XÁC ĐỊNH THÔNG LƯỢNG NEUTRON NHIỆT VÀ SUẤT LIỀU NITƠ TRONG PHANTOM NƯỚC SỬ DỤNG KÊNH NGANG CỦA LÒ PHẢN ỨNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN NGUYỄN VĂN THỦY XÁC ĐỊNH THÔNG LƯỢNG NEUTRON NHIỆT VÀ SUẤT LIỀU NITƠ TRONG PHANTOM NƯỚC SỬ DỤNG KÊNH NGANG CỦA LỊ PHẢN ỨNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN LÂM ĐỒNG, NĂM 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN NGUYỄN VĂN THỦY – 1310554 XÁC ĐỊNH THÔNG LƯỢNG NEUTRON NHIỆT VÀ SUẤT LIỀU NITƠ TRONG PHANTOM NƯỚC SỬ DỤNG KÊNH NGANG CỦA LỊ PHẢN ỨNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ThS Phạm Đăng Quyết KHÓA 2013 - 2018 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… Lâm Đồng, ngày … tháng …… năm …… Giáo viên hướng dẫn [Ký tên ghi rõ họ tên] NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… Lâm Đồng, ngày … tháng …… năm …… Giáo viên phản biện [Ký tên ghi rõ họ tên] LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khóa luận này, trước tiên em bày tỏ lòng biết ơn cơng lao Thầy giáo hướng dẫn ThS Phạm Đăng Quyết, người khơi lên em niềm đam mê nghiên cứu, định hướng hướng dẫn em suốt thời gian thực khóa luận Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu, quý Thầy Cô giáo khoa Kỹ thuật Hạt Nhân trường Đại học Đà Lạt truyền đạt cho em kiến thức kinh nghiệm năm tháng học tập trường Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban lãnh đạo, TS Phạm Ngọc Sơn NCV Trịnh Văn Cường Viện Nghiên cứu hạt nhân tạo điều kiện tận tình giúp đỡ em suốt thời gian thực thực nghiệm khóa luận Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể bạn bè lớp HNK37, người đồng hành học tập, nghiên cứu trao đổi kiến thức Xin cảm ơn ba, mẹ tin tưởng động viên tinh thần để em hoàn thành luận văn Sau cùng, dù cố gắng chỉnh sửa luận cách hoàn thiện chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đóng góp ý kiến quý báu từ quý thầy cô Lâm Đồng, tháng 12, năm 2017 Sinh viên Nguyễn Văn Thủy i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ADC: Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số BNCT: Boron Neutron Capture Therapy FMESHn: Superimposed Mesh Tally HPGe: Detector germanium siêu tinh khiết - Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết Kerma: Kinetic energy released per unit mass – Động tỏa đơn vị khối lượng LPƯ: Lò phản ứng MCA : Máy phân tích biên độ đa kênh MCNP: Monte Carlo N-Particle NAA: Neutron Activation Analysis - Phân tích kích hoạt neutron ii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Các loa ̣i tally MCNP 19 Bảng Các thông số chùm neutron nhiệt lối kênh LPƯ hạt nhân Đà Lạt .20 Bảng Chi tiết chiếu xạ đo cho mẫu chuẩn 51V phương pháp phân tích kích hoạt 21 Bảng Các tính chất phân rã hạt nhân hợp phần 52V 24 Bảng Kết đo thực nghiệm mô thông lượng neutron nhiệt dọc theo trục phantom nước 26 iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Biểu đồ minh họa trình phản ứng hạt nhân Hình Sơ đồ phân rã phát tia gamma 28Al .4 Hình Phổ lượng neutron đặc trưng từ lò phản ứng hạt nhân Hình Đường cong thể phụ thuộc Neutron kerma vào lượng neutron nước mô 10 Hình Mơ hình phản ứng neutron nhiệt nitơ 11 Hình Hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe 12 Hình Vị trí kênh chiếu mẫu 15 Hình Mặt cắt ngang mơ tả kênh neutron số nằm ngang lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt .17 Hình Phantom nước sử dụng kênh ngang số 20 Hình 10 Nắp phantom nước sử dụng kênh số LPƯ hạt nhân Đà Lạt .21 Hình 11 Đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối tia gamma detector HPGe cho mẫu chuẩn vị trí 5cm cách mặt detector 22 Hình 12 Bố trí thí nghiệm xác định thơng lượng neutron nhiệt kênh ngang số LPƯ hạt nhân Đà Lạt .23 Hình 13 Phổ gamma mẩu chuẩn Vanadium ghi nhận hệ phổ kế HPGe kênh ngang số LPƯ hạt nhân Đà Lạt 24 Hình 14 Vị trí phantom nước kênh ngang số LPƯ hạt nhân Đà Lạt .25 Hình 15 Đường trục phantom nước dùng để tính thơng lượng neutron nhiệt 25 Hình 16 Sự phân bố thông lượng neutron nhiệt 26 Hình 17 Sự phân bố suất liều nitơ 27 iv MỤC LỤC CHƯƠNG - TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Phương pháp phân tích kích hoạt neutron 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Cơ sở vật lý phân tích kích hoạt neutron 1.1.3 Phân tích kích hoạt neutron dùng lò phản ứng .5 1.1.4 Tính thơng lượng neutron nhiệt 1.2 Phantom nước tính suất liều nitơ 10 1.3 Hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma 11 1.3.1 Giới thiệu 11 1.3.2 Chuẩn lượng độ rộng đỉnh 12 1.3.3 Chuẩn hiệu suất ghi tuyệt đối .13 1.4 Kênh ngang số lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 14 1.5 Phương pháp Monte Carlo chương trình MCNP 17 CHƯƠNG - THỰC NGHIỆM 20 2.1 Chùm neutron phin lọc kênh LPƯ hạt nhân Đà Lạt 20 2.2 Chuẩn bị phantom mẫu chuẩn 20 2.3 Chuẩn hiệu suất detector 21 2.4 Bố trí thí nghiệm 22 CHƯƠNG - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .26 3.1 Kết đo mô thông lượng neutron nhiệt dọc theo trục phantom nước 26 3.2 Kết tính tốn suất liều nitơ dọc theo trục phantom nước 27 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .28 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 v MỞ ĐẦU Thông lượng neutron Lò phản ứng (LPƯ) thông số quan trọng nghiên cứu hạt nhân Các giá trị mật độ thông lượng thu được dùng để hiệu chuẩn kênh thực nghiệm, đánh giá công suất tuyệt đối, phân bố công suất vùng hoạt, xác định điểm công suất cực đại tính tốn cháy nhiên liệu Hiện việc ứng dụng kỹ thuật hạt nhân lĩnh vực: công nghiệp, nông nghiệp, sinh học y học ngày phổ biến Trong đó, nghiên cứu tính tốn thơng lượng neutron nhiệt suất liều nitơ phần quan trọng khơng thể thiếu q trình xạ trị kỹ thuật xạ trị phản ứng bắt neutron nguyên tố boron (BNCT) Hàm lượng nitơ mô khoảng 2% tiết diện bắt neutron nhiệt nguyên tố 1,7 bar Vì vậy, q trình xạ trị có sử dụng neutron nhiệt suất liều mà nitơ đóng góp có ý nghĩa đáng kể Nhưng đo trực tiếp suất liều nitơ mà tính tốn gián tiếp suất liều dựa vào thông lượng chùm neutron nhiệt vị trí cần tính Do đó, việc xác định xác thơng lượng neutron nhiệt q trình xạ trị neutron phản ứng bắt nguyên tố (B; Gd) đặc biệt quan trọng Mục tiêu đề tài: Xác định thông lượng neutron nhiệt suất liều nitơ dọc theo đường trục phantom nước sử dụng kênh ngang lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Đối tượng nghiên cứu đề tài: Tính thơng lượng neutron nhiệt suất liều nitơ mơ hình phantom nước phục vụ nghiên cứu y học Bài luận văn chia thành ba chương gồm: Chương I: Tổng quan trình bày phương pháp phân tích kích hoạt neutron, hiệu chuẩn phổ kế gamma, kênh ngang số lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, phantom nước chương trình MCNP Chương II: Trình bày trình thực nghiệm: chuẩn bị phantom, mẫu chuẩn Vanadium, chùm neutron phin lọc kênh số lò phản ứng, hệ phổ kế gamma dùng detector bán dẫn HPGe, mô thông lượng neutron nhiệt dọc theo đường trục phantom nước chương trình MCNP Chương III: Trình bày kết bao gồm: Sự phân bố thông lượng neutron nhiệt dọc theo trục phantom nước thực nghiệm mơ với MCNP Tính toán suất liều nitơ dọc theo đường trục phantom nước + Mâm quay: Nằm vành phản xạ, có 40 hốc chiếu, vị trí chiếu ướt dùng cho phép chiếu dài (>1 giờ) Vì kênh ướt nên mẫu chiếu phải bao gói thích hợp vào container chuyên dụng cho việc chiếu mẫu Mâm quay + Kênh 7-1 Kênh 13-2: Là hai kênh khô nối với hệ chuyển mẫu tự động khí nén thích hợp cho việc chiếu mẫu thời gian từ vài giây đến vài chục phút.+ Cột nhiệt: vị trí có độ nhiệt hóa neutron lớn, hệ số f 200, kết nối với hệ chuyển mẫu khí nén dùng cho phép chiếu dài (>1 giờ) Hình Vị trí kênh chiếu mẫu Cơ sở chùm neutron phin lọc dựa suy giảm cường độ chùm neutron, lượng neutron khơng mong muốn bảo tồn cường độ đỉnh lương quan tâm, qua vật liệu làm phin lọc có bề dày d đủ lớn Khi chùm neutron từ lò phản ứng có lượng phân bố từ neutron nhiệt đến neutron nhanh, truyền qua vật liệu có độ dày thích hợp tương tác với vật liệu giống lọc neutron Dòng neutron phin lọc kênh ngang số lò phản ứng có đặc trưng bản: có dạng hình trụ, tổng chiều dài 153 cm, đường kính 9,4 cm Ống đựng phin lọc ống nhơm dài 141,8 cm, đường kính ngồi cm, đường kính 8,4 cm Tại vị trí tiếp giáp mặt đáy hệ dẫn dòng ống 15 đựng phin lọc lắp hai vành khun Boron-Carbide dày mm x 2, đường kính ngồi 9,35 cm, đường kính 6,5 cm vành trụ chì dày cm, đường kính ngồi 9,35 cm đường kính 6,5 cm Các vành boron-carbide chì có chức giảm thiểu suất liều xạ neutron gamma qua khe hở ống đựng phin lọc hệ dẫn dòng, từ giảm thiểu phông xạ khối lượng vật liệu che chắn bên kênh 2, chúng có tác dụng hạn chế kích hoạt neutron ống đựng phin lọc vỏ bọc phin lọc neutron Các nguyên tắc dòng neutron phin lọc sử dụng vật liệu đơn tinh thể có mặt cắt ngang để hấp thụ neutron nhiệt thấp Do đó, thơng lượng neutron từ lò phản ứng hạt nhân xuất khu vực này, neutron nhiệt có khả qua vật liệu tinh thể Do ưu điểm kênh ngang số 2: Suất liều neutron gamma bên ngồi kênh (