Xác định các đặc trưng của thanh nhiên liệu hạt nhân xác định độ giàu của 235u bằng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trƣơng Thi Thu ̣ ̀ y Vân XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN-XÁC ĐỊNH ĐỘ GIÀU CỦA 235U BẰNG PHƢƠNG PHÁP CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trƣơng Thi Thu ̣ ̀ y Vân XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN-XÁC ĐỊNH ĐỘ GIÀU CỦA 235U BẰNG PHƢƠNG PHÁP CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI Chuyên ngành: Vâ ̣t lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS CAO ĐÌNH THANH Hà Nội – Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành hướng dẫn tận tình TS Cao Đình Thanh Thầy dành nhiều thời gian hướng dẫn giải đáp thắc mắc suốt trình làm luận văn Tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy đáng kính Qua đây, xin gửi tới thầy cô công tác khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, thầy cô tham gia giảng dạy khóa Cao học 2011-2013 lời cảm ơn chân thành với công lao dạy dỗ suốt thời gian học tập trường Tôi gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, quan nơi công tác người cổ vũ động viên tạo điều kiện cho suốt trình học tập làm luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học viên Trương Thị Thùy Vân MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN 10 1.1 Tổng quan nhiên liệu hạt nhân vật liệu phân hạch 10 1.2 Các đặc trƣng nhiên liệu Uranium Error! Bookmark not defined 1.2.1 Uranium Error! Bookmark not defined 1.2.2 Dãy phóng xạ U238 U235 Error! Bookmark not defined 1.3 Viên gốm UO2 Error! Bookmark not defined 1.3.1 Tính chất viên gốm UO2 Error! Bookmark not defined 1.3.2 Cấu trúc giãn nở nhiệt Error! Bookmark not defined 1.3.3 Độ dẫn nhiệt Error! Bookmark not defined 1.3.4 Độ cháy nhiên liệu hạt nhân Error! Bookmark not defined 1.3.5 Độ giàu nhiên liệu hạt nhân Error! Bookmark not defined 1.4 Thanh nhiên liệu hạt nhân Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ GIÀU URANI Error! Bookmark not defined 2.1 Độ giàu nhiên liệu Urani Error! Bookmark not defined 2.2 Xác định hoạt độ phóng xạ theo phƣơng pháp phổ gammaError! Bookmark not define 2.3 Phƣơng pháp chuẩn nội hiệu suất ghi Error! Bookmark not defined 2.4 Hệ phổ kế gamma bán dẫn Error! Bookmark not defined 2.4.1 Phổ kế gamma bán dẫn Gecmani siêu tinh khiếtError! Bookmark not defined 2.4.1 Hệ phổ kế gamma bán dẫn Error! Bookmark not defined 2.5 Xác định sai số Error! Bookmark not defined 2.5.1 Sai số thống kê Error! Bookmark not defined 2.5.2 Sai số hệ thống Error! Bookmark not defined 2.5.3 Công thức truyền sai số Error! Bookmark not defined CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ Error! Bookmark not defined 3.1 Đo phổ gamma của các mẫu nhiên liêụ ̣t nhân đƣơ ̣c làm giàu thấ p Error! Bookmark not defined 3.2 Xác định độ giàu đồng vị nhiên liệu uran.Error! Bookmark not defined 3.3 Xác định độ giàu Error! Bookmark not defined 3.3.1 Độ giàu nhiên liệu Urani nguồn U4 Error! Bookmark not defined 3.3.2 Độ giàu nhiên liệu Urani nguồn U2.9 Error! Bookmark not defined 3.4 Đánh giá sai số kết thực nghiệm Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các thông số quan trọng đồng vị phân hạch U233, U235 Pu239 Bảng 1.2 Các thành phần đóng góp vào lượng phân hạch U235 với notron nhiệt Bảng 1.3 Các tính chất loại nhiên liệu hạt nhân Bảng 1.4 Các tính chất Uranium .6 Bảng 1.5 Các đồng vị phóng xạ dãy 238U đặc trưng phân rã chúng .10 Bảng 1.6 Các đồng vị phóng xạ dãy 235U đặc trưng phân rã chúng 11 Bảng 1.7 Các tính chất UO2 .11 Bảng 2.1: Các vạch phổ sử dụng để tính toán tỉ lệ hoạt độ 22 Bảng 3.1 Các thông số đặc trưng đỉnh gamma cần quan tâm thu từ mẫu U4 thời gian đo 51385 giây 34 Bảng 3.2 Các thông số đặc trưng đỉnh gamma cần quan tâm thu từ mẫu U2.9 thời gian đo 57464 giây .35 Bảng 3.3 Kết thực nghiệm độ giàu mẫu U4 U2.9 38 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Chuỗi chiếm bắt notron 232Th 238U 10 Hình 1.2 Chuỗi phân rã 235 U 238 U, chu kỳ bán rã đỉnh gamma đặc trưng đồng vị cháu quan trọng.Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Viên gốm UO2 .9 Hình 1.4 Độ dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ nhiên liệu hạt nhân 13 Hình 1.5 Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ độ cháy nhiên liệu hạt nhân 14 Hình 1.6 Thanh nhiên liệu sử dụng lò VVER Error! Bookmark not defined Hình 1.7 Thanh nhiên liệu hạt nhân Error! Bookmark not defined Hình 1.8 Bó nhiên liệu sử dụng lò PWR BWR Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Hệ phổ kế gamma BEGE Bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý.Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Detetor bán dẫn HPGe model GLP-10180/07 (ORTEC) tinh thể mỏng Viện Đồng vị phóng xạ Hungari Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Phổ gamma mẫu nhiên liê ̣u Viê ̣n Công nghê ̣ xa ̣ hiế m cung cấ p đươ ̣c đo ̣ phổ kế gamma siêu tinh khiế t Ge (Li) tai Bô ̣ môn vâ ̣t lý ̣t nhân , Trường Đa ̣i ho ̣c Khoa ho ̣c Tự nhiên 33 Hình 3.2 Phổ gamma mẫu nhiên liê ̣u Cơ quan không phổ biế n và ch ống vũ khí hạt nhân Quốc tế cung cấp đo detetor bán d ẫn HPG model GLP-10180/07 với thời gian 57464 giây 33 Hình 3.3 Đồ thị mô tả phụ thuộc hàm f(E) vào lượng tia gamma đặc trưng phát từ đồng vị 235U nguồn U4 .35 Hình 3.4 Đồ thị mô tả phụ thuộc hàm f(E) vào lượng tia gamma đặc trưng phát từ đồng vị 235U nguồn U2.9 37 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 Các số liệu thành phần, hàm lượng đồng vị, tạp chất hóa học, tuổi nhiên liệu, đô ̣ cháy là các thông số vâ ̣t lý quan có ý nghĩa quan tr ọng 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, đă ̣c biê ̣t không cầ n mẫu chuẩ n , quy trình thực nghiệm không phức tạp, nhiên đòi hỏi kỹ phân tích xử lý số liệu thực nghiệm Đề tài: “Xác định số đặc trƣng nhiên liệu hạt nhân - Xác định độ giàu U235 phƣơng pháp chuẩn nội hiệu suất ghi” trình bày số nội dung về: 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 với đêtectơ gecmani siêu tinh khiết HPGe, phương pháp chuẩ n nô ̣i hiê ̣u suấ t ghi Về bố cục, phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục, luận văn chia thành chương sau: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan đặc trưng nhiên liệu hạt nhân phương pháp phân tích Urani Chƣơng 2: Trình bày phương pháp thực nghiệm phân tích hàm lượng Urani sử dụng phổ kế gamma kết hợp với kỹ thuật chuẩn sử dụng đường cong hiệu suất ghi tương đối Chƣơng 3: Trình bày số kết thực nghiệm CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN 1.1 Tổng quan nhiên liệu hạt nhân vật liệu phân hạch Nhiên liệu hạt nhân liên quan trực tiếp đến vật liệu có khả tạo lượng thông qua phản ứng hạt nhân Các vật liệu thường chia làm hai loại: Vật liệu phân hạch vật liệu phổ biến Vật liệu phân hạch đồng vị có khả gây phản ứng phân hạch với notron nhiệt, có đồng vị tự nhiên bị phân hạch notron nhiệt U235 đồng vị khác U238 phân hạch với notron nhanh (notron có lượng lớn MeV) Uranium xuất tự nhiên gồm có U238 (chiếm 99.283%) U235 (chiếm 0.711%) Vật liệu phổ biến bao gồm đồng vị tự nhiên U238 Th232, hai đồng vị tạo vật liệu phân hạch Pu239 U233 thông qua chiếm bắt notron hình 1.1 Hình 1.1 Chuỗi chiếm bắt notron 232Th 238U 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO Thái Khắc Định, Bùi Văn Loát (2007), Các phương pháp xử lí số liệu thực nghiệm hạt nhân, NXB Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khao học Kỹ thuật, Hà Nội Bùi Văn Loát (2009), Địa vật lý hạt nhân, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Cao Đình Thanh(2010), Tập giảng nhiên liệu hạt nhân- Lưu hành nội bộ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội A Luca (2008), “Experimental Determination of the Uranium Enrichment Ratio”,Rom Journ Phys, 53(2), pp.35 -39 Delynn Clark (1996), U235:A gamma ray analysis code for uranium isotopic determination, Lawrence Livermore National Laboratory University of California, California Donald R(1976), Fundamential Aspects of Nuclear Reactor Fuel Elements,Department of Nuclear Engineering, University of California, Berkeley Haluk YÜcel (2007), “The applicability of MGA method for depleted and natural uranium isotopic analysis in the presence of actinides”, Applied Radiation and Isotopies, 65, pp.1269-1280 Huda Abdulrahman Al-Sulaiti (2011), Determination of Natural Radioactivity Levels in the Spectrometry, A State thesis of Qatar submitted Using for HighResolution the Degree of Gamma-ray Doctor of Philosophy; University of Surrey 10 H Yucel, H.Dikmen (2009), “Uranium enrichment measurements using the intensity ratios of self- fluresence X-ray-92* keV gamma ray in UXKα spectral region”, Talanta, 78, pp 410-417 11 M.H Nassef, W.EL Mowafi, and M.S.EL Tahawy (2009), “Non destructive assay for 235U determination in reference material of uranium oxide”, Journal of Nuclear and Radiation Physics, 4(2), pp 65-73 4111 12 WL Kuhn, JP Sloughter (2001), Technical Review of the Characteristics of Spent Nuclear Fuel Scrap, Department of Energy,Prepared for the U.S 42 12