ứng dụng phi điện khoa học và kỹ thuật hạt nhân, phục vụ phát triển chung kinh tế xã hội Để góp phần nâng cao tiềm lực sở nghiên cứu vật lý hạt nhân và đào tạo nhân lực, việc nghiên cứu phát triển số chùm nơtron phin lọc đơn sở kênh ngang lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt và nghiên cứu, ứng dụng liên quan thực hiện luận án này Đề tài luận án đặt nhằm mục tiêu: Tạo chùm nơtron phin lọc dải lượng keV nâng cao chất lượng chùm nơtron 55 keV và 144 keV hiện có KS4 lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt 2 Nghiên cứu tiết diện nơtron toàn phần vật liệu lò phản ứng chùm nơtron phin lọc đơn dải keV Nghiên cứu đặc trưng phổ phát xạ gamma từ phản ứng bắt nơtron nhiệt vật liệu lò phản ứng Nội dung luận án Với mục tiêu nêu trên, luận án cần giải nội dung sau: Phát triển hai chùm nơtron phin lọc 59 keV 133 keV sử dụng chương trình tính tốn mơ Monte Carlo MCNP5 Tính tốn nâng cao chất lượng chùm nơtron hiện có 55 keV 144 keV với độ đạt 98% Đo đạc thực nghiệm đặc trưng chùm nơtron phin lọc 54 keV, 59 keV, 133 keV 148 keV hệ phổ kế prôton giật lùi Xác định thực nghiệm tiết diện nơtron toàn phần vật liệu cấu trúc lò phản ứng 12C, 93Nb 238U chùm nơtron phin lọc 24 keV, 54 keV, 59 keV, 133 keV 148 keV Xác định thực nghiệm phổ phát xạ gamma từ phản ứng bắt nơtron nhiệt vật liệu chuẩn cho phương pháp PGNAA là 36Cl vật liệu cấu trúc lò phản ứng 49Ti Đóng góp luận án Tạo 02 chùm nơtron phin lọc 59 keV 133 keV với độ đạt 93%, thông lượng nơtron vị trí chiếu mẫu 5,2 105 3,3 105 n.cm.s Các chùm nơtron phin lọc phát triển sở vật liệu -1 tự nhiên có giá thành phù hợp với điều kiện nghiên cứu Việt Nam, đảm bảo chất lượng cho việc nghiên cứu số liệu hạt nhân Xây dựng hệ phổ kế prơton giật lùi hồn thiện phương pháp đo và xử lý số liệu thực nghiệm đo tiết diện nơtron toàn phần kỹ thuật đo truyền qua Phương pháp và thiết bị này đã ứng dụng thành công việc đo số hydro mẫu đá móng dầu khí 3 Cung cấp số liệu hạt nhân tiết diện nơtron toàn phần vật liệu cấu trúc lò phản ứng C, Nb U lượng đơn 24 keV, 54 keV, 59 keV, 133 keV 148 keV với sai số thực nghiệm 92% phục vụ đo đạc số liệu hạt nhân ứng dụng liên quan lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Xây dựng hệ đo nơtron, hoàn thiện phương pháp đo và xử lý số liệu thực nghiệm đo tiết diện nơtron toàn phần kỹ thuật đo nơtron truyền qua Hệ thiết bị và phương pháp là công cụ tốt cho nghiên cứu bản, nghiên cứu ứng dụng và đào tạo Số liệu tiết diện nơtron toàn phần vật liệu cấu trúc lò phản ứng 12C, 93 Nb 238 U dải lượng keV với sai sớ 90% lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt cơng cụ hữu ích nghiên cứu định chuẩn liều nơtron, chuẩn thiết bị ghi đo nơtron và nghiên cứu ảnh hưởng xạ lên tính chất vật liệu theo lượng nơtron Việc hoàn thiện mặt thiết bị phương pháp đo tiết diện nơtron toàn phần kỹ thuật đo truyền qua chùm nơtron phin lọc lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã mở hướng nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn việc cung cấp số liệu hạt nhân vùng cộng hưởng khơng phân giải cần thiết cho tính tốn thiết kế lị phản ứng tham sớ cộng hưởng nơtron trung bình, hệ sớ tự che chắn cộng hưởng, Góp phần tham gia vào hoạt động đo đạc số liệu hạt nhân vùng lượng trung gian Trong lĩnh vực đào tạo cán là công cụ vật lý hạt nhân thực nghiệm Bố cục luận án Luận án bố cục gồm phần mở đầu, nội dung, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục Nội dung chia làm bốn chương: Chương Tổng quan; Chương Phương pháp nghiên cứu và thiết bị thực nghiệm; Chương Thực nghiệm Chương Kết và thảo luận CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nguồn nơtron Mô tả tổng quan nguồn nơtron, số kỹ thuật xác định lượng nơtron đơn và tình hình nghiên cứu ứng dụng chùm nơtron giới và Việt Nam 1.1.1 Nguồn nơtron đồng vị Trình bày loại nguồn nơtron đồng vị nguồn nơtron từ phản ứng (, n), (α, n); nguồn nơtron từ phân hạch đồng vị 252Cf 1.1.2 Nguồn nơtron từ máy gia tốc Trình bày loại phản ứng để tạo nơtron từ máy gia tốc phản ứng (p, n), (d, n), (, n) 1.1.3 Nguồn nơtron từ lị phản ứng Trình bày loại nơtron lò phản ứng bao gồm nơtron nhiệt, nơtron trung gian và nơtron nhanh 1.2 Một sớ kỹ thuật xác định lượng nơtron Trình bày số kỹ thuật tạo chùm nơtron hiện phổ biến giới bao gồm: Kỹ thuật thời gian bay; Kỹ thuật chon lọc học; Kỹ thuật nhiễu xạ tinh thể và Kỹ thuật phin lọc nơtron 1.3 Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án giới Mục này trình bày trình phát triển chùm nơtron hai thiết bị là máy gia tớc và lị phản ứng nghiên cứu Sự phát triển kỹ thuật phin lọc nơtron để tạo chùm nơtron từ eV đến MeV loại thiết bị này đã phịng thí nghiệm giới phát triển Trên sở chùm nơtron từ loại thiết bị nêu trên, hướng nghiên cứu số liệu hạt nhân thực nghiệm tiết diện phản ứng nơtron với hạt nhân tiến hành để xác định tham sớ phản ứng hạt nhân Độ xác tham số này là yếu tố quan trọng mơ hình tính tốn lý thuyết để tạo thư viện số liệu hạt nhân phục vụ tính tốn thiết kế lị phản ứng và ứng dụng liên quan Vấn đề hiện tiếp tục nghiên cứu là đo thực nghiệm nhằm nâng cao chất lượng số liệu hạt nhân vùng lượng trung gian (dải keV) 1.4 Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án Việt Nam Mục này trình bày kỹ thuật phin lọc nơtron đã áp dụng kênh ngang sớ lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt và nghiên cứu và nghiên cứu ứng dụng chùm nơtron phin lọc bao gồm: Đo thực nghiệm tiết diện bắt xạ nơtron trung bình và tiết diện nơtron toàn phần chùm nơtron 55 keV 144 keV Phân tích định lượng ngun tớ đới tượng mẫu địa chất và sinh học phương pháp PGNAA Vấn đề tồn giai đoạn này là sớ lượng chùm nơtron phin lọc cịn ít, hệ thớng thiết bị khơng cịn đáp ứng nhu cầu đo sớ liệu hạt nhân chất lượng cao Vì mục tiêu luận án là phát triển chùm nơtron phin lọc mới, xây dựng và hoàn thiện hệ thống thiết bị, phương pháp đo và xử lý số liệu hạt nhân chùm nơtron phin lọc lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Phương pháp tạo chùm nơtron phin lọc đơn 2.1.1 Cơ sở phương pháp phin lọc nơtron Mục này trình bày nguyên lý kỹ thuật phin lọc nơtron, cách chọn lựa vật liệu làm phin lọc 2.1.2 Các tiêu chí lựa chọn thành phần, kích thước vật liệu phin lọc Trình bày loại vật liệu lựa chọn làm phin lọc, tiêu chí lựa chọn phin lọc và phin lọc phụ Lựa chọn kích thước phin lọc cho độ chùm đạt tối đa 2.1.3 Xác định thông số chùm nơtron phin lọc Trình bày phương pháp xác định thông số chùm nơtron phin lọc thông lượng nơtron và độ rộng chùm nơtron 2.2 Phương pháp nghiên cứu vấn đề vật lý 2.2.1 Phương pháp đo tiết diện nơtron toàn phần Phần này trình bày nguyên lý phương pháp xác định tiết diện nơtron toàn phần kỹ thuật đo truyền qua Cách xác định tiết diện nơtron toàn phần thông qua tỉ số số nơtron truyền qua mẫu và số nơtron ban đầu và lưu ý bố trí thí nghiệm đo truyền qua 2.2.2 Phương pháp đo phổ phát xạ gamma từ phản ứng bắt nơtron nhiệt Phần này trình bày nguyên lý phương pháp phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời (PGNAA) và phương pháp xác định cường độ tia gamma tức thời từ phản ứng với nơtron nhiệt 2.3 Các thiết bị thực nghiệm Phần này đưa hệ thống thiết bị cho nghiên cứu nêu là 1) Hệ phổ kế prôton giật lùi sử dụng để đo phổ lượng chùm nơtron phin lọc và tiết diện nơtron toàn phần và 2) Hệ phổ kế gamma sử dụng để ghi nhận phổ gamma từ phản ứng bắt nơtron nhiệt nhằm xác định cường độ tia gamma tức thời 2.4 Đối tượng mẫu nghiên cứu Mẫu nghiên cứu bao gồm C, Nb, U, Cl và Ti lựa chọn cho luận án thuộc nhóm vật liệu chuẩn phương pháp và vật liệu cấu trúc lò phản ứng CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 3.1 Thực nghiệm tạo chùm nơtron phin lọc đơn 3.1.1 Tính tốn phổ lượng chùm nơtron phin lọc Các tính tốn phổ nơtron phin lọc thực hiện phương pháp Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP5 và so sánh với chương trình CFNB Tính tốn cho hai chùm nơtron là 59 và 133 keV Tính tốn lại chùm 55 và 144 keV với lượng xác là 54 và 148 keV 3.1.2 Tính tốn nâng cao chất lượng chùm nơtron 54 keV 148 keV Phần này trình bày phương pháp tăng độ chùm 54 và 148 keV đạt đến 98% cách tăng cường phin lọc phụ nhằm cắt nơtron không mong muốn 3.1.3 Thực nghiệm đo phổ nơtron phin lọc Phổ prôton giật lùi nơtron phin lọc đơn có dạng bậc thang tương ứng với lượng chùm Thành phần phông gamma có chùm nơtron xác định cách chắn chùm với 10 cm parafin pha B4C, toàn nơtron bị bắt vật liệu này Phổ prôton giật lùi sau từ phông gamma lấy vi phân để xác định lượng nơtron phin lọc Bảng 4.6 Đối với hạt nhân 93Nb lại có khác biệt lớn số liệu đánh giá từ thư viện, khoảng 8% lượng 24 keV Trong dải lượng keV nêu trên, số liệu thực nghiệm luận án lớn số liệu đánh giá từ 2,6% đối với thư viện ENDF /B VII.1 và thấp 5% đối với thư viện JENDL 4.0 Bảng 4.6 Tiết diện nơtron toàn phần 93Nb dải lượng keV En (keV) ENDF/B VII.1 (barn) JENDL 4.0 (barn) Luận án (barn) 24 ± 5,2 54 ± 6,6 59 ± 9,7 133 ± 10,6 148 ± 34,4 7,80 8,84 8,93 9,48 9,49 8,42 9,14 9,28 9,67 9,66 8,01 ± 0,19 9,10 ± 0,13 9,14 ± 0,18 9,58 ± 0,13 9,48 ± 0,12 Độ lệch (%) JENDL/ ENDF 7,9 3,4 4,0 1,9 1,8 L.A/ ENDF 2,6 2,9 2,4 1,0 -0,1 L.A/ JENDL -4,9 -0,4 -1,5 -0,9 -1,9 Số liệu thực nghiệm tiết diện nơtron toàn phần 93Nb luận án và cơng trình trước so sánh với số liệu đánh giá Hình 4.2 Có thể nhận thấy nghiên cứu thực nghiệm với hạt nhân 93Nb đã tiến hành từ lâu và gần thực hiện Grigoriev [6] năm 2002 Từ chưa có kết nào cập nhật thư viện EXFOR dải lượng 10 keV MeV Hình 4.2 Tiết diện nơtron toàn phần 93Nb dải lượng keV Các nghiên cứu phát triển chùm nơtron phin lọc từ lò phản ứng kỹ thuật phin lọc nơtron và chopper đã Jain (1965) [10], Grigoriev (1983) 18 [5] Aizawa (1986) [2] thực hiện Trên chùm nơtron dải keV này, tiết diện nơtron toàn phần hạt nhân 93Nb đã xác định thực nghiệm với sai số thực nghiệm từ 0,8 10% So sánh kết cơng trình này với sớ liệu đánh giá thư viện thấy có sai khác lớn từ 20% Các nghiên cứu tiết diện nơtron toàn phần 93Nb dải lượng từ 1,1 950 keV máy gia tốc thực hiện Uttley (1966) [20], Filippov (1968) [4] Poenitz (1983) [16] sai số thực nghiệm từ 7% Các giá trị thu dải lượng từ 10 300 keV lại có sai khác lớn lên đến 7% so với giá trị từ thư viện Từ Hình 4.2 có nhận xét số liệu thực nghiệm luận án với sai số thực nghiệm