Chuyên đề nghiên cứu sinh: Phát triển dòng nơtron nhiệt trên cơ sở kênh ngang số 2 của lò phản ứng Đà Lạt và khả năng ứng dụng trong thực nghiệm đo số liệu hạt nhân

0 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ___________________ PHẠM NGỌC SƠN PHÁT TRIỂN DÒNG NƠTRON NHIỆT TRÊN CƠ SỞ KÊNH NGANG SỐ 2 CỦA LÒ PHẢN ỨNG ĐÀ LẠT VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG THỰC NGHIỆM ĐO SỐ LIỆU HẠT NHÂN CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. VƯƠNG HỮU TẤN 2. TS. MAI XUÂN TRUNG ĐÀ LẠT, THÁNG 10/2012 1 MỤC LỤC Trang Tóm tắt 2 I. ĐẶT VẤN ĐỀ 3 II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5 2.1. Thiết kế hệ dẫn dòng nơtron bằng kỹ thuật phin lọc 5 2.2. Thiết kế hệ thống các khối chuẩn trực bên trong kênh 2 8 2.3. Các phương pháp tính toán và mô phỏng Monte Carlo 10 2.4. Phát triển bộ phin lọc nơtron nhiệt 20 III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24 IV. KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 2 TÓM TẮT Một hệ thiết bị dẫn dòng nơtron bằng kỹ thuật phin lọc bao gồm hệ phin lọc, hệ chuẩn trực và cấu trúc che chắn bức xạ đã được tính toán thiết kế, tối ưu hóa bằng kỹ thuật mô phỏng Monte-Carlo. Toàn bộ hệ thiết bị dẫn dòng nơtron này đã được triển khai thiết kế, chế tạo và lắp đặt thành công trên kênh nơtron số 2 của lò phản ứng Đà lạt, để dẫn dòng nơtron nhiệt từ lò phản ứng phục vụ các thí nghiệm nghiên cứu đo số liệu hạt nhân. Qua các kết quả khảo sát và thử nghiệm có thể đánh giá một cách khách quan rằng dòng nơtron nhiệt có chất lượng tốt và đã đáp ứng mục tiêu đặt ra là có khả năng ứng dụng để đo số liệu hạt nhân và các ứng dụng khác liên quan đến phản ứng (n, γ). 3 I. ĐẶT VẤN ĐỀ Tổng quan tình hình nghiên cứu ở ngoài nước: Một trong những phương pháp tạo dòng nơtron chuẩn đơn năng cường độ mạnh nhất hiện nay trong vùng năng lượng keV là các chùm nơtron phin lọc trên cơ sở các kênh ngang của lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu. Phương pháp tạo ra dòng nơtron phin lọc đã được phát triển trên thế giới trong vài thập niên qua. Các dòng nơtron phin lọc từ lò phản ứng nghiên cứu có khả năng ứng dụng trong việc cung cấp số liệu thực nghiệm có độ chính xác cao về tiết diện phản ứng hạt nhân trong vùng năng lượng từ 0.4keV đến vài trăm keV. Xuất phát từ những ưu điểm quan trọng này, IAEA đã đề xuất các chương trình hợp tác quốc tế nhằm khuyến khích phát triển các dòng nơtron phin lọc theo một tiêu chuẩn thống nhất về phin lọc nơtron và bia mẫu [2], để cung cấp số liệu hạt nhân thực nghiệm chất lượng cao cho chương trình phát triển hệ thống cơ sở dữ liệu thực nghiệm về số liệu hạt nhân Quốc tế EXPOR. Kỹ thuật phin lọc nơtron trên cơ sở các kênh nơtron nằm ngang từ lò phản ứng có ưu điểm là cho phép người sử dụng nhận được dòng nơtron đơn năng và có cường độ tương đối cao so với nhiều kỹ thuật khác. Ngoài ra, các dòng nơtron phin lọc từ lò phản ứng còn có phông gamma thấp và được chuẩn trực rất tốt (đường kính của chùm cỡ 4-40 mm). Các ưu điểm này cùng với cường độ chùm nơtron cao (thông lượng 10 6 -10 8 n/cm 2 /s) cho phép sử dụng các chùm nơtron phin lọc trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng như đo đạc số liệu hạt nhân, nghiên cứu vật liệu, nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và phản ứng hạt nhân, nghiên cứu vật lý thiên văn và y học hạt nhân, [5-13]. 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, để làm phin lọc và đã nhận được các dòng nơtron chuẩn đơn năng 0.498, 1.772 , 1.866, 4.302, 12.67, 17.63, 24.34, 58.8, 133.3, 148.3, 275.0 và 313.7 keV. Trên cơ sở các dòng nơtron phin lọc này, các nghiên cứu thực nghiệm về tiết diện phản ứng nơtron 4 Tổng quan 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 15,2 cm, trong đó có 3 kênh xuyên tâm và 1 kênh tiếp tuyến. Cho đến nay đã có 3 kênh ngang được đưa vào sử dụng là kênh tiếp tuyến số 3, kênh xuyên tâm số 2 và 4. Các dòng nơtron phin lọc từ kênh ngang số 3 và số 4 đã được đưa vào sử dụng từ những năm 1990 phục vụ các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng [5]. Năm 1990 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 10 4 -10 6 n/cm 2 /s thích hợp cho các nghiên cứu số liệu phản ứng hạt nhân với nơtron. Các dòng nơtron đơn năng cao trên kênh ngang số 4 bao gồm: nhiệt, 54keV, 148keV đã được phát triển và đưa vào sử dụng từ những năm 1990; và các dòng nơtron đơn năng mới 24keV, 59keV và 133keV đã được phát triển vào năm 2008 [5]. Năm 1988 kênh tiếp tuyến số 3 được đưa vào sử dụng phục vụ hướng nghiên cứu phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời (PGNAA), chụp ảnh nơtron và các thí nghiệm đo nơtron truyền qua. Hiện nay, dòng nơtron nhiệt từ kênh ngang số 3 đang được sử dụng cho mục đích 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. Trên cơ sở các thông tin tổng quan đã phân tích ở trên, nội dung nghiên cứu phát triển dòng nơtron nhiệt trên cơ sở kênh ngang số 2 của lò phản ứng Đà Lạt để phục vụ đo số liệu hạt nhân thực nghiệm và các ứng dụng liên quan là rất cần thiết. Mục tiêu đặt ra trong chuyên đề này là tập trung nghiên cứu tính toán 5 II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Thiết kế hệ dẫn dòng nơtron bằng kỹ thuật phin lọc Trên cơ sở các số liệu về cấu trúc thiết kế của kênh ngang xuyên tâm số 2 của lò phản ứng Đà lạt, hệ dẫn dòng nơtron trên kênh ngang số 2 đã được đề xuất thiết kế ban đầu. Bản thiết kế ban đầu này có ý nghĩa quan trọng về mô hình tổng quát, các thông số chi tiết như tỷ lệ thành phần vật liệu, cấu trúc hình học và kích thước của các yếu tố thành phần chỉ có tính chất ước lượng gần đúng. Trên cơ sở mô hình thiết kế tổng quát này, phương pháp Monte Carlo đã được áp dụng để tối ưu hoá mô hình thiết kế. Quá trình tính toán mô phỏng được thực hiện lặp lại nhiều lần để điều chỉnh và chính xác hoá các yếu tố chi tiết của mô hình thiết kế. Sau khi tất cả các tham số đã được tính toán điều chỉnh phù hợp, bản thiết kế ban đầu đã được tối ưu hoá trên cơ sở thỏa mãn các yêu cầu sau: - Suất liều gamma và nơtron bên ngoài kênh < 10μSv/h, - Thông lượng nơtron nhiệt tại lối ra ≥ 10 6 n/cm 2 /s, - Tiết diện ngang của dòng nơtron có đường kính 3cm, - Giảm thiểu được cấu trúc che chắn phức tạp bên ngoài kênh, - Có cơ chế tháo lắp dễ dàng. Hệ dẫn dòng nơtron theo thiết kế có dạng hình trụ; tổng chiều dài là 153 cm; đường kính trong là 9,4 cm; đường kính ngoài gồm 2 phần liên kết cố định với nhau: phần thứ nhất (hướng vào phía vành phản xạ của lò phản ứng) có chiều dài 99,6 cm với đường kính ngoài là 15 cm khớp với đường kính trong (φ = 15,2 cm) của ống dẫn kênh 2 bằng nhôm (inner part) và phần thứ 2 có chiều dài 50,7 cm với đường kính ngoài là 20,1cm khớp với phần đường kính trong (φ = 20,3 cm) của ống dẫn kênh 2 bằng thép (outer part). 6 Mặt ngoài của hệ dẫn dòng là một vỏ bọc được chế tạo bằng vật liệu nhôm dày 4mm; mặt trong là một ống nhôm dày 2,5 mm. Mặt đáy trong là một vành bằng nhôm dày 3cm có dạng hình côn có tác dụng dẫn hướng, để tạo ra sự dễ dàng trong quá trình lắp đặt, đường kính ngoài 15cm khớp với mặt ngoài bằng ren vặn, đường kính trong là 6,5cm và chuẩn tâm cho mặt trong. Mặt đáy trong ngoài chức năng dẫn hướng, còn có chức năng chính là tạo ra sự liên kết kín giữa mặt trong và mặt ngoài, chốt phin lọc và ống chuẩn trực không vượt ra khỏi hệ dẫn dòng. Mặt đáy ngoài là một vành tròn bằng nhôm dày 2,7cm, đường kính ngoài 15cm khớp với mặt ngoài bằng ren vặn, đường kính trong là 9,4cm khớp và chuẩn tâm cho mặt trong. Trên mặt đáy ngoài này có hai lỗ ren φ= 8mm và khe tiện theo rãnh hình chữ L có tác dụng để tạo ra sự liên kết với thanh đẩy trong quá trình lắp đặt hoặc tháo ra. Ngoài ra mặt đáy ngoài cũng có chức năng tạo ra sự liên kết kín và vững chắc giữa mặt ngoài và mặt trong. Phần không gian của hình trụ giữa các mặt trong và mặt ngoài được lấp đầy bằng hợp chất hấp thụ nơtron SWX-277 ( chứa 1,56% Bo, 3.44x10 22 nguyên tử Hydro/cm 3 ) và 3 cm chì tiếp giáp với mặt đáy ngoài. Phần không gian hình trụ bên trong và đồng trục với hệ dẫn dòng có đường kính 9,4cm được sử dụng để lắp ống đựng các phin lọc nơtron (neutron filter holding tube). Tại vị trí tiếp giáp giữa mặt đáy trong của hệ dẫn dòng và ống đựng phin lọc được lắp hai vành khuyên Boron-Carbide dày 2mm x 2, đường kính ngoài 9,35cm, đường kính trong 6,5cm và một vành trụ bằng chì dày 5cm, đường kính ngoài 9,35cm đường kính trong 6,5cm. Các vành Boron-Carbide và Chì này có chức năng giảm thiểu được suất liều bức xạ nơtron và gamma qua các khe hở giữa ống đựng phin lọc và hệ dẫn dòng, từ đó giảm thiểu được phông bức xạ và khối lượng vật liệu che chắn bên ngoài kênh 2; ngoài ra chúng còn có tác dụng hạn chế sự kích hoạt nơtron đối với ống đựng phin lọc và các vỏ bọc phin lọc nơtron. Ống đựng phin lọc là một ống bằng nhôm dài 141,8cm, đường kính ngoài 9,0cm, đường kính trong 8,4cm. Dọc theo ống đựng phin lọc có gia công một rãnh thoát không liên tục có tác dụng thoát khí và chống kẹt phin lọc ở bên trong, ở phía sát mặt trong có gia công một chốt chặn để cố định vị trí phin lọc và ở sát mặt ngoài có gia Hình 2.1. Bản vẽ thiết kế hệ dẫn dòng nơtron bằng kỹ thuật phin lọc, tại kênh ngang số 2. Hình 2.2. Mô hình thiết kế hệ dẫn dòng nơtron bằng kỹ thuật phin lọc trên kênh ngang số 2, mô tả bằng chương trình MCNP5. 7 2.2. Thiết kế hệ thống các khối chuẩn trực bên trong kênh 2 Sau khi truyền qua bộ phin lọc nơtron có chiều dài cực đại là 140cm, dòng nơtron sẽ được chuẩn trực đến vị trí chiếu mẫu qua hệ thống các ống chuẩn trực với đường kính chùm là 3cm. Hệ các ống chuẩn trực, có các mức đường kính khác nhau là φ ngoài = 20,1cm, φ giữa = 12cm, φ trong = 3cm, bao gồm: 3 lớp vật liệu chuẩn trực dọc theo chiều của dòng nơtron. Các lớp chuẩn trực được chế tạo từ vật liệu Pb tổng chiều dài là 30cm và 5 lớp chuẩn trực chế tạo từ vật liệu Borated + Hydrogenated Concrete (SWX-277 chứa 1.56% B) tổng chiều dài là 60 cm. Bản vẽ thiết kế ống chuẩn trực được mô tả trên Hình 2.3. Các lớp chuẩn trực khác loại được thiết kế xen kẽ nhau. Ở vị trí cách lối ra của kênh khoảng 30cm, là khối chuẩn trực bằng thép không rỉ, dày 7cm, nặng 25kg, được thiết kế vừa có chức năng che chắn bức xạ gamma vừa có chức năng bảo đảm kín nước chủ động cả khi kênh mở cũng như khi kênh ở trạng thái đóng. Hình 2.3. Bản vẽ thiết kế ống chuẩn trực Nơtron và Gamma trên kênh 2 (đơn vị mm). Mô hình thiết kế tổng thể toàn bộ hệ thống dẫn dòng nơtron và chuẩn trực bên trong kênh 2 được mô tả trên Hình 2.4. 8 Hình 2.4. Mô tả vị trí lắp đặt hệ thống dẫn dòng nơtron và kín nước vào bên trong kênh ngang số 2. 1: Hệ dẫn dòng nơtron, 2: Các phin lọc nơtron, 3: Vỏ nhôm của hệ dẫn dòng, 4: Khối cản chắn bức xạ bằng thép, 5: Ống chuẩn trực nơtron và gamma, 6: Các khối che chắn bức xạ gamma và nơtron, 7: Hệ bảo đảm kín nước, 8: Khối cản xạ của kênh ngang số 2, 9: Cửa sắt của kênh ngang số 2, 10: Thành bê tông lò phản ứng. 2.3. Các phương pháp tính toán và mô phỏng Monte Carlo Phương pháp tính toán dòng nơtron phin lọc 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: (i) 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%). (ii) Gia công, lắp đặt phin lọc và chuẩn trực dòng nơtron. (iii) Đo và kiểm tra thực nghiệm đỉnh năng lượng, thông lượng và độ sạch đơn năng. Trong nội dung này, chúng tôi trình bày các kết quả tính toán nhằm chọn lựa 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 nhiệt từ kênh ngang số 2 của lò phản ứng Đà Lạt. Các kết quả này sẽ là số liệu cần thiết để tiến hành phát triển dòng nơtron phin lọc nhiệt trên kênh ngang số 2. 9 [...]... lượng nơtron giảm khi tăng khoảng cách chiếu mẫu Đánh giá khả năng ứng dụng đo số liệu hạt nhân thực nghiệm: Để đánh giá khả năng ứng dụng dòng nơtron phin lọc nhiệt mới phát triển trên kênh nơtron số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, một số thí nghiệm đo tiết diện phản ứng bắt bức xạ nơtron nhiệt đối với các hạt nhân V-51, Ti- 52, và Hf180 đã được tiến hành và so sánh kết quả đo thực nghiệm với số liệu. .. tốn tối ưu và phát triển dòng nơtron phin lọc tại năng lượng nhiệt (En = 0. 025 eV) trên cơ sở kênh nơtron số 2 của lò phản ứng Đà Lạt đã được thực hiện hồn chỉnh và đưa vào sử dụng Dòng nơtron nhiệt sau khi phát triển đã được ứng dụng thử nghiệm để đo số liệu tiết diện phản ứng bắt bức xạ nơtron đối với một số hạt nhân V-51, Ti- 52, và Hf-180; từ kết quả so sánh với số liệu từ thư viện ENDF B/7 và JENDL... lượng En=0. 025 eV 30 IV KẾT LUẬN Qua các kết quả tính tốn và khảo sát, có thể đánh giá rằng dòng nơtron phin lọc nhiệt trên kênh ngang số 2 của lò phản ứng Đà Lạt sẽ là một cơ sở thiết bị dòng hạt nơtron (neutron beam) có chất lượng tốt và có khả năng sử dụng tốt trong cơng tác đo đạc số liệu hạt nhân thực nghiệm và các ứng dụng liên quan đến phản ứng (n,γ) Mục tiêu đặt ra của chun đề là nghiên cứu tính... 13.07 12. 92 Các kết quả thực nghiệm được mơ tả trong Bảng 3.6 cho thấy rằng có sự phù hợp tốt khi so sánh với số liệu đã được đánh giá trong các thư viện số liệu hạt nhân ENDF B/7, JENDL 3.3 và có thể nhận định rằng dòng nơtron nhiệt mới phát triển trên kênh ngang số 2 của lò phản ứng Đà Lạt hồn tồn ứng dụng được để xác định số liệu thực nghiệm về tiết diện phản ứng bắt bức xạ nơtron (n,γ) với năng lượng... trục của dòng nơtron tại kênh ngang số 2 Hình 3.5 Mơ phỏng Monte Carlo sự phân bố mật độ nơtron theo tiết diện ngang tại vị trí chiếu của dòng nơtron phin lọc tại kênh ngang số 2, đường kính dòng nơtron 3cm 28 Hình 3.6 Phổ gamma từc thời của mẫu Ti đo thực nghiệm trên dòng nơtron phin lọc nhiệt tại kênh ngang số 2 Hình 3.8 Phổ nơtron đo thực nghiệm trên hệ phổ kế nơtron dùng ống đếm He3 mới lắp đặt trên. .. giá trong File thư viện số liệu hạt nhân ENDF B/VII và JENDL 3.3 Bảng 3.6 Kết quả đo số liệu tiết diện bắt bức xạ nơtron đối với các hạt nhân V-51, Ti 52, và Hf-180 sử dụng dòng nơtron nhiệt trên kênh 2 của lò phản ứng đà Lạt Năng lượng tia gamma T1 /2 σ (barn) σ (barn) σ (barn) This work ENDF B/7 JENDL 3.3 Hạt nhân bia (keV) (h) V-51 4. 92 4. 92 1434 0.0 62 4.09 Ti-50 320 0.096 0.17 0.18 0.18 H-180 4 82. 2... trị thực nghiệm trích dẫn trong các tài liệu [18,19] Các số liệu tính tốn kết hợp với số liệu trong thư viện số liệu hạt nhân JENDL4.0 để tính tốn, đánh giá phổ năng lượng và các tham số của dòng nơtron nhiệt qua phin lọc tại kênh ngang số 2 của lò phản ứng Đà Lạt Tính tốn phân bố phổ năng lượng của dòng nơtron nhiệt Phổ nơtron nhiệt tạo thành sau phin lọc đơn tinh thể Silic và Bismuth với các độ dài... sử dụng Hình 2. 20 Hình ảnh phin lọc Silic sau khi gia cơng 21 Hình 2. 21a Hình ảnh mơ tả các phin lọc nơtron nhiệt bằng tinh thể Si sau khi chế tạo Hình 2. 21b Hình ảnh mơ tả các phin lọc nơtron nhiệt bằng tinh thể Bi sau khi chế tạo 22 III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các thơng số đặc trưng của dòng nơtron nhiệt trên kênh 2: Các thơng số đặc trưng của dòng nơtron phin lọc nhiệt mới phát triển trên kênh 2 bao... và gamma trên kênh 2 3.0 3 .2 1.8 1 .2 34 3 .2 2.5 4.4 34 3 .2 2.5 0.8 0.5 4.4 3.0 3 .2 1.8 1 .2 0.5 0.8 0.5 Hình 2. 17 Kết quả mơ phỏng dòng hạt và tính tốn liều bức xạ nơtron đối với mơ hình thiết kế (suất liều μSv/h tại các vị trí sát kênh và khoảng cách 1m) 19 2. 4 Phát triển bộ phin lọc nơtron nhiệt Trên cơ sở các kết quả tính tốn trên đây, bộ phin lọc nơtron nhiệt đã được chế tạo để lắp đặt vào bên trong. .. trong kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Các vật liệu đã sử dụng để làm phin lọc là đơn tinh thể Silic và đơn tinh thể Bismuth như mơ tả trên Hình 2. 18 và 2. 19 Hình 2. 18 Đơn tinh thể Silic được sử dụng để làm phin lọc nơtron nhiệt Hình 2. 19 Đơn tinh thể Bismuth được sử dụng để làm phin lọc nơtron nhiệt Thành phần đơn tinh thể Silic có chức năng chính là cho phép thành phần nơtron nhiệt . được trên cơ sở dòng nơtron nhiệt từ kênh ngang số 2 của lò phản ứng Đà Lạt. Các kết quả này sẽ là số liệu cần thiết để tiến hành phát triển dòng nơtron phin lọc nhiệt trên kênh ngang số 2. 9. sở kênh ngang số 2 của lò phản ứng Đà Lạt để phục vụ đo số liệu hạt nhân thực nghiệm và các ứng dụng liên quan là rất cần thiết. Mục tiêu đặt ra trong chuyên đề này là tập trung nghiên cứu. PHÁP NGHIÊN CỨU 2. 1. Thiết kế hệ dẫn dòng nơtron bằng kỹ thuật phin lọc Trên cơ sở các số liệu về cấu trúc thiết kế của kênh ngang xuyên tâm số 2 của lò phản ứng Đà lạt, hệ dẫn dòng nơtron trên