Lò phản ứng thử nghiệm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN -*** Đề tài: GVHD: PGS.TS CHÂU VĂN TẠO GVHD: Prof SHIRAI SVTH: NGUYỄN THỊ HỒNG CÚC ………… TP HỒ CHÍ MINH-2010 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân, giảng dạy quý Thầy Cô Bộ Môn em Bộ Môn tạo hội cho em học tập với giáo sư nước Thầy Cherry, Thầy Ihatashi Thầy E.shirai Những lần học giúp em mở rộng thêm kiến thức nhiều Em xin chân thành cám ơn Thầy Cô nhiều! MỤC LỤC Danh mục hình vẽ, đồ thị I Giới thiệu II Các vấn đề 2.1 Điều kiện tới hạn 2.2 Động lực học lò phản ứng 2.3 Tốc độ sinh nhiệt III Thí nghiệm toàn 3.1 Tốc độ phản ứng 3.2 Phổ neutron 3.3 Lò rỉ neutron 11 3.4 Những thí nghiệm tới hạn 11 3.5 Đo xáo trộn lò 12 3.6 Thực nghiệm nguồn xung 12 IV Sự tương quan điển hình 13 Tài liệu tham khảo 16 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 3.1.1: Tốc độ phản ứng quan sát 239Pu 235U tương ứng với 10Bo Hình 3.1.2: Cấu trúc tinh tế phân bố thông lượng điển hình…………………… Hình 3.2.1: Phổ neutron điển hình…………………………………………………….10 Hình 4.1: Sự suy biến 00 (∫ ) …………………………………14 Hình 4.2: Sự suy biến bề mặt thể loại chất…………………………………………….15 LÒ PHẢN ỨNG THỬ NGHIỆM Việc thiết kế, xây dựng hoạt động thành công lò phản ứng hạt nhân đòi hỏi phải biết rõ thông tin chi tiết liên quan đến tương tác xạ khác với vật chất Theo nguyên lý, điều đạt từ kiến thức nguyên tử đặc tính hạt nhân kết hợp với phân tích toán học Thực tế, ta cần phải biết các tính toán tích phân Các thí nghiệm đo lường kết hợp nguyênt tử khác đặc trưng hạt nhân đoán phân tích toán học Thông tin chi tiết yêu cầu đo khác toàn thảo luận với liệu liên quan cộng với mô hình toán học khác I GIỚI THIỆU: Lò phản ứng hoạt động với uranium tự nhiên vật liệu phân hạch Kết mục đích ban đầu việc nghiên cứu vật lý lò phản ứng đảm bảo lò phản ứng đạt đến trạng thái tới hạn hoạt động máy phát nhiệt Điều đạt với nguyên tố nhiên liệu gom lại, với lò phản ứng mà phổ neutron bao gồm chủ yếu neutron trạng thái cân nhiệt với vật liệu lò phản ứng chất làm chậm thích hợp nước nặng graphit tinh khiết Sự phát triển công nghiệp lò phản ứng hạt nhân đòi hỏi lò phản ứng nên thiết kế với mục đích riêng khác Ví dụ sản xuất điện năng, chế tạo vật liệu phân hạch, đồng vị phóng xạ, neutron có cuờng độ cao Ngoài ra, có nhiều lựa chọn khác cho việc thiết kế lò phản ứng Mục đích việc chế tạo nhiên liệu phân hạch U235, U233, Pu239, Pu241 làm cho việc thiết kế lò phản ứng đạt nhiều hệ thống tới hạn khác Ta phải đánh giá ảnh hưởng vật liệu xây dựng làm lạnh khác nhau, phổ neutron khác nhau, độ phân tán nguyên tố làm nhiên liệu việc sử dụng thorium nguyên liệu làm giàu Việc thiết kế lò phản ứng tốt cho mục đích cụ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố Nó phụ thuộc vào chương trình nghiên cứu vật lý lò phản ứng để cung cấp liệu vật lý cho việc thiết kế II CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN: Có ba vấn đề mà cần phải giải để cung cấp cho nhà thiết kế với thông tin cần thiết Điều kiện để lò phản ứng tới hạn phải đánh giá vào thành phần kích thước lò, nồng độ cách xếp vật liệu lò, nhiệt độ công suất nơi mà lò phản ứng hoạt động; tất điều ảnh hưởng thời gian dài thay đổi loại vật liệu xuất phát từ việc bắt neutron Các đặc điềm động học lò phản ứng tỉ lệ sản xuất nhiệt tất điểm lò phải xem hàm tất biến 2.1 Điều kiện tới hạn: Điều kiện tới hạn miêu tả phương trình liên tục: Số neutron sinh = số neutron hấp thụ - số neutron bị rò rỉ Để giải phương trình đòi hỏi phải có liệu hạt nhân bản; tiết diện neutron số neutron sinh hàm lượng cho trình quan trọng Theo nguyên lý, ta hiểu biết tốt tất số liệu liên quan làm phân bố neutron không gian lượng để tính toán với với số neutron sinh ra, hấp thụ rò rỉ lò phản ứng Tính toán số cần phải có thiết bị máy tính điện tử Thực tế, liệu hoàn hảo vừa chưa sẵn sàng vừa thực nghiệm đo lường liệu hạt nhân không xác với mục đích Ví dụ, sai số 2% số neutron sinh số neutron hấp thụ U235 dẫn đến sai số kích thước tới hạn lò phản ứng có nhiên liệu uranium tự nhiên điển hình, chất làm chậm graphit 6 Do đó, phương pháp chọn để sử dụng liệu hạt nhân sẵn sàng kết hợp với số mô hình toán học đơn giản tính chất neutron lò phản ứng tương quan với dự đoán từ tính chất với thực nghiệm bên Các thí nghiệm bên đo lường kết hợp liệu hạt nhân với dự đoán từ mô hình toán học xác định trạng thái tới hạn thỏa mãn Việc xử lý số liệu hạt nhân mà ta mối tương quan để xác định giá trị phù hợp với kết thực nghiệm việc làm thông thường Một phương pháp tính toán giả thực nghiệm sử dụng phù hợp với thực nghiệm độ tin cậy thích hợp tăng thêm điều liệu hạt nhân phù hợp với đo lường bên khác đo lường 2.2 Động học lò phản ứng: Động học lò phản ứng liên quan đến cường độ phân bố neutron xảy điều kiện tới hạn không thỏa Về nguyên tắc vấn để giải miển liệu đầy đủ thiết bị máy tính sẵn có thực tế cần phải có thí nghiệm bên Thực nghiệm theo dõi tốc độ gia tăng hay giảm cường độ neutron lò phản ứng tới hạn lượng thấp theo giảm hay tăng thêm vật liệu hấp thụ neutron Một thực nghiệm phức tạp loại bao gồm ảnh hưởng thay đổi công suất nhiệt độ theo thay đổi điều kiện làm lạnh trường hợp thực nghiệm BORAX tiến hành U.S.A.E.C Lò thử nghiệm Arco Idaho 2.3 Tốc độ sinh nhiệt: Cần phải xác định phân bố tốc độ sinh nhiệt lò phản ứng cài đặt mạch tiêu hao nhiệt độ đầy đủ Lượng nhiệt tạo kết trao đổi lượng xạ hạt lượng khác lò phản ứng vật liệu lò Vì vậy, ta phải biết phân bố, nguồn gốc hủy diệt xạ hạt Vấn đề đặc biệt quan trọng nhiệt độ vật liệu lò phản ứng phải giới hạn ví dụ cho điều sản sinh nhiệt lượng vành phản xạ che chắn Đối với lò phản ứng sản xuất lượng phân bố nhiệt lượng tạo lõi lò quan trọng điều ảnh hưởng đến toàn nhiệt độ làm lạnh cuối ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt lượng hình thành tuabin Một lần nữa, ta cần đo lường tích phân buồng vật liệu thích hợp Đối với lõi lò, nguồn tạo nhiệt lượng mảnh phân hạch từ nguyên tố nhiên liệu phân bố phân hạch có giá trị Tuy nhiên, vành phản xạ che chắn, phân bố thích hợp gia tăng từ xạ gamma nguồn gamma bắt neutron vấn đề phức tạp III THÍ NGHIỆM TOÀN BỘ: 3.1 Tốc độ phản ứng: Ta đo lường trực tiếp từ buồng lò phản ứng tốc độ phản ứng tương đối vật liệu mà tạo sản phẩm phát Nếu ta biết trình giải thích cho toàn tiết diện hấp thụ neutron việc đo lường thực thi với vật liệu lò phản ứng, sau tốc độ hấp thụ neutron tương đối tính để chèn vào phương trình điều kiện tới hạn Thực tế, hấp thụ neutron vật liệu với tiết diện hấp thụ 1/v đo lường cách sử dụng máy đếm boron, phân hạch neutron đo lường với buồngphân hạch phát sản phẩm phân hạch tứ tấm, hấp thụ neutron 238 U đo lường cách dò tìm phút dò tìm tia X 100keV từ 239 239 U phân rã  với chu kì bán hủy 23 Np Nói chung kỹ thuật khó áp dụng chúng có vài hiệu ứng nhiễu lò phản ứng Ví dụ loại thực nghiệm toàn biểu diễn hình 3.1.1 hình 3.1.2 Hình 3.1.1 so với tốc độ phản ứng quan sát 239 Pu 235 U tương ứng với 10Bo, tốc độ phản ứng mong muốn tính từ liệu tiết diện giả định phổ neutron tuân theo phân bố Maxwell Các đo lường làm phân bố neutron nhiệt khối graphit có nhiệt độ 400oC Hình 3.1.2 biểu diễn tốc độ phản ứng tương đối theo quy luật 1/v hàm vị trí gần với nguyên tố nhiên liệu trung tâm buồng nhiên liệu lò phản ứng Điều gọi cấu trúc tinh tế phân bố thông lượng mà tính không đồng lò phản ứng Hình 3.1.1: Tốc độ phản ứng quan sát 239Pu 235U tương ứng với 10Bo 9 Hình 3.1.2: Cấu trúc tinh tế phân bố thông lượng điển hình Đối với thông lượng neutron đủ lớn công suất lò phản ứng, ta đo lường tốc độ phản ứng phân tích máy đo phổ hóa học máy đo phổ khối vật liệu chiếu xạ Ví dụ, phân tích hóa học uranium tự nhiên bị chiếu xạ xác định nồng độ plutonium tương đối phân bố mẫu Phân tích máy đo phổ khối xác định hàm lượng tương đối đồng vị uranium plutonium khác Từ kết này, ta xây dựng tốc độ phản ứng trình chiếu xạ 3.2 Phổ neutron: Tốc độ phản ứng tích phân tiết diện phản ứng thông lượng neutron lấy toàn không gian lượng Nếu ta biết phổ neutron mối tương quan với lý thuyết cụ thể Các đo lường gián tiếp thực cách sử dụng loại detector khác quan sát tốc độ phản ứng Các đo lường trực tiếp tốt hơn, vài trường hợp kiểm tra Phổ neutron xác định cách sử dụng kỹ thuật chọn lọc vận tốc chuẩn để chùm neutron trích từ lò phản ứng Một kĩ thuật khác sử 10 dụng nguồn neutron từ xung thay nguồn neutron lò để tránh cường độ neutron trung bình cao kết hợp với lần sau Không kĩ thuật thích hợp cho phần phổ neutron gần nhiệt hay neutron nhiệt thích hợp cho nhóm neutron phân hạch ngày Một kết điển hình thể khác phổ neutron nguyên tố nhiên liệu máy điều tiết nhiệt thể hình 3.2.1 Hình 3.2.1: Phổ neutron điển hình Phổ neutron nhiên liệu  Phổ neutron máy điều tiết nhiệt 11 3.3 Lò rỉ neutron: Sự lò rỉ neutron xác định nhiều cách Hệ thống nơi quan trọng mà neutron bị lò rỉ Ví dụ, lò rỉ có liên quan đến tâm phản ứng, lõi cộng với lớp phủ, lõi cộng với vành phản xạ lõi cộng với vành phản xạ lớp che chắn Liên quan đến giảm neutron hấp thụ lò rỉ, tùy thuộc vào trình xảy Vì trình nghiên cứu xung quanh tốc độ phản ứng hệ thống phải xác định cho lò rỉ neutron Thông thường trình tiến hành hệ thống không nhỏ 3.4 Những thí nghiệm tới hạn: Một thí nghiệm điển hình lắp ráp lò phản ứng mà thông số thay đổi đạt giá trị cần thiết Mô hình thông thường tăng kích thước lõi phản ứng Trong số hạng phương trình liên tục nói đến trước xác định lõi phản ứng khảo sát hệ thống, trình tương đương với lò rỉ neutron giảm điều kiện tới hạn thỏa mãn Giải thích rõ điều kiện tới hạn tìm thấy số hạng mẫu toán học yêu cầu phân bố neutron theo vị trí lượng phải theo dõi chi tiết Nó có khả xác định thông số liên quan tới tới hạn từ thí nghiệm siêu tới hạn Một mô hình toán học điển hình mô hình nhóm nhỏ, dẫn đầu trạng thái mà neutron bị phân tán lò phản ứng khiết không phụ thuộc vào lượng khoảng cách từ biên thoản mản phương trình khác Nếu hệ thống đủ lớn B2 xác định kích thước tới hạn, điều kiện biên ứng dụng cho hệ thống mà neutron vào từ bên Trong hệ thống siêu tới hạn phân bố neutron neutron từ nguồn neutron bên Sự phân 12 bố neutron theo dõi liên quan đến số hạng B2 đạt đến áp dụng điều kiện biên thích hợp Lắp ráp hệ đo lò phản ứng phụ-tới hạn gọi thí nghiệm hàm mũ chúng ứng dụng với vai trò lớn chương trình nghiên cứu lò phản ứng vật lý 3.5 Đo xáo trộn lò phản ứng: Ảnh hưởng đến khả phản ứng nói chất thêm vào hay lấy từ việc lắp đặt lượng tới hạn thấp Đó thực nghiệm nhạy toàn mà có mẫu nhỏ chất Sự hấp thụ neutron với tiết diện hấp thụ cao ảnh hưởng đến việc theo dõi đo hấp thụ neutron Nhìn chung ảnh hưởng giảm bớt phổ neutron tán xạ tạo mẫu quan trọng Trong trường hợp chất phân hạch ảnh hưởng xét giảm neutron bắt 3.6 Thực nghiệm nguồn xung: Trong thời gian ngắn vừa qua việc sử dụng nguồn neutron xung việc xác định phổ lò phản ứng thực có đo lường cách khác thực Kĩ thuật khác với đề cập đến trước đó, thay ý đến phân bố neutron không gian trạng thái bền lần phân bố neutron quan sát trạng thái không bền Các thông số tương tự theo dõi xét để đạt với việc đo vùng khuếch tán, vùng giảm truyền nhiệt từ vùng tự môi trường không tái lặp Mẫu ứng dụng để lắp ráp lò phản ứng phụ-tới hạn 13 IV SỰ TƯƠNG QUAN ĐIỂN HÌNH: Một ví dụ đặc biệt liên quan đo lường toàn mẫu toán học thành lập phương pháp tính cho uranium thiên nhiên có graphite lượng thấp vừa phải Toàn thực nghiệm với lò phản ứng lắp ráp Dự đoán thay đổi xảy sau chiếu thời gian dài Uranium thiên nhiên Trong trường hợp sử dụng lò lắp ráp thuận tiện cho chất phóng xạ cao, nhiên thí nghiệm thường xáo trộn  Mảnh than chì uranium thiên nhiên  Mẫu toán học: Hai phương trình tới hạn chuẩn là: ( Lượng neutron từ U235 U238, )( ) , phụ thuộc chủ yếu vào hình dáng kích thước nguyên tố nhiên liệu Một phần nhỏ neutron nhanh bắt U238 cộng hưởng, 1-p, bắt thêm vào biến đổi 1/v tiết diện hấp thụ U238 Thừa số p phụ thuộc vào tỷ số nguyên tử trung gian U238 ảnh hưởng toàn cộng hưởng uranium, sau phụ thuộc vào hình dáng, kích thước nguyên tố nhiên liệu Xác suất bắt neutron U235, U238 chiếm để hấp thụ 1/v f L2 hai vùng đặc tính, vùng khếch tán vùng giảm tách biệt, phụ thuộc chủ yếu vào vùng khếch tán liên quan đến bắt neutron môi trường trung gian vùng giảm môi trường trung gian tách biệt B2 thừa số hình học hạn Tham số phương trình khác là:  Hình 4.1 thể khả làm khớp đạt cho nguyên tố nhiên liệu hình 4.2 thể giá trị cộng hưởng toàn phần uranium diễn đạt công thức: 14 (∫ ) ( ) Trong A B số S/M tỉ số bề mặt chất nguyên tố nhiên liệu Giá trị 00 phù hợp với phép tính thường phụ thuộc 0 vào hình dáng kích thước nguyên tố nhiên liệu Hình 4.1: Sự suy biến 00 (∫ ) 15 Hình 4.2: Sự suy biến bề mặt thể loại chất 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P.W.Mummery, M.A, Atomic Energy Research Establishment, Experimental reactor physics, Harwell, Berkshire [...]... kiện biên thích hợp Lắp ráp hệ đo trong lò phản ứng phụ-tới hạn thì được gọi là những thí nghiệm hàm mũ và chúng thì được ứng dụng với vai trò lớn trong chương trình nghiên cứu lò phản ứng vật lý 3.5 Đo sự xáo trộn của lò phản ứng: Ảnh hưởng đến khả năng phản ứng nói ở trên là chất được thêm vào hay lấy ra từ việc lắp đặt năng lượng tới hạn thấp Đó là những thực nghiệm nhạy toàn bộ mà chỉ có đối với... quanh tốc độ phản ứng thì bất cứ hệ thống nào cũng phải xác định cho được sự lò rỉ neutron Thông thường quá trình này hiếm khi được tiến hành nếu như hệ thống không quá nhỏ 3.4 Những thí nghiệm tới hạn: Một thí nghiệm điển hình là lắp ráp một lò phản ứng cơ bản mà trong đó các thông số có thể thay đổi cho đến khi đạt được giá trị cần thiết Mô hình thông thường là tăng kích thước của lõi phản ứng Trong... neutron trong máy điều tiết nhiệt 11 3.3 Lò rỉ neutron: Sự lò rỉ neutron có thể được xác định bằng nhiều cách Hệ thống là một trong những nơi quan trọng nhất mà neutron bị lò rỉ Ví dụ, sự lò rỉ có liên quan đến tâm phản ứng, lõi cộng với lớp phủ, lõi cộng với vành phản xạ hoặc lõi cộng với vành phản xạ và lớp che chắn Liên quan đến sự giảm neutron là sự hấp thụ và sự lò rỉ, tùy thuộc vào quá trình nào đã... nhiệt từ vùng tự do trong môi trường không tái lặp Mẫu này được ứng dụng để lắp ráp lò phản ứng phụ-tới hạn 13 IV SỰ TƯƠNG QUAN ĐIỂN HÌNH: Một ví dụ đặc biệt liên quan giữa sự đo lường toàn bộ và mẫu toán học thì thành lập phương pháp tính cho tấm uranium thiên nhiên có graphite năng lượng thấp vừa phải Toàn bộ thực nghiệm với lò phản ứng lắp ráp có thể Dự đoán sự thay đổi có thể xảy ra sau khi chiếu... định lõi phản ứng như là khảo sát hệ thống, quá trình này tương đương với sự lò rỉ neutron giảm cho đến khi điều kiện tới hạn được thỏa mãn Giải thích rõ điều kiện tới hạn được tìm thấy ở trong các số hạng của những mẫu toán học thì yêu cầu sự phân bố neutron theo vị trí và năng lượng phải được theo dõi chi tiết Nó có thể có khả năng xác định các thông số liên quan tới sự tới hạn từ những thí nghiệm. .. tán xạ và sự tạo mẫu cũng quan trọng Trong trường hợp chất phân hạch những ảnh hưởng đã được xét sẽ được giảm bởi các neutron bắt được 3.6 Thực nghiệm nguồn xung: Trong thời gian ngắn vừa qua việc sử dụng nguồn neutron xung trong việc xác định phổ của lò phản ứng đã được thực hiện nhưng cũng có những sự đo lường bằng cách khác được thực hiện Kĩ thuật này khác với những gì đã được đề cập đến trước đó,... hình toán học điển hình là mô hình nhóm nhỏ, dẫn đầu là trạng thái mà neutron bị phân tán và trong một lò phản ứng thuần khiết sẽ không phụ thuộc vào năng lượng tại khoảng cách đều từ biên và sẽ thoản mản phương trình khác Nếu như hệ thống đủ lớn thì B2 sẽ xác định kích thước tới hạn, điều kiện biên ứng dụng cho một hệ thống mà không có neutron vào từ bên ngoài Trong hệ thống siêu tới hạn sự phân bố... thực nghiệm với lò phản ứng lắp ráp có thể Dự đoán sự thay đổi có thể xảy ra sau khi chiếu trong một thời gian dài của Uranium thiên nhiên Trong trường hợp này sử dụng lò lắp ráp thuận tiện hơn cho chất phóng xạ cao, tuy nhiên những thí nghiệm này thường xáo trộn  Mảnh than chì uranium thiên nhiên  Mẫu toán học: Hai phương trình tới hạn chuẩn là: ( Lượng neutron từ U235 và U238, )( ) , thì phụ thuộc...10 dụng nguồn neutron từ xung thay vì nguồn neutron của lò để tránh cường độ neutron trung bình cao kết hợp với lần sau Không hay là kĩ thuật này chỉ thích hợp cho những phần của phổ neutron gần nhiệt hay neutron nhiệt và chỉ thích hợp cho những nhóm neutron ... ráp hệ đo lò phản ứng phụ-tới hạn gọi thí nghiệm hàm mũ chúng ứng dụng với vai trò lớn chương trình nghiên cứu lò phản ứng vật lý 3.5 Đo xáo trộn lò phản ứng: Ảnh hưởng đến khả phản ứng nói chất... có vài hiệu ứng nhiễu lò phản ứng Ví dụ loại thực nghiệm toàn biểu diễn hình 3.1.1 hình 3.1.2 Hình 3.1.1 so với tốc độ phản ứng quan sát 239 Pu 235 U tương ứng với 10Bo, tốc độ phản ứng mong muốn... toán học khác I GIỚI THIỆU: Lò phản ứng hoạt động với uranium tự nhiên vật liệu phân hạch Kết mục đích ban đầu việc nghiên cứu vật lý lò phản ứng đảm bảo lò phản ứng đạt đến trạng thái tới hạn