Tìm hiểu một số đặc trưng của nhiên liệu hạt nhân và xác định độ giàu bằng phương pháp gamma

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  ĐẶNG ĐÌNH NGỌC TÌM HIỂU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ GIÀU BẰNG PHƢƠNG PHÁP GAMMA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  ĐẶNG ĐÌNH NGỌC TÌM HIỂU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ GIÀU BẰNG PHƢƠNG PHÁP GAMMA Chuyên ngành : Vật lý nguyên tử Mã số : 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bùi Văn Loát Hà Nội - 2016 LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS.Bùi Văn Loát người hướng dẫn khoa học giúp đỡ, bảo tận tình cho em trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Bộ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Phòng Sau đại học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập thực luận văn Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình bạn bè thường xuyên động viên, khuyến khích dành điều kiện để em hoàn thành luận văn Hà nội, ngày 11 tháng 12 năm 2015 Học viên Đặng Đình Ngọc MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TÊN VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN 1.1 Một số đặc trƣng Urani 1.2 Nhiên liệu Urani Error! Bookmark not defined 1.3 Đặc điểm thiết kế nhiên liệu hạt nhân Error! Bookmark not defined 1.3.2 Đặc trƣng xạ nhiên liệu Error! Bookmark not defined b Sự thay đổi cấu trúc viên gốm nhiên liệu Error! Bookmark not defined c Quá trình mỏi rão hóa vật liệu Error! Bookmark not defined 1.4.Các phƣơng pháp phân tích nhiên liệu hạt nhân Urani Error! Bookmark not defined 1.4.1 Phương pháp phân tích phá hủy mẫu Error! Bookmark not defined 1.4.2 Phương pháp phân tích không phá hủy mẫu (NDA) Error! Bookmark not defined c Phương pháp phổ kế gamma kỹ thuật chuẩn Error! Bookmark not defined CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG URANI Error! Bookmark not defined 2.1 Phổ kế gamma bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết Error! Bookmark not defined 2.1.1 Hệ phổ kế gamma bán dẫn Error! Bookmark not defined 2.1.2 Phân tích phổ gamma Error! Bookmark not defined 2.2 Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng urani sử dụng phổ kế gamma Error! Bookmark not defined 2.2.1 Cơ sở phương pháp phổ gamma Error! Bookmark not defined 2.2.2 Mối liên hệ tỉ số khối lượng tỉ số hoạt độ Error! Bookmark not defined 2.2.3 Các vạch phổ dùng để xác định tỷ số hoạt độ đồng vị Urani Error! Bookmark not defined CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ Error! Bookmark not defined 3.1 Đo phổ gamma mẫu nhiên liệu hạt nhân đƣợc làm giàu thấp Error! Bookmark not defined 3.3 Đánh giá sai số kết thực nghiệm Error! Bookmark not defined KÊT LUÂN Error! Bookmark not defined ́ ̣ TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TÊN VIẾT TẮT HPGe - High purity Gemanium detector- Đầu dò bán dẫn gecmani siêu tinh khiết BEGe - Broad Energy Germaniumdetector - Đầu dò bán dẫn gecmani siêu tinh khiết dải rộng FWHM - Full Width at Half Maximum, độ rộng nửa chiều cao đỉnh, gọi độ phân giải lượng EU – Enriched Uranium, Urani làm giàu DU – Depleted Uranium, Urani nghèo Iγ - Gamma ray intensity, cường độ xạ tia gamma, gọi xác suất phát xạ ICPMS - Inductively coupled plasma mass spectrometry, khối phổ kế cảm ứng Plasma NDA – Non Destructive Analysis, phân tích không phá hủy mẫu ADC – Analog to Digital Converter, biến đổi tương tự số MCA – Multichannel Analyzer, phân tích biên độ nhiều kênh DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Chuỗi phân rã Hình 1.2: Chuỗi phân rã 238 235 U - 206Pb U - 207Pb Hình 1.3: Thanh nhiên liệu theo thiết kế Hoa Kỳ- Châu Âu Hình 1.4: Bóthanh nhiên liệu theo thiết kế Hoa Kỳ- Châu Âu Hình 1.5: Thanh nhiên liệu sử dụng lò phản ứng VVER-1000 Hình 1.6: Các khuyết tật mạng lưới làm thay đổi tích chất vật liệu Hình 1.7: Phân bố nhiệt độ nhiên liệu chất làm mát phụ thuộc công suất nhiệt tuyến tính Hình 1.8: Sự thay đổi vi cấu trúc nhiên liệu UO2 phụ thuộc nhiệt độ độ cháy nhiên liệu Hình 1.9: Sự biến đổi hình dạng viên gốm vỏ nhiên liệu lò phản ứng Hình 1.10: Ảnh hưởng nhiên liệu tới vỏ bọc giai đoạn khác lò phản ứng VVER Hình 1.11: Thanh bó nhiên liệu bị cong vênh lò phản ứng Hình 2.1.Hệ phổ kế gamma BEGE Bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý Hình 2.2 Detetor bán dẫn HPGe model GLP-10180/07 (ORTEC) tinh thể mỏng Viện Đồng vị phóng xạ Hungari Hình 3.1: Phổ gamma mẫu U0.7 với thời gian đo 171650,5 giây Hình 3.2: Phổ gamma mẫu U4.46 với thời gian đo 74281,64 giây Hình 3.3:Đồ thị mô tả phụ thuộc hàm f(E) vào lượng tia gamma đặc trưng phát từ đồng vị U235 nguồn U0.7 Hình 3.4: Đồ thị mô tả phụ thuộc hàm f(E) vào lượng tia gamma đặc trưng phát từ đồng vị U235 nguồn U.4 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Chuỗi phân rã 238U -206Pb Bảng 1.2: Chuỗi phân rã 235 U-207Pb Bảng 2.1: Các vạch phổ sử dụng để xác định tỉ lệ hoạt độ Bảng 3.1 Bảng số liệu kết xử lý mẫu U0.7 thời gian đo 171650,5 giây Bảng 3.2.Bảng số liệu kết xử lý mẫu U4.46 thời gian đo 74281,46 giây Bảng 3.3.Bảng kết xác định hàm lượng Urani mẫu U0.7 Bảng 3.4.Bảng kết xác định hàm lượng Urani mẫu U.4 MỞ ĐẦU Công nghiệp lượng nói chung lượng hạt nhân nói riêng có vai trò quan trọng phát triển quốc gia Đối với Việt Nam việc phát triển lượng giai đoạn ưu tiên hàng đầu, cạn kiện dần nguồn lượng truyền thống nhiệt điện, thủy điện, lượng hạt nhân trở thành giải pháp lựa chọn phù hợp Urani loại nhiên liệu quan trọng lĩnh vực lượng hạt nhân.Các thông tin đầy đủ loại vật liệu thực cần thiết Các số liệu thành phần, hàm lượng đồng vị, tạp chất hóa học, tuổi nhiên liệu, có ý nghĩa quan trọng trình sử dụng công tác quản lý, an ninh, an toàn hạt nhân Dựa đặc tính phân rã tự nhiên đồng vị chuỗi urani, hàm lượng vật liệu urani xác định thông qua việc đo tỷ số hoạt độ đồng vị phóng xạ Để xác định đặc trưng nhiên liệu urani, có nhiều phương pháp khác sử dụng phân tích phá hủy mẫu, thường sử dụng khối phổ kế hấp thụ nguyên tử, khối phổ kế cảm ứng plasma (ICP-MS), phổ kế anpha, phương pháp không phá hủy mẫu (NDA) chủ yếu sử dụng phổ kế gamma độ phân giải lượng cao Mỗi phương pháp có lợi mặt hạn chế riêng, bổ sung lẫn Tùy thuộc vào mục đích điều kiện nghiên cứu đặc điểm loại Phương pháp xác định đặc trưng vật liệu hạt nhân sử dụng phổ kế gamma bán dẫn ứng dụng phổ biến, với ưu điểm không cần phá mẫu, quy trình thực nghiệm không phức tạp, nhiên đòi hỏi kỹ phân tích xử lý số liệu phức tạp tinh tế Luận văn với đề tài: “Xác định số đặc trưng nhiên liệu hạt nhân xác định độ giàu phương pháp gamma” Trình bày số nội dung nhiên liệu hạt nhân urani, phương pháp phân tích hàm lượng urani, tập trung nghiên cứu phương pháp phân tích urani sử dụng phổ kế gamma Về bố cục, phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục, luận văn chia thành chương sau: Chương 1: Tổng quan đặc trưng nhiên liệu hạt nhân Chương 2: Phương pháp xác định hàm lượngUrani sử dụng phổ kế gamma Chương 3: Thực nghiệm kết CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN 1.1 Một số đặc trƣng Urani Dựa sở sử dụng lượng giải phóng sau phản ứng phân hạch số đồng vị nặng, qua trình chuyển hóa thu điện phục vụ cho nhu cầu người Trong nguyên tố hóa học, đồng vị nặng sử dụng để làm nhiên liệu hạt nhân Có nguyên tố nặng lại chế phân hạch tự phát ngược lại, có nguyên tố có khả phân hạch tự phát giải phóng lượng lượng lớn, hàm lượng tự nhiên lại thấp, dẫn đễn chi phí xử lý cao đòi hỏi công nghệ phức tạp Urani Thori hai nguyên tố phóng xạ quan tâm cách đặc biệt.Hai nguyên tố loại nhiên liệu quan trọng ngành công nghiệp lượng hạt nhân Tuy nhiên, Urani lựa chọn nhiên liệu hạt nhân lý tưởng để phục vụ người.Việc tìm hiểu, nghiên cứu, phân tích nguyên tố urani điều cần thiết trình sử dụng khai thác nhiên liệu hạt nhân Đặc điểm hóa học, Urani nguyên tố kim loại màu xám bạc, bị oxit hóa không khí tạo thành lớp màu đen thuộc nhóm Actini, có số nguyên tử 92 bảng tuần hoàn, kí hiệu U Hiện người ta phát 23 đồng vị Urani khác, phổ biến đồng vị 238 U 235 U Tất đồng vị urani không bền có tính phóng xạ yếu Urani tự nhiên có đồng vị là: 234U (0,0055% ); 235U (0,720% ) 238U ( 99,2745%) Urani có mặt tự nhiên với nồng độ thấp khoảng 104 % đất, đá nước Về đặc điểm phóng xạ, urani phân rã chậm phát hạt anpha Chu kỳ bán rã 238U khoảng 4,47 tỉ năm 235U 704 triệu năm, sử dụng để xác định tuổi Trái Đất Hiện tại, ứng dụng urani dựa tính chất hạt nhân nó.235U đồng vị nhất, tồn tự nhiên, có khả phân hạch cách TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Ngô Quang Huy,“Kỹ thuật ghi đo phóng xạ ứng dụng nghiên cứu môi trường”NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội -2013 [2] Bùi Văn Loát, “Thống kê xử lý số liệu thực nghiệm hạt nhân”, Hà Nội- 2010 [3] Nguyễn Văn Đỗ, “Phương pháp phân tích hạt nhân”, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội - 2005 Tài liệu tiếng Anh [4] P Martin and G Hancock “Routine analysis of naturally occurring radionuclides in environmental samples by alpha-particle spectrometry” Supervising Scientist Report 180 Australia, 2004 [5] Tam.Ng.C et al., “Characterization of uranium-bearing malerial by passive nondestructive gamma spectrometry”, Procce of the 7th Confere On Nucl And Part Phys 11-15 Nov 2009, Sham El- Sheikh, Egypt, 413-423 [6] C.T Nguyen, J Zsigrai, “Gamma-spectrometric uranium age-dating using intrisic efficiency calibration”, Nucl Instr And Meth B 243 (2006) 187 [7] A Luca, “Experimental Determination of the Uranium Enrichment Ratio”, Rom Journ Phys, Vol 53, No 1-2, P35 -39, Bucharest, 2008 [8] Y.Nir- El "Isotopic analysis of uranium in U2O3 by passive gamma-ray spectrometry" Applied radiation and Isotopes 52 (2000) 753-757 [9] K Debertin and R.G.Heimer, “Gamma and X-ray spectrometry with semiconductor detectors”, North-Holland Elsevier, New-York, 1988 [10] Table of Radioactive Isotopes - Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, website:http://ie.lbl.gov/toi.html