Chương 1: Tổng quan lý thuyết: Giới thiệu lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt và về phương pháp kích hoạt nơtron; Tiếp cận phương pháp tính toán các thông số phổ như thông lượng nơtron nhiệt, [r]
(1)TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN
LÔ THỊ MỸ LIÊN
XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ PHỔ NƠTRON TẠI CỘT NHIỆT LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN
(2)TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN
LÔ THỊ MỸ LIÊN - 1310006
XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ PHỔ NƠTRON TẠI CỘT NHIỆT LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS PHẠM NGỌC SƠN
(3)NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(4)NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
(5)i
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, xin cảm ơn gia đình ln ln u thương tạo điều kiện cho có hội học tập, mở mang tri thức Con cảm ơn ba mẹ ln động viên, dìu dắt suốt q trình học tập
Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô Trường Đại học Đà Lạt,các thầy cô khoa Kỹ thuật hạt nhân giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho em suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện Trường Đại Học Đà Lạt
Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Vật lý Điện tử hạt nhân tạo điều kiện thuận lợi cho em thực tập làm khóa luận tốt nghiệp
Em xin gửi lời cảm ơn TS.Phạm Ngọc Sơn trực tiếp hướng dẫn em làm thực hành, dẫn, cung cấp tài liệu q trình làm khố luận
Tơi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến toàn thể bạn bè lớp HNK37, người đồng hành giảng đường đại học, nghiên cứu trao đổi kiến thức
Em xin chân thành cảm ơn!
(6)ii MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC CÁC BẢNG v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
I GIỚI THIỆU LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT
1 Mơ tả tổng quan lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt
2 Cấu trúc lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
2.1 Cấu trúc vùng hoạt
2.2 Cấu trúc điều khiển nhiên liệu
2.3 Cấu trúc che chắn thùng lò phản ứng
II PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
1 Giới thiệu phương pháp kích hoạt nơtron
1.1 Nguyên lý phương pháp kích hoạt nơtron
1.2 Phương trình kích hoạt nơtron
2 Các thơng số nơtron lị phản ứng
2.1 Hệ số α
2.2 Hệ số f
2.3 Thông lượng nơtron
3 Các phương pháp xác định thông số phổ nơtron 11
3.1 Phương pháp xác định hệ số α 11
3.1.1 Phương pháp bọc Cadmi đa dò 11
3.1.2 Phương pháp tỉ số Cadmi cho đa dò 13
3.1.3 Phương pháp đa dò chiếu trần 13
(7)iii
3.2.1 Phương pháp tỉ số cadmi 14
3.2.2 Phương pháp ba dò chiếu trần 15
3.3 Phương pháp xác định thông lượng nơtron nhiệt, nơtron nhiệt 15
4 Các phần mềm tính tốn thơng số phổ nơtron 16
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ĐO PHỔ NƠTRON 17
1 Quy trình thực nghiệm 17
1.1 Chuẩn bị dò 17
1.2 Chiếu đo mẫu 17
1.2.1 Chiếu mẫu 17
1.2.2 Đo mẫu 17
1.3 Xử lý phổ gamma 18
1.4 Tính thơng số phổ nơtron 20
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 26
1 Kết 26
2 Nhận xét 26
KẾT LUẬN 28
(8)iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng việt
LEU Low-enriched uranium Nguyên liệu có độ giàu thấp
HEU High-enriched uranium Nguyên liệu có độ giàu cao
NAA Neutron Activation
Analysis Phân tích kích hoạt nơtron
IAEA International Atomic
Energy Agency
Cơ quan lượng nguyên tử Quốc tế
(9)v
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Các đặc trưng dò Au dò Zr 17
Bảng 2: Hiệu suất ghi detector vị trí 5cm 0cm 20
Bảng 3: Diện tích đỉnh sai số diện tích đỉnh, tiết diện hiệu dụng nơtron nhiệt, hiệu suất ghi ứng với đỉnh lượng tương ứng dò 22
Bảng 4: Hoạt độ tốc độ phản ứng dị bọc khơng bọc Cd 23
Bảng 5: Số liệu hạt nhân sử dụng tính hệ số α 23
Bảng 6: Kết tính thơng lượng nơtron nhiệt nơtron nhiệt 26
(10)vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1: Sơ đồ mặt cắt đứng lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [2]
Hình 2: Sơ đồ mặt cắt ngang lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [2]
Hình 3: Cấu hình vùng hoạt làm việc với 92 bó nhiên liệu có độ làm giàu thấp [2]
Hình 4: Vị trí chiếu mẫu lị phản ứng [3]
Hình 5: Sơ đồ phản ứng hạt nhân với nơtron [4]
Hình 6: Đồ thị biểu diễn thơng lượng nơtron lị phản ứng hạt nhân [5] 11
Hình 7: Tổng quan phần mềm k0-IAEA [3] 16
Hình 8: Hệ phổ kế gamma HPGE-DSPEC 18
Hình 9: Đỉnh gamma dị Au 19
Hình 10: Đỉnh gamma dị Zr 19
Hình 11: Đồ thị hiệu suất ghi theo lượng vị trí 5cm đến detector 21
Hình 12: Đồ thị hiệu suất ghi theo lượng vị trí 0cm đến detector 21
(11)1
LỜI MỞ ĐẦU
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt khôi phục mở rộng từ công suất 250 kW lên 500 kW thức đưa vào vận hành khai thác từ ngày 20/03/1984 Sau hoạt động lại, có nhiều nghiên cứu lò, đặc biệt nghiên cứu thơng số tĩnh động học lị, thủy nhiệt, phổ lượng nơtron, Bên cạnh hướng nghiên cứu này, nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết nhằm khai thác hiệu lò phản ứng nghiện cứu
Thông lượng, phân bố thông lượng phổ nơtron Lò phản ứng thông số quan trọng Xác định thông số phổ nơtron có vai trị quan trọng nghiên cứu ứng dụng nghiên cứu vị trí chiếu xạ Các giá trị mật độ thơng lượng thu được dùng để hiệu chuẩn kênh thực nghiệm
Mục đích khóa luận đo thực nghiệm phổ thông lượng nơtron cột nhiệt lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Và để xác định thông số phổ nơtron, phương pháp kích hoạt dị áp dụng nghiên cứu Phương pháp có ưu điểm xác cao, có khả đo vị trí chiếu mẫu mà khơng thể lắp đặt đầu dị vị trí chiếu
Cấu trúc khóa luận trình bày thành ba chương sau:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết: Giới thiệu lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt phương pháp kích hoạt nơtron; Tiếp cận phương pháp tính tốn thơng số phổ thông lượng nơtron nhiệt, nơtron nhiệt, hệ số lệch phổ α tỉ số f
Chương 2: Thực nghiệm đo phổ nơtron
(12)CHƯƠNG 1: I GIỚI THIỆU LÒ PH
1 Mơ tả tổng quan lị ph
Lị phản ứng hạt nhân Đà L mở rộng từ công suất 250
khai thác từ ngày 20/03/1984 cứu đào tạo; phân tích kích ho 24/11/2011, lị phản ứng đư thấp) Nhiên liệu LEU thu 235 có vỏ bọc nhơm cứu lị, đặc biệt cứu v có nghiên lị phản ứng Hiện Việt Nam Hằng năm, lị ho mục đích nêu [1] 2 Cấu trúc lị phản ứng h
2.1 Cấu trúc vùng hoạ
Hình 1: Sơ đ
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT U LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT ng quan lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
t nhân Đà Lạt lò phản ứng nghiên cứu đượ
t 250 kW lên 500 kW thức đưa vào v 20/03/1984 Lị phản ứng hoạt động cho mục đích
hân tích kích hoạt nơtron; sản xuất đồng vị phóng x ng nạp bó nhiên liệu LEU (nhiên li u LEU thuộc loại VVR-M2, với hỗn hợp UO2-Al độ giàu 19
ng nhôm Sau hoạt động lại, có nhiều ứng d u thơng số tĩnh động học lò, thủy nhi
ứu ứng dụng, thực nghiệm lý thuyết nhằm khai thác hi nay, Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt lò phản
ị hoạt động trung bình khoảng 1300 giờ, để th [1]
ng hạt nhân Đà Lạt ạt
Sơ đồ mặt cắt đứng lò phản ứng hạt nhân Đ
ợc khôi phục c đưa vào vận hành c đích như: nghiên phóng xạ Từ ngày u LEU (nhiên liệu có độ giàu giàu 19.75% U-ng dụU-ng U-nghiên
y nhiệt Bên cạnh m khai thác hiệu n ứng thực cho ba
(13)1- Vùng hoạt 3- Giếng hút
5- Tường bê tông bảo vệ 7- Giá đỡ
Hình 2: Sơ đồ mặt cắt 1-Vùng hoạt
3-Thùng lò
5-Kênh ngang hướng tâm 7-Kênh ngang tiếp tuyến 9-Cột nhiệt
11-Tường bê tông bảo vệ
3
2- Vành phản xạ graphite 4- Các ống dẫn nước hệ thống làm ngu
6- Kênh thực nghiệm nằm ngang 8- Nắp thép dày 20 cm
ồ mặt cắt ngang lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 2-Vành phản xạ graphite 4-Kênh ngang hướng tâm
ng tâm 6-Kênh ngang hướng tâm
8-Bể chứa nhiên liệu đ 10-Cửa cột nhiệt ệ
àm nguội vòng ực nghiệm nằm ngang
ạt [2] graphite ng tâm ng tâm
(14)Hình 3: Cấu hình vùng ho
Vùng hoạt lị ph kính cực đại 44.2 cm Bên bó nhiên liệu, kh chiếu xạ
Các nạp nhiên li (ví dụ 1-4, 13-2, v.v ) số hướng từ Đông sang Tây s hướng từ Bắc đến Nam
beryllium hay kênh chi
khiển Các khối beryllium có kích thư nhiên liệu Nhiều ô mạng ngo
được đặt khối beryllium t
vịng beryllium ngồi (vành ngồi) có hình d vùng hoạt vành phản x
beryllium vùng ho thấp giá đỡ
Bảy ô mạng vùng ho
đứng với đường kính bên 33 mm nh ống dẫn
4
ình vùng hoạt làm việc với 92 bó nhiên liệu có độ l thấp [2]
a lị phản ứng có dạng hình trụ với chiều cao 60 cm đư cm Bên vùng hoạt (Hình 3) theo chiều th
ối beryllium, ống dẫn điều
p nhiên liệu điều khiển đếm vớ ố thứ thứ tự hàng tăng theo từ
Đông sang Tây số thứ hai tăng theo thứ tự đơn v n Nam Trong đó, có 114 dùng để đặt bó nhiên li
beryllium hay kênh chiếu xạ cịn lại để đặt ống dẫn i beryllium có kích thước dạng hình học giố
ng ngoại vi vùng hoạt khơng có bó nhiên li i beryllium tạo thành vành phản xạ nơtron bổ sung Bên c beryllium ngồi (vành ngồi) có hình dạng cưa đư
n xạ graphit tạo thêm vành phản xạ Vành ph vùng hoạt đặt vỏ nhơm có hình tr
ng vùng hoạt dùng để đặt ống nhôm theo chi ng kính bên 33 mm nhằm định vị điề n điều khiển có nước bên phần dư
ệu có độ làm giàu
u cao 60 cm đường u thẳng đứng đặt u khiển kênh
ới hai số nguyên ừng đơn vị theo ng đơn vị theo t bó nhiên liệu, khối n điều ống bó t khơng có bó nhiên liệu sung Bên cạnh đó, ng cưa đặt Vành phản xạ nhôm có hình trụ có vị trí
(15)5
khoan để nước ngồi điều khiển di chuyển xuống phía Hiện nay, vùng hoạt lò phản ứng nạp tải với cấu hình làm việc sau: 92 bó nhiên liệu LEU có Bẫy nơtron tâm, 12 beryllium xung quanh Bẫy, kênh khô 7-1, 13-2 kênh ướt 1-4 từ tháng 12/2011 Từ tháng 8/2012, ô 13-2 lắp đặt hệ chuyển mẫu khí nén
Các bó nhiên liệu phận bên vùng hoạt cố định vị trí bên vùng hoạt Điều bảo đảm tính tồn vẹn vùng hoạt q trình lị phản ứng hoạt động bình thường tình có cố
2.2 Cấu trúc điều khiển nhiên liệu
Trong vùng hoạt đặt điều khiển, có hai cố AZ, bù trừ KC điều khiển tự động AR, AZ KC làm từ vật liệu Carbua Bo hấp thụ mạnh nơtron nhiệt, AR làm từ thép không rỉ Các cố AZ chịu trách nhiệm tắt lị có cố Các KC bảo đảm bù trừ độ phản ứng dự trữ lị q trình làm việc, bù trừ cháy nhiên liệu hiệu ứng nhiễm độc, hiệu ứng nhiệt độ, Thanh AR dùng để điều khiển tự động, giữ cơng suất lị mức cho trước Ngồi bó nhiên liệu cịn đặt Berili khối Berili nhằm tạo thêm lớp phản xạ nơtron bổ sung [2]
2.3 Cấu trúc che chắn thùng lò phản ứng
Kết cấu bê tơng cốt thép có chiều dài 8.6 m chiều cao tính từ sàn nhà lị khoảng 6.55 m Cấu trúc che chắn lò phản ứng theo dạng bậc thang nên phần đáy có chiều rộng khoảng 6.69 m phía có hình bát giác với chiều rộng khoảng 3.81 m [2]
(16)2.4 Các vị trí chiếu m
Hình Hiện nay, lò phản hoạt, Mâm quay, Cột nhi
kênh ngang xuyên tâm Trong đó, Mâm quay, kênh sử dụng cho mục đích kích ho
- Mâm quay: Nằm cho phép chiếu dài (>1 gi
gói thích hợp vào container chun d - Kênh 7-1 Kênh 13 động khí nén thích hợp cho vi phút
- Cột nhiệt: vị
chuyển mẫu khí nén dùng cho phép chi lý hạt nhân thực nghiệm
6 u mẫu lò phản ứng
Hình 4: Vị trí chiếu mẫu lị phản ứng [3]
n ứng có kênh chiếu mẫu: Bẫy nơtron trung tâm vùng t nhiệt, kênh 1-4, kênh 7-1, kênh 13-2, kênh ngang
kênh ngang xuyên tâm Trong đó, Mâm quay, kênh 7-1, kênh 13-2, C c đích kích hoạt nơtron giới thiệu phần dướ
m vành phản xạ, có 40 hốc chiếu, vị trí chi u dài (>1 giờ) Vì kênh ướt nên mẫu chiếu ph p vào container chuyên dụng cho việc chiếu mẫu Mâm quay
1 Kênh 13-2: Là hai kênh khô nối với hệ p cho việc chiếu mẫu thời gian từ vài giây đ
trí có độ nhiệt hóa nơtron tốt nhất, k
u khí nén dùng cho phép chiếu kích hoạt lặp vịng nghiên c
i trung tâm vùng 2, kênh ngang tiết tuyến 2, Cột nhiệt
ới [2]: trí chiếu ướt dùng
u phải bao i Mâm quay
chuyển mẫu tự vài giây đến vài chục
(17)7 II PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 1 Giới thiệu phương pháp kích hoạt nơtron
1.1 Nguyên lý phương pháp kích hoạt nơtron
Cơ sở phương pháp kích hoạt nơtron sở phản ứng hạt nhân đồng vị bia với nơtron từ kênh chiếu lò phản ứng hạt nhân Hình cho thấy mơ hình tổng quát phương pháp kích hoạt nơtron hạt nhân bia cho trước: phản ứng hạt nhân thường quan tâm nhiều phản ứng (n, ) với hạt nhân X (nhân bia) hấp thụ nơtron tạo nhân phóng xạ có số Z khối lượng nguyên tử tăng lên đơn vị phát xạ gamma đặc trưng [5]:
1 1
0
A Z A
Z A
Z n X X
X (1.1)
Dựa vào lượng cường độ xạ đặc trưng hạt nhân A+1X ta định tính định lượng hạt nhân bia AX
Trong :
A : số khối nguyên tố bia
Z : số hiệu nguyên tử hạt nhân bia
Ký hiệu () trình biểu diễn cho hạt nhân hợp phần giai đoạn trung gian
(18)8 1.2 Phương trình kích hoạt nơtron
Hoạt độ hạt nhân hình thành phản ứng kích hoạt (n,) đo hệ phổ kế gamma với detector HPGe, mối liên hệ tốc độ phản ứng (R) số đếm (Np ) thu đỉnh lượng toàn phần sau [5]:
A N
W C D S
t N
I G G
R
p A
m p
e e th
th
( )
(1.2)
Theo qui ước Hogdahl, phương trình cho việc xác định khối lượng nguyên tố dùng phản ứng (n, ) phổ kế gamma [5]:
th th e e p A
m p
D S I G G
A W N t N
) (
0
0
(1.3)
Với Np/tm – tốc độ xung đo đỉnh tia gamma quan tâm, hiệu
chỉnh cho thời gian chết hiệu ứng ngẫu nhiên trùng phùng thực (Np
– số đếm đỉnh lượng toàn phần; tm – thời gian đo)
NA số Avogadro,
W – khối lượng nguyên tố chiếu xạ (g), – độ phổ cập đồng vị bia,
A – khối lượng nguyên tử nguyên tố bia, 0 – tiết diện nơtron vận tốc 2200 m.s-1,
th – thông lượng nơtron nhiệt,
e – thông lượng nơtron nhiệt,
I0()– tiết diện tích phân cộng hưởng cho phổ 1/E 1+,
Gth – hệ số hiệu chỉnh cho việc tự che chắn nơtron nhiệt,
Ge – hệ số hiệu chỉnh cho việc tự che chắn nơtron nhiệt,
S = – exp(-ti), ti – thời gian chiếu, - số phân rã,
D = exp(-td), td – thời gian phân rã,
(19)9 γ - cường độ tuyệt đối tia gamma đo, p – hiệu suất ghi đỉnh lượng tồn phần
2 Các thơng số nơtron lị phản ứng
Mỗi vị trí chiếu xạ lị phản ứng đặc trưng thơng số phổ nơtron vị trí hệ số lệch phổ α, tỉ số thông lượng nơtron nhiệt nơtron nhiệt
2.1 Hệ số α
Hệ số biểu diễn cho độ lệch phổ nơtron nhiệt khỏi quy luật 1/E mô tả dạng gần 1/E1+, có giá trị âm dương khoảng [-1,1] phụ thuộc vào loại lò phản ứng, vật liệu cấu hình xung quanh vị trí chiếu Giá trị dùng để tính Q0→Q0(α) phương trình
Có phương pháp thực nghiệm xác định hệ số , phương pháp trình bày mục 3.1:
- Phương pháp bọc Cadmi cho đa dò - Phương pháp tỉ số Cadmi cho đa dò - Phương pháp ba dò chiếu trần
2.2 Hệ số f
Hệ số f định nghĩa tỉ số thông lượng nơtron nhiệt nơtron nhiệt [6]
(1.4)
Với:
ϕ thông lượng nơtron nhiệt ϕ thông lượng nơtron nhiệt
Các phương pháp xác định tỉ số f trình bày mục 3.2
2.3 Thông lượng nơtron
Nơtron lò phản ứng chủ yếu nơtron nhanh (hoặc nơtron phân hạch) tạo từ phản ứng phân hạch hạt nhân Các nơtron làm chậm
e th
f
(20)10
khoảng 10-15 s va chạm với chất nhiệt hoá cuối bị nhiệt hóa thành nơtron nhiệt Nơtron sinh lị phản ứng có lượng khoảng đến 20 MeV Trong khoảng lượng nơtron tương tác với vật chất khác miền lượng khác Vì vậy, người ta chia phổ nơtron lị phản ứng làm vùng lượng
+ Đặc điểm nơtron nhiệt: có lượng En khoảng < En<
0.55eV, nơtron chuyển động trạng thái cân nhiệt với phân tử môi trường Trong vùng mật độ nơtron phụ thuộc vào lượng theo phân bố Maxwell-Boltzmann [5]:
E e kT
n E
n kT
E
2
2 ) (
(1.5)
Trong đó: = ∫ ( ) mật độ nơtrơn toàn phần
k = 8.61x10-5 eV/K số Boltzmann T nhiệt độ môi trường Ở nhiệt độ phịng thí nghiệm T = 293.60K v = 2200 m/s lượng nơtron nhiệt ET = 0.0253 eV
+ Đặc điểm nơtron trung gian (nơtron nhiệt): có lượng En
trong khoảng 0.55 eV < En< 100 keV, nơtron vùng lượng
được gọi nơtron nhiệt, vùng tiết diện tương tác nơtron với vật chất có dạng cộng hưởng Do đó, miền lượng gọi miền cộng hưởng Một cách lý tưởng, phân bố thông lượng nơtron nhiệt tỉ lệ nghịch với lượng nơtron E [5]
( ) e
e E
E
(1.6)
Trong đó, ( ) - thông lượng nơtron nhiệt vi phân theo lượng E,
thông lượng nơtron tích phân nhiệt theo quy ước Nhưng thực tế phụ thuộc thường biểu diễn theo dạng [5]:
(1.7)
eV
E
E e
(21)+ Đặc điểm n hạch, có lượng kho MeV Nơtron tồn tạ hạch thường dùng phổ
Trong đó, E lư nơtron nhanh thơng lư
Hình 6: Đồ thị biểu diễn thông l 3 Các phương pháp xác đ
3.1 Phương pháp xác đ 3.1.1 Phương pháp bọ
Phương pháp ch
nơtron nhiệt Theo phương pháp m Cadmium, α độ
Au i
k0, log
11
a nơtron nhanh: nơtron sinh ph ng khoảng 100 keV-20 MeV, phân bố cực đại kho
ại đồng thời với nơtron nhanh nơtron nhi phân hạch Watt biểu diễn theo công th
E e E E
f
f 0.484 sinh
E lượng nơtron, đơn vị MeV, ( ) tron nhanh thông lượng nơtron nhanh lượng E
ồ thị biểu diễn thông lượng nơtron lò phản ứng hạ Các phương pháp xác định thông số phổ nơtron
Phương pháp xác định hệ số α ọc Cadmi đa dị
Phương pháp chủ yếu thích hợp cho việc xác định α kích ho Theo phương pháp monitor đư
dốc đường thẳng sau làm khớp [7]:
pi Cdi i ei Cd i sp i
r
G Q
F i
A E
, ,
0 , ,
, ,
. .
.
.
theo log Er,i
tron sinh phản ứng phân i khoảng 0.7 tron nhiệt Phổ phân n theo công thức [5]:
(1.8) )là thông lượng
ản ứng hạt nhân [5]
trong kích hoạt monitor chiếu bọc
(22)12 Trong đó: C D S W t N A m p Cd i sp
, : hoạt độ riêng monitor thứ 1(phân rã/giây/gam);
i p,
: hiệu suất ghi nhận detector monitor; i
Cd
F , : hệ số hiệu chỉnh cho truyền qua Cd nơtron nhiệt; i
e
G , : hệ số tự che chắn nơtron nhiệt; i
k0,Au : số k0 monitor i so với Au;
Vế trái phương trình (1.9) hàm log theo α.Vì để tìm α ta áp dụng phép tính lặp cách cho α=0, sau vẽ đồ thị phương trình (1.9) ta hệ số góc α=α1 , vẽ đồ thị với phương trình với hệ số góc
α=α1, tiếp tục làm αn-1=αn αn hệ số lệch phổ nơtron
trên nhiệt cần tìm
Ngồi ra, nghiệm tìm α cách giải phương trình [4]:
N E log E log N a Q G F e i k E A log α Q G F e i k E A log N E log E log N i N i i r, i r, N i N i i 0, i e, i Cd, i p, Au 0, α i r, epiCd i sp, i 0, i e, i Cd, i p, Au 0, α i r, epiCd i sp, N i i r, i r, (1.10) Khi chọn monitor ta nên chọn monitor có lượngEr,iphân bố từ
(23)13 3.1.2 Phương pháp tỉ số Cadmi cho đa dò
Phương pháp sử dụng gồm N monitor chiếu trần bọc Cd Mỗi monitor đặc trưng lượng cộng hưởng hiệu dụng trung bình Er,i Khi ứng với monitor, ta tính tỉ số Cadmi, RCd sau [4] :
epiCd i sp i sp i e i th i Cd A A I R , , , , ,
1
(1.11) Trong đó: i sp
A , , AspepiCd,i hoạt độ riêng monitor ứng với chiếu trần chiếu
bọc Cadmi (phân rã/giây/gam);
Cũng phương pháp “đa dò bọc Cd”, α độ dốc đường thẳng sau làm khớp [4]:
Cdi Cdi i ei thi i r G G Q R F E , , , , , , / log
theologEr,i (1.12)
Ngồi ra, nghiệm α tìm cách giải phương trình (1.12) sau [4]:
log log ) ( log ) ( log log log , , , , , , , , , , , , , , , , N i N i i r i r N i N i i i e i Cd i Cd i r i th i i e i Cd i Cd i r i th N i i r i r N E E N a Q G R F E G Q G R F E G N E E (1.13)
3.1.3 Phương pháp đa dò chiếu trần
Phương pháp thường dùng lò phản ứng để xác định hệ số α Theo phương pháp này, monitor đem chiếu trần với monitor tham khảo “reference” [6]:
Eri Ti
,
log theologEr,i (1.14)
(24)14 log log log log log log , , , , N i N i i r i r N i N i i i N i i r i r N E E N T T N E E
(1.15)
Với :
ei thi ref eref thref i i r ref p Au ref sp i p Au i sp i G G Q G G Q E ref k A i k A T , , , , , , , , , , , , , / / (1.16) Trong cơng thức (1.15) khơng tính đến monitor “ref” tức số monitor N+1 gồm có N monitor cộng với monitor “ref” Trong phương pháp người ta thường dùng “ba dị” để tính hệ số α tức gồm N=2 monitor monitor “ref” ta phương pháp “ba dò chiếu trần” [6]
( 1) ( 1) )
(ab Q0 1 a Q0 2 b Q0 3 (1.17) Trong đó: 1 , , , , , , p p Au Au sp sp k k A A a 1 , , , , , , p p Au Au sp sp k k A A b
Cách chọn monitor dựa vào giá trị lượng cộng hưởng hiệu dụng Thông thường phương pháp “ba dò chiếu trần” dò sử dụng là: Au197- Zr94– Zr96
3.2 Phương pháp xác định hệ số f 3.2.1 Phương pháp tỉ số cadmi
Tỉ số thông lượng nơtron nhiệt/nơtron nhiệt, = thu bằng, cách dùng thực nghiệm cho việc xác định α
(25)15
er thr r
Cd r
Cd R Q G G
F
f ( , , 1) 0 , / , (1.18) Trong công thức (1.17) số r kí hiệu cho monitor tỉ số thông lượng nơtron với giá trị Q0 logEr,i biết xác chiếu có bọc khơng bọc lớp
Cd
3.2.2 Phương pháp ba dò chiếu trần
Từ việc xác định hệ số α theo phương pháp “ba dò chiếu trần”, ta rút biểu thức xác định tỉ số thông lượng nơtron f sau:
,2 , , , , , , , , , , 2 , , , , , , , p p Au Au e sp sp th sp sp e p p Au Au e k k Q G A A G A A Q G k k Q G f (1.19) Trong đó: W C D S t N A m p sp
, : hoạt độ riêng monitor thứ I (phân rã/giây/gam);
W C D S t N A m p sp
, : hoạt độ riêng monitor thứ II (phân rã/giây/gam);
3.3 Phương pháp xác định thông lượng nơtron nhiệt, nơtron nhiệt
Sau tính tốn hệ số f α ta tính thơng lượng nơtron phương trình kích hoạt nơtron
Dựa vào phương trình (1.3) thơng lượng nơtron nhiệt xác định sau:
f Q W N C D S M t N p A m p th 0
(1.20)
Tính thơng lượng nơtron nhiệt dễ dàng ta suy thơng lượng nơtron nhiệt:
f
th e
(26)4 Các phần mềm tính tốn thơng s - k0-IAEA: Là phầ
chuẩn hóa k-zero (NAA) Ph toán k0-NAA, ch chuẩn hiệu suất ghi detetcor, hi lượng với sai số, v.v… Ph Đại học Cơng nghệ Delft, Hà Lan
Ngồi ra, phần m phương pháp Holistic d
Phần mềm chia làm hai nhóm riêng bi (database) nhóm chương tr
tốn Tổng quan chương tr
Hình
- Excel: Là ứ
Microsoft Windows, Mac OS X IOS đư tiếp tục phát triển năm 1980 Cùng v đưa vào Office 95 đư
đầu có mặt hầu hế Office 2013 Excel có nh tốn tự động, thiết lập hàm s lẫn nhau, khả trao đ sử dụng bảng tính Excel đư
16
m tính tốn thơng số phổ nơtron
ần mềm phân tích kích hoạt nơtron dựa phương pháp zero (NAA) Phần mềm xử lý tất số liệu đư
NAA, chẳng hạn như: Tính tốn thơng số ph
t ghi detetcor, hiệu hình học mẫu cấu hình đo, tính hàm , v.v… Phần mềm phát triển M Blaauw
Delft, Hà Lan
n mềm k0-IAEA cịn có khả xử lý phổ phương pháp Holistic dựa phương pháp tính số bình phương t
c chia làm hai nhóm riêng biệt Nhóm s (database) nhóm chương trình bao gồm module thực hi
ng quan chương trình mơ tả hình bên
Hình 7: Tổng quan phần mềm k0-IAEA [3]
ứng dụng bảng tính phát triển Microsolf cho Windows, Mac OS X IOS giới thiệu lần vào năm 1985
n năm 1980 Cùng với đời Window 3.0, Excel đư Office 95 sử dụng rộng rãi, trở thành cơng cụ
ết máy tính cá nhân Hiện nay, phiên b có tính đặc biệt như: Macro phục v
p hàm sử dụng code lưu lại nhiều bảng tính có móc n trao đổi liệu với ứng dụng khác… Trong khóa lu
xcel thiết kế để tính tốn thơng số phổ nơtron
a phương pháp u yêu cầu phổ nơtron, hiệu đo, tính hàm Blaauw Trường
ổ gamma ương tối thiểu Nhóm sở liệu c việc tính
i Microsolf cho u tiên vào năm 1985 a Window 3.0, Excel bảng tính hàng n nay, phiên c vụ cho việc tính ng tính có móc nối ng khác… Trong khóa luận này,
(27)17
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ĐO PHỔ NƠTRON 1 Quy trình thực nghiệm
1.1 Chuẩn bị dò
Trong khóa luận sử dụng dị Au, Zr để tính thơng số phổ Đối với dị bọc Cd: 0.00001375 g (0.1 % Au); 0.01921 g (100% Zr) Đối với dò trần: 0.00001372 g (0.1 % Au); 0.01923 g (100% Zr)
Bảng 1: Các đặc trưng dò Au dò Zr Phản ứng hạt
nhân
Chu kỳ bán rã T1/2(s)
Năng lượng E (keV)
Cường độ phát I (%)
Độ phổ biến θ (%)
197
Au(n,)198Au 232848 411.8 95.62 100
95
Zr(n,)96Zr 60300 743.0 93.09 2.8
Quá trình chuẩn bị dò tiến hành phòng chuẩn bị mẫu, Trung tâm Vật lý Điện tử hạt nhân, Viện nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt
1.2 Chiếu đo mẫu 1.2.1 Chiếu mẫu
Đối với dò bọc Cadmium: chiếu 30 phút (1800 giây) hai dò Au Zr cột nhiệt
Đối với dò trần: chiếu 10 phút (600 giây) hai dò Au Zr cột nhiệt
1.2.2 Đo mẫu
Đối với dò bọc Cadmium: Au thời gian rã (td) 167150 giây, thời gian đo
(tm) 72331.34 giây đo cách detector cm; Zr thời gian rã (td) 86366 giây, thời
gian đo (tm) 5359.94 giây đo sát với detector (0 cm)
Đối với dò trần: Au thời gian rã (td) 235573 giây, thời gian đo (tm)
8048.4 giây đo cách detector cm; Zr thời gian rã (td) 254336 giây, thời gian
đo (tm) 5688.94 giây đo sát với detector (0 cm)
(28)18
Hình 8: Hệ phổ kế gamma HPGE-DSPEC 1.3 Xử lý phổ gamma
Xử lý phổ gamma dùng phương pháp toán học máy tính xác định xác lượng độ lớn đỉnh gamma phổ Năng lượng gamma nhận diện ứng với hạt nhân mẫu, có hạt nhân phát lượng gamma, ứng với phổ gamma đỉnh có hạt nhân lại phát nhiều đỉnh gamma mức lượng khác có số đỉnh đồng thời nhiều hạt nhân phát Do phải vào chu kỳ bán rã hạt nhân, tồn tất tia gamma phổ để từ định việc nhận diện hạt nhân cho tránh nhầm lẫn
Độ lớn đỉnh gamma (tính theo số đếm) dùng để tính hàm lượng nguyên tố diện mẫu đo, việc tính xác diện tích đỉnh gamma định độ xác kết phân tích Trong nhiều trường hợp đỉnh chồng chập ta dùng chương trình tính tốn làm khớp đỉnh (Fit) máy tính để tách đỉnh chồng chập Hiện có nhiều phần mềm máy tính thực việc xử lý phổ gamma dùng cho phân tích kích hoạt neutron như: Gamma Vision (ORTEC), Genie2K (CANBERRA), Ganaas (IAEA),… Hình dáng đỉnh mơ tả hàm Gauss đơn giản hàm bổ trợ thích hợp Do tất đỉnh liên quan đến vạch bội tự động phân tích
(29)19
Hình 9: Đỉnh gamma dò Au
(30)20 1.4 Tính thơng số phổ nơtron
Trong khóa luận này, tơi sử dụng phần mềm Excel để tính thông số phổ nơtron Các bước tiến hành xác định thơng số phổ trình bày mục bên
Để tính thơng số phổ Excel ta cần lập bảng tính cho dị Au, Zr gồm thông số như: lượng, diện tích đỉnh, hệ số hiệu chỉnh, thời gian chiếu, thời gian rã, thời gian đo, khối lượng dò, hệ số Q0, lượng cộng hưởng ,
tích phân cộng hưởng I0
Bước 1: Tính hiệu suất ghi detector vị trí cm dò Au cm dò Zr Dưới bảng hiệu suất ghi detector:
Bảng 2: Hiệu suất ghi detector vị trí cm cm
Energy Loge log log
(keV) (keV) (5cm) (5cm) (0cm) (0cm)
(31)21
Hình 11: Đồ thị hiệu suất ghi theo lượng vị trí cm đến detector
Hình 12: Đồ thị hiệu suất ghi theo lượng vị trí cm đến detector
y = -0.405067x5+ 4.692637x4- 21.256426x3+ 46.626561x2- 49.384529x + 20.715377
R² = 0.999006
-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
1.9 2.1 2.3 2.5 2.7 2.9 3.1 3.3
lo
g
logE
y = -0.372682x5+ 4.199249x4- 18.262172x3+ 37.568103x2- 35.719518x + 13.276869
R² = 0.998998
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
1.9 2.1 2.3 2.5 2.7 2.9 3.1
lo
g
(32)22
Bước 2: Từ hai đường cong hiệu suất ta tính hiệu suất ghi detector
Hiệu suất ghi tính bảng bên dưới:
Bảng 3: Diện tích đỉnh sai số diện tích đỉnh, tiết diện hiệu dụng nơtron nhiệt, hiệu suất ghi ứng với đỉnh lượng tương ứng dò
Bọc Cd Mẫu Năng lượng E (keV) Tiết diện hiệu dụng (b)
Sai số tiết diện Hiệu suất (%) Sai số hiệu suất (%) Diện tích đỉnh Sai số diện tích đỉnh
Au 411.8 98.65 0.09 1.75 0.035 101668 412 Zr 743.0 0.0213 0.000213 7.25 0.145 15129 136 Trần Au 411.8 98.65 0.09 1.75 0.035 27120 186 Zr 743.0 0.0213 0.000213 7.25 0.145 935 36 Bước 3: Tính hoạt độ tốc độ dò Au Zr hai trường hợp bọc khơng bọc Cd
a) Phương trình tính hoạt độ A:
W C D S t N
Asp p m
(1.22) W C D S t N
Aspe p m
,
(1.23)
Với Asp hoạt độ dò trần, Asp,e hoạt độ dò bọc Cd
b) Phương trình tính tốc độ phản ứng sau:
A g sp s N F M A
R
(1.24) A g e sp Cd s N F M A
R, ,
(33)23
Với Rsvà Rs,Cd tốc độ phản ứng dò trần dò bọc Cd
Bảng 4: Hoạt độ tốc độ phản ứng dị bọc khơng bọc Cd
Bọc Cd
Mẫu
Năng lượng E
(keV)
Hoạt độ A (Bq)
Sai số hoạt độ
(%)
Tốc độ phản ứng
R (%)
Sai số tốc độ phản
ứng Au 412.05 3.50E+07 0.41 6.87E-13 1.86 Zr 725.09 2.00E+04 0.90 1.65E-15 2.19 Trần Au 412.11 2.81E+08 0.69 5.49E-12 1.94 Zr 724.38 2.52E+04 3.85 2.02E-15 4.34 Bước 4: Tính hệ số anpha: Ta sử dụng dò Au, Zr để tính, dùng trang web Wolfram Alpha để tìm hệ số anpha
Tham số dạng phổ nhiệt, hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc lượng, âm dương phụ thuộc vào cấu hình hệ chiếu (Chất làm chậm, hình học chiếu mẫu)
Mức không lý tưởng dạng thông lượng nhiệt, vị trí chiếu mẫu xác định từ thực nghiệm sử dụng phương pháp dị đơi, sử dụng tỉ số Cd phản ứng 197Au(n,)198Au 95Zr(n,)96Zr, dị Au Zr sử dụng mỏng để giảm hiệu ứng tự che chắn nơtron
Hệ số
0 ,
0 ,
0.426
1 0.426
epi r Zr
A Zr
A epi r Au
Au
Q FG E C
R Au
Au
Zr R Zr Q FG E C
(1.26)
Với
ECd
C
1
426
(1.27)
Bảng 5: Số liệu hạt nhân sử dụng tính hệ số α
Lá dị (eV) F Gepi (b) (b)
Au 5.47 1 1550±28 98.65±0.09 15.71
(34)Hình ảnh trang W
Theo lý thuyết hệ đoạn [-1,1], kết hợp với k
Bước 5: Tính thơng lư - Thông lượng nơtron nhi
Với FCd hệ số hiệu Cadmium (
Để tính thơng lượng nơ kết α thu theo công thức sau
24
nh trang Wolfram Alpha để tính hệ số anpha [8]
Hình 13: Kết tính hệ số anpha số nguồn nơtron từ lò phản i kết ta thu hệ số α α = -0.13 : Tính thơng lượng nhiệt nhiệt
tron nhiệt:
th Cd S Cd S
G R F R
0 ,
u Cadmium ( ≈ 1)
Để tính thơng lượng nơtron nhiệt, trước hết ta tính I thu theo cơng thức sau:
[8]
n ứng α thuộc
( 1.28 )
(35)25
Cd
r E
E I eV I
1
426 426
1 0
0 (1.29)
- Thông lượng nơtron nhiệt :
A Cd epi th e
G I F R
G g
0 0
(1.30)
Với RA hệ số cadmium
e sp
sp A
A A R
,
(36)26
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 1 Kết
Kết tính thơng số phổ nơtron vị trí chiếu mẫu cột nhiệt hệ số lệch phổ anpha, tỉ số thông lượng nơtron nhiệt nơtron nhiệt (f), thông lượng nơtron nhiệt, thông lượng nơtron nhiệt trình bày bảng 5, thơng số phổ xác định lần chạy lò 6/2017 9/2017 lị cơng suất 500 kW
Bảng 6: Kết tính thơng lượng nơtron nhiệt nơtron nhiệt
Mẫu
Tích phân cộng hưởng
I(b)
Sai số tích phân
cộng hưởng (b)
Thông lượng nơtron nhiệt
Sai số thông lượng nơtron nhiệt (%)
Thông lượng nơtron
nhiệt
Sai số thông lượng nơtron nhiệt
(%)
Au 1550 28 4.87E+10 2.70 3.55E+08 2.88
Zr 5.28 0.03 1.97E+10 4.96 1.44E+08 4.96
Bảng 7: Kết thông lượng nơtron tổng, tỉ số f
2 Nhận xét
Kết thông lượng gần đo với hai loại dò chuẩn Au Zr, chứng tỏ tính xác phép đo bước xử lý số liệu thực nghiệm Giá trị trung bình thông lượng thu 3.45x1010 ncm-2s-1 sai số phép đo 7.75% mức sai số cho phép đo đạc thực nghiệm phép đo kích hoạt nơtron Đối với dò khác ta thu tỉ số Cd khác nhau, nguyên nhân tiết diện tích phân cộng hưởng dị khác Tỉ số nơtron nhiệt nơtron nhiệt f gần dò Theo lý thuyết hệ số nguồn nơtron từ lị phản ứng α ∈ [−1; 1] thực nghiệm ta tính hệ số
Mẫu
Thơng lượng nơtron tổng
Sai số thông lượng nơtron
tổng (%)
Tỉ số f
Au 4.91E+10 5.58 137.18
(37)27
(38)28 KẾT LUẬN
Với mục tiêu ban đầu phương pháp nghiên cứu trình trình bày phần đặt vấn đề, luận văn đạt kết kỳ vọng xác định thực nghiệm thơng số phổ nơtron cột nhiệt lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt Các nội dung thực hồn thành luận văn tóm tắt sau:
Trong chương 1, giới thiệu tổng quan cấu trúc lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Ở phần tổng quan lý thuyết phương pháp kích hoạt nơtron ta trình bày nguyên lý phương pháp chuẩn hóa kích hoạt nơtron Bên cạnh ta tiếp cận phương pháp tính tốn thơng số phổ thông lượng nơtron nhiệt, nơtron nhiệt, hệ số lệch phổ α tỉ số f
Chương 2, tơi trình bày tiến trình bước bố trí nghiệm, đo thực nghiệm dò Au Zr, giới thiệu phần mềm thu nhận xử lý tính tốn thơng số phổ Đồng thời trình bày đại lượng đặc trưng cần thiết cho việc tính tốn
(39)29
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Hồ Mạnh Dũng (2003), Nghiên cứu phát triển phương pháp k – zero trong phân tích kích hoạt neutron lò phản ứng Hạt nhân cho xác định đa nguyên tố, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Tp Hồ Chí Minh
[2] Ngơ Quang Huy (1997), Vật lý lị phản ứng hạt nhân, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, Trung tâm Hạt Nhân Tp Hồ Chí Minh
[3] Cao Đơng Vũ (2009), Nghiên cứu, áp dụng chương trình k0-IAEA lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, Báo cáo tổng kết Đề Tài khoa học công nghệ cấp sở năm 2009
[4] Huỳnh Trúc Phương (2009), Phương Pháp K0 phân tích kích hoạt
neutron vùng lượng thấp, luận án Tiến sĩ Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh
[5] Hồ Mạnh Dũng (2004), Phân tích kích hoạt nơtron lị phản ứng hạt nhân, Giáo trình lớp cao học ngành vật lý hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh
[6] Huỳnh Trúc Phương (2001), Phân tích kích hoạt nơtron, Giáo trình lưu hành nội bộ,Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh
[7] Hồ Mạnh Dũng (2003), Nghiên cứu phát triển phương pháp k-zero phân tích kích hoạt nơtron lò phản ứng Hạt nhân cho xác định đa nguyên tố, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Tp Hồ Chí Minh
Website