BÀI GIẢNG kỹ THUẬT hạt NHÂN

Kỹ thuật hạt nhân là ngành kỹ thuật tập trung vào các ứng dụng của các quá trình phân hạch, nhiệt hạch, cùng với những hiện tượng vật lý hạ nguyên tử dựa trên những nguyên lý cơ bản nhất của vật lý hạt nhân. Đối với chuyên ngành phân hạch, kỹ thuật hạt nhân bao gồm luôn các vấn đề về thiết kế và bảo trì những hệ thống và chi tiết như lò phản ứng hạt nhân, nhà máy điện hạt nhân, hay thậm chí là vũ khí hạt nhân. Ngành này còn nghiên cứu về y học hạt nhân, và nhiều ứng dụng khác ví dụ như quá trình bức xạ ion hóa, an toàn hạt nhân, lưu chuyển nhiệt, chu kỳ nhiên liệu hạt nhân, cùng với những kỹ thuật như xử lý chất thải hạt nhân và những vấn đề về phổ biến vũ khí hạt nhân.

Bài giảng KỸ THUẬT HẠT NHÂN Biên soạn: ThS Trần Quốc Lâm C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP Chuẩn bị 3.2 Ứng dụng nguồn xạ gamma, nơtron có hoạt độ lớn 3.2.1 Phương pháp chụp ảnh xạ dùng tia gamma Nguyên lí Ứng dụng 3.2.2 Ứng dụng nguồn xạ gamma, nơtron có hoạt độ lớn Nguyên lý Ứng dụng Ứng dụng đo độ dày lớp vật chất Ứng dụng đo mật độ đất đá Ứng dụng đo mức Đo tốc độ truyền tải nguyên liệu băng truyền C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CƠNG NGHIỆP Chuẩn bị 3.2.3 Hệ thống kiểm sốt hạt nhân dùng kỹ thuật đánh dấu  Nguyên lý Ứng dụng  Ứng dụng đo phân bố thời gian lưu  Xác định độ hư mòn 3.2.4 Các ứng dụng kỹ thuật nơtron NCS  Ứng dụng phương pháp INAA NCS  Phương pháp PGNAA  Ứng dụng nơtron thăm dò, tìm kiếm dầu  Pin hạt nhân 3.2.5 Pin hạt nhân 3.2.6 Nhà máy điện nguyên tử C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.1 Phóng xạ nhân tạo Phương pháp kích hoạt Dùng máy gia tốc Chiếu xạ nơtron lò phản ứng 31P(n, γ)32P, đồng vị nhân tạo 32P phóng xạ bêta với T = 14,3 ngày 59Co (n, γ)60Co, đồng vị phóng xạ nhân tạo 60Co phóng xạ bêta gamma với T = 5,3 năm Các phản ứng (n, p) sử dụng để tạo đồng vị 14N(n,p)14C 32S(n,p)32P C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.1 Phóng xạ nhân tạo Chiếu xạ nơtron lò phản ứng Biểu thức định lượng 0,6.. f  t t A(Ci/g)  e e   10 3,7.10 M     thơng lượng chùm nơtron kích hoạt, tính theo đơn vị nơtron/cm2/giây σ tiết diện hấp thụ n hạt nhân bia, tính theo barn f độ phổ cập đồng vị chịu kích hoạt, tính theo % M khối lượng nguyên tử bia, tính theo g C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CƠNG NGHIỆP 3.1 Phóng xạ nhân tạo Từ sản phẩm phân hạch Yêu cầu A lớn  dùng pp hóa học tách đồng vị phóng xạ từ sản phẩm phân hạch cháy lò phản ứng: 90Sr 137Cs C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2 Ứng dụng nguồn xạ gamma, nơtron có hoạt độ lớn 3.2.1 Phương pháp chụp ảnh xạ dùng tia gamma Côban 60Co Đồng vị phát xạ gamma với lượng 1,17 1,33 MeV Chu kỳ bán rã 5,3 năm để trở thành 60Ni Để tạo 60Co người ta thực phản ứng 59Co(n,γ)60Co lò Tiết diện phản ứng 30b Do thời gian chiếu xạ nơtron lò tương đối dài: Chẳng hạn, chiếu nơtron thơng lượng 1011n/cm2.s thời gian chừng năm đạt khoảng 1/8 hoạt độ bão hoà, tức cỡ 0,1 Ci/g C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2 Ứng dụng nguồn xạ gamma, nơtron có hoạt độ lớn 3.2.1 Phương pháp chụp ảnh xạ dùng tia gamma Đồng vị tantan 182Ta Bằng cách chiếu xạ nơtron lò, sử dụng phản ứng 181Ta(n,γ) 182Ta với tiết diện hiệu dụng 21b, thu đồng vị 182Ta Đồng vị có chu kỳ bán rã 112 ngày, phát xạ gamma 0,066 MeV 1,223 MeV Bức xạ β- lượng 0,525 MeV sinh trình phân rã β- 182Ta Sau tuần chiếu xạ nơtron với thông lượng 1011 n/cm2.s vào 181Ta thu 182Ta với hoạt độ 0,033 Ci/g C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2 Ứng dụng nguồn xạ gamma, nơtron có hoạt độ lớn 3.2.1 Phương pháp chụp ảnh xạ dùng tia gamma Đồng vị iridium 192Ir Phản ứng 191Ir (n,γ) 192Ir có tiết diện tương đối lớn, 269b, ứng dụng để chế tạo 192Ir Đồng vị có chu kỳ bán rã 74 ngày, phát xạ gamma dải lượng từ 0,136 đến 0,613 MeV chủ yếu 0,32 0,47 MeV hạt β- với lượng 0,66 MeV Chiếu xạ 191Ir lò với thơng lượng 1011 n/cm2.s, sau tuần đạt 192Ir với hoạt độ 0,46 Ci/g C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2 Ứng dụng nguồn xạ gamma, nơtron có hoạt độ lớn 3.2.1 Phương pháp chụp ảnh xạ dùng tia gamma Sử dụng 137Cs: phát xạ gamma 662keV Các nguồn đồng vị phóng xạ dùng chụp ảnh gamma có hoạt độ từ vài Ci đến vài kCi Chúng bảo vệ container chì, có cửa sổ mở cần chụp ảnh C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP Xác định độ hư mòn Do phản ứng 58Fe(n,γ)59Fe mà đồng vị bền 58Fe trở thành phóng xạ Vòng bi có tính phóng xạ đặt vào động Độ hư mòn vòng bi xem hàm thông số vận hành điều kiện kỹ thuật khác loại dầu bôi trơn, nhiệt độ, tốc độ Đo hoạt độ phóng xạ dầu bơi trơn biết độ hư mòn vòng bi Độ nhạy cao C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2.4 Các ứng dụng kỹ thuật nơtron NCS Nguồn phát nơ tron phổ biến: Cf-252 Trong phản ứng (n,), có hai loại xạ gamma phát là: gamma tức thời: phương pháp phân tích kích hoạt nơtron (PGNAA) gamma trễ: C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2.4 Các ứng dụng kỹ thuật nơtron NCS Nguồn phát nơ tron phổ biến: Cf-252 Phương pháp phân tích kích hoạt nơtron tức thời (PGNAA) Phương pháp phân tích kích hoạt nơtron dụng cụ (INAA) C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP Ứng dụng phương pháp INAA NCS Có hiệu cơng nghiệp sản xuất bê tông, công nghiệp khai thác xử lý quặng kim loại Tín hiệu phân tích Tấm chắn bảo vệ Máy dò tia gamma Dây chuyền Nguồn nơtron Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý hệ phân tích kích hoạt nơtron online điều khiển công nghiệp C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP Ứng dụng Phương pháp PGNAA Các bước: Nơtron nhiệt phát từ nguồn tương tác với hạt nhân nguyên tử thành phần nguyên tố băng truyền kích thích hạt nhân phát gamma tức thời Các xạ gamma tức thời mang thông tin đặc trưng lượng nguyên tố Gamma tức thời đo detector nhấp nháy chuyển thành tín hiệu xung điện C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CƠNG NGHIỆP Ứng dụng Phương pháp PGNAA Tín hiệu điện khuếch đại, chuyển thành tín hiệu số tạo thành phổ lượng gamma khối điện tử máy tính Phổ lượng tia gamma phân tích cung cấp số liệu phần trăm hàm lượng thành phần nguyên liệu băng truyền Số liệu phân tích truyền đến trung tâm điều khiển để có so sánh với thơng số chuẩn điều chỉnh cho thích hợp C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP Ứng dụng Phương pháp PGNAA Ưu điểm Cung cấp phép đo online nhằm phân tích thành phần nguyên liệu với thời gian nhanh chóng độ xác cao Bảo đảm việc điều khiển tham số định đến chất lượng sản phẩm Đo điều khiển gần 100% tiêu công nghiệp sản xuất Đáp ứng nhu cầu điều khiển quy trình có tần số cao C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP Ứng dụng nơtron thăm dò, tìm kiếm dầu C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2.5 Pin hạt nhân SNAP-1A: Đồng vị 144Ce có chu kỳ bán rã 285 ngày, với hoạt độ 880.000Ci Hệ pin hạt nhân gồm 277 cặp nhiệt điện, cho hiệu 28V, dòng chiều 4,46A, hiệu suất biến đổi nhiệt - điện 6,75% 3.2.6 Nhà máy điện nguyên tử Diagram of Nuclear Power Plant C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2.6 Nhà máy điện nguyên tử Lò phản ứng hạt nhân Cấu tạo Thanh nhiên liệu Chất làm chậm Chất phản xạ Chất truyền nhiệt  C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2.6 Nhà máy điện nguyên tử Phân loại Lò phản ứng nước – nước  Thiết bị sinh Hình 3.20: Lò nước áp lực C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2.6 Nhà máy điện nguyên tử Phân loại Hình 3.21: Lò nước sơi C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2.6 Nhà máy điện nguyên tử Phân loại Lò phản ứng graphite: Graphite sử dụng làm chất làm chậm, chất truyền nhiệt lò phản ứng graphite nước nhẹ, nước nặng, gas, kim loại nóng chảy Các nhiên liệu xếp ống dẫn chất truyền nhiệt Bao quanh ống dẫn graphite Ở nhiệt độ cao, graphite xảy phản ứng với khơng khí, chất làm chậm graphite xếp vào hộp kín làm kim loại Lớp bảo vệ sinh học làm bê tơng dày, khí trơ Heli CO2 bơm vào bên lò phản ứng  C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2.6 Nhà máy điện nguyên tử Phân loại Lò phản ứng sử dụng notron kích hoạt lượng lớn (notron nhanh)    Nguyên liệu sử dụng lò hỗn hợp U235 Pu239 làm giàu (15%) Không cần chất làm chậm, sử dụng nguyên liệu làm giàu, xếp gần nhau, nên nhiệt lượng tỏa lớn, cơng suất loại lò phản ứng lớn Chất truyền nhiệt phải có khả trao đổi nhiệt nhanh, thường kim loại lỏng (Na, K, hỗn hợp Na K) Cũng sử dụng nguyên liệu Uran làm giàu nên mức độ an toàn thấp loại lò khác ... điều khiển hạt nhân Theo nguyên lí, có hai loại hệ NCS: Kỹ thuật đánh dấu hấp thụ xạ C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2.2 Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma hệ thống kiểm soát hoạt nhân (NCS)... Chuẩn bị 3.2.3 Hệ thống kiểm soát hạt nhân dùng kỹ thuật đánh dấu  Nguyên lý Ứng dụng  Ứng dụng đo phân bố thời gian lưu  Xác định độ hư mòn 3.2.4 Các ứng dụng kỹ thuật nơtron NCS  Ứng dụng phương... 3.2.2 Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma hệ thống kiểm soát hoạt nhân (NCS) Ứng dụng đo mức C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP 3.2.2 Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma hệ thống kiểm soát hoạt nhân