Luận án tiến sĩ nghiên cứu phản ứng hạt nhân (p, n) trên các bia nặng phục vụ cho thiết kế bia trong lò phản ứng

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ ÁI THU NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN (p, n) TRÊN CÁC BIA NẶNG PHỤC VỤ CHO THIẾT KẾ BIA TRONG LÒ PHẢN ỨNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY GIA TỐC LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Tp Hồ Chí Minh – 2011 ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ ÁI THU NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN (p, n) TRÊN CÁC BIA NẶNG PHỤC VỤ CHO THIẾT KẾ BIA TRONG LÒ PHẢN ỨNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY GIA TỐC Chuyên ngành: Vật Lý Nguyên tử Hạt nhân Mã số chuyên ngành: 62 44 05 01 Phản biện 1: GS TSKH NGUYỄN XUÂN HÃN Phản biện 2: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH Phản biện 3: TS TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN Phản biện độc lập 1: PGS.TS NGÔ QUANG HUY Phản biện độc lập 2: TS NGUYỄN VĂN HÙNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN MỘNG GIAO PGS.TS CHÂU VĂN TẠO Tp Hồ Chí Minh – Năm 2011 iii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng với Thầy hướng dẫn khoa học Kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Nguyễn Thị Ái Thu iv LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, tác giả nhận nhiều giúp đỡ chân tình Xin trân trọng cảm ơn:  PGS.TS Nguyễn Mộng Giao, thầy hướng dẫn nghiên cứu thực luận án Thầy tạo điều kiện để tham dự báo cáo Hội nghị khoa học nước gửi đăng tạp chí khoa học Ý tham dự hội nghị quốc tế Nhật Mỹ  PGS TS Châu Văn Tạo Trưởng Khoa Vật Lý, Trưởng Chuyên ngành Hạt Nhân Nguyên Tử Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP Hồ Chí Minh tận tâm bảo giúp đỡ lúc tơi cần để hồn thành luận án  PGS TS Vương Hữu Tấn, Viện Trưởng Viện Năng lượng Nguyên Tử VN cung cấp tài liệu giúp đỡ viết luận án  PGS TS Nguyễn Nhị Điền, Viện Trưởng Viện Hạt Nhân Dalat, giúp đỡ tạo điều kiện nghiên cứu thời gian dài Lị phản ứng hạt nhân giúp tơi mở cửa sổ để tiếp cận khảo sát thực tế  Xin cảm ơn Thầy Phản biện Thầy Cô thành viên Hội Đồng Cấp Cơ sở giúp nhiều ý kiến bổ ích cho Luận án  Xin chân thành cảm ơn Thầy Phản biện Độc lập đọc dẫn nhiều ý kiến quan trọng để hoàn thành Luận án  Xin cảm ơn Giáo sư Jirina R Stone (MIT – Massachusetts Institute of Technology – USA) nhiệt tình góp ý, ủng hộ hết lòng cho đề tài nghiên cứu Luận án Cảm ơn Giáo sư Tunis (ICTP – International Centre for Theoretical Physics – Italy ) với giúp đỡ nhận xét mang tính khoa học cao cho cơng trình nghiên cứu Luận án Xin cảm ơn Giáo sư Hiroyoshi Sakurai (RIKEN Nishina Center for Accelerator Based Science – Japan) cho ý kiến đóng góp để cơng trình nghiên cứu Luận án hồn thiện v  Các thầy Bộ Mơn Hạt Nhân Phịng Quản Lý Khoa Học Sau Đại Học Hợp Tác Quốc Tế, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh giúp đỡ để hoàn thành bảo vệ luận án  Xin cảm ơn đồng nghiệp Trường Cao Đẳng GTVT Tp HCM động viên trình hồn thành luận án Cuối xin phép GS.TS, thầy cô cho thắp nén hương linh để tạ ơn người anh ruột Nguyễn Mạnh Dũng qua đời Suốt năm bệnh nặng mà động viên giúp đỡ vật chất tinh thần cho học nghiên cứu, khoảng thời gian vừa học vừa nuôi anh bệnh viện, khoảng thời gian mà quên Một lần xin cảm ơn quý thầy cô bạn bè động lực nguồn sáng cho viết luận án tiến sĩ hôm vi MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iv Bảng chữ viết tắt vi Danh mục bảng viii Danh mục hình vẽ ix Mở đầu Chương Tổng quan 13 1.1 Những nghiên cứu giới phản ứng (p, n) 13 1.2 Giới thiệu thư viện liệu hạt nhân JENDL 25 1.2.1 File tổng quát 25 1.2.2 File đặc biệt 27 1.2.3 Thư viện liệu lượng cao JENDL (JENDL-HE) 28 1.2.4 Cấu trúc JENDL-HE-2007 28 Chương Mơ hình bia đồng 29 2.1 Một số cơng thức tính tốn 29 2.1.1 Cơng thức tính tiết diện phản ứng 29 2.1.2 Cơng thức tính số neutron hiệu suất sinh neutron 30 2.1.3 Chương trình MATLAB 31 2.1.4 Dữ liệu thư viện JENDL-HE 31 2.1.5 Xây dựng chương trình tính tốn 32 Một số kết 33 2.2.1 Bề dày bia 33 2.2.2 Số neutron sinh từ phản ứng (p, n) bia nặng 34 2.2.3 Số neutron sinh theo phân bố góc 39 2.2.4 Tiết diện vi phân phản ứng (p, n) bia nặng 43 2.2 vii 2.2.5 Phân bố góc neutron 47 2.2.6 Hiệu suất neutron 50 2.3 Kết luận 52 Chương Mô hình chắn bia 53 3.1 Mơ hình tính 53 3.2 Các bước tính tốn 56 3.2.1 Năng lượng mát chùm proton tới 56 3.2.2 Sự suy giảm cường độ dòng proton 58 3.2.3 Số neutron sinh 60 3.2.4 So sánh hiệu suất sinh neutron với cơng trình khác 63 3.2.5 Sử dụng mơ hình chắn bia tính số neutron sinh 64 phân bố góc 3.2.6 So sánh số neutron sinh phân bố góc 67 mơ hình đồng mơ hình chắn 3.3 Kết luận 69 Kết luận chung 71 Kiến nghị hướng nghiên cứu 72 Danh mục công trình 74 Tài liệu tham khảo 76 Phụ lục 86 viii BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh ADS Lò phản ứng điều khiển máy gia tốc Accelerator-Driven System ALICE ALIROOT-HLC, Code tính tốn dùng mô dấu hiệu gây xạ BNCT Liệu pháp bắt neutron Boron Boron Neutron Capture Therapy CYRIC Trung tâm đồng vị phóng xạ cyclotron Cyclotron and RadioIsotope Center CEM Mơ hình kích thích tầng Cacade Exciton Model CEX CRISP Charge EXchange Code tính tốn phản ứng hạt nhân RIo-Sao lượng cao trung bình FLUKA Code Paulo Collaboration mô tương tác vận Fluktuierende chuyển hạt FKK KAskade Feshbach Kerman Koonin INC Tầng nội hạt nhân Intra-Nuclear Cascade J-PARC Viện nghiên cứu máy gia tốc proton Japan Nhật Bản Proton Accelerator Research Complex JENDL Thư viện liệu hạt nhân JENDL Japanese Evaluated Nhật Bản Nuclear Data Library LAHET Hệ thống code tính tốn cho vận chuyển Los Alamos High ix MATLAB lượng cao Los Alamos Energy Transport Ngơn ngữ lập trình MATrix LABoratory MCNPX QMD Code vận chuyển xạ sử dụng phương Monte Carlo N pháp Monte Carlo mở rộng particle eXtended Động học phân tử lượng tử Quantum Molecular Dynamics SDM Mơ hình phân rã thống kê Statistical Model SHIELD Code mô Monte Carlo cho dòng hadron bia phức tạp Decay x DANH MỤC CÁC BẢNG STT Bảng Diễn giải Trang 1.1 Các phiên JENDL 26 1.2 Các File liệu JENDL đặc biệt 27 1.3 Lĩnh vực ứng dụng liệu hạt nhân lượng cao 28 2.1 Quãng chạy tự trung bình proton R p bề dày 34 bia U, Pb, Au, W chọn vùng lượng bắn phá proton từ 0.5 GeV đến GeV 2.2 Loại bia dùng cho ADS lượng dòng proton 38 tương ứng 2.3 Số neutron sinh phân bố vùng phía sau bia (mơ 42 hình đồng nhất) 2.4 Hiệu suất sinh neutron từ bia 208 Pb với lượng 51 proton tới 1,0 GeV 3.1 Cường độ dòng proton, số neutron sinh ra, bia 238 U dày 56 với Ep=1,5GeV 3.2 Độ mát lượng riêng proton xuyên qua 57 bia 206Pb, 208Pb, 197Au, 238U, 184W 10 3.3 Số neutron sinh phân bố góc 1800 phía sau bia 11 3.4 Đánh giá sai biệt số neutron sinh theo phân bố 68 67 góc với lượng proton 1,5 GeV hai mơ hình đồng chắn (số neutron x1018) 12 3.5 Đánh giá sai biệt số neutron sinh theo 69 lượng proton hai mơ hình đồng chắn (số neutron x1018) 13 3.6 Bảng so sánh thông số cần thiết để lựa chọn bia 70 - 93 - d So sánh hiệu suất neutron bia 235 U, 237Np, 238U, 241Am, 181Ta, 180W, 182 W, 184W, 186W Hình 29: Hiệu suất neutron bia 235U, Hình 30: Hiệu suất neutron bia 237 Np, 238 U, 241 Am dày 10 cm, với lượng proton khác 180 W, 182 W, 184 W, 186 W, 181 Ta dày 10 cm, với lượng proton khác e So sánh hiệu suất neutron bia 180W, 182W, 184W, 186W, 204Pb, 206Pb, 207 Pb, 208Pb Hình 31: Hiệu suất neutron bia Hình 32: Hiệu suất neutron bia 180 W, 182 W, 184 W, 186 W, dày 10 cm, với lượng proton khác 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb, 208 Pb, dày 10 cm, với lượng proton khác - 94 - dσ/dΩ (barn/steradian) dσ/dΩ (barn/steradian) Phổ neutron theo phân bố góc 206 207 208 a) 204 82 Pb, 82 Pb, 82 Pb, 82 Pb Hình 33: Phân bố góc neutron bia Hình 34: Phân bố góc neutron bia 206 Pb, ứng với mức lượng khác nhau dσ/dΩ (barn/steradian) Pb, ứng với mức lượng khác dσ/dΩ (barn/steradian) 204 Hình 35: Phân bố góc neutron bia Hình 36: Phân bố góc neutron bia 207 208 nhau Pb, ứng với mức lượng khác Pb, ứng với mức lượng khác - 95 - dσ/dΩ (barn/steradian) dσ/dΩ (barn/steradian) 235 197 51 b) 238 92 U, 92 U, 79 Au, 23V Hình 37: Phân bố góc neutron bia Hình 38: Phân bố góc neutron bia 238 235 U, ứng với lượng khác dσ/dΩ (barn/steradian) dσ/dΩ (barn/steradian) U, ứng với lượng khác Hình 39: Phân bố góc neutron bia Hình 40: Phân bố góc neutron bia 197 Au, ứng với lượng khác 51 V, ứng với lượng khác - 96 - dσ/dΩ (barn/steradian) dσ/dΩ (barn/steradian) 182 184 186 c) 180 74W , 74W, 74W, 74W Hình 41: Phân bố góc neutron bia Hình 42: Phân bố góc neutron bia 182 W, ứng với lượng khác dσ/dΩ (barn/steradian) W, ứng với lượng khác dσ/dΩ (barn/steradian) 180 Hình 43: Phân bố góc neutron bia Hình 44: Phân bố góc neutron bia 184 W, ứng với lượng khác 186 W, ứng với lượng khác - 97 - So sánh phổ neutron theo phân bố góc mức lượng bắn phá xét nhiều loại bia khác (mơ hình bia đồng nhất) a) Năng lượng bắn phá proton 0,5 GeV 0,8 GeV Hình 45: Phân bố góc neutron ứng Hình 46: Phân bố góc neutron ứng với lượng bắn phá 0,5 GeV với lượng bắn phá 0,8 GeV proton bia khác proton bia khác b) Năng lượng bắn phá proton 0,1GeV 1,5 GeV Hình 47: Phân bố góc neutron ứng Hình 48: Phân bố góc neutron ứng với lượng bắn phá 1,0 GeV với lượng bắn phá 1,5 GeV proton bia khác proton bia khác - 98 - Số neutron sinh theo phân bố góc có tính đến hiệu ứng chắn a) Số neutron sinh theo phân bố góc neutron với lượng bắn phá khác proton bia 237Np Ep= 0,8 GeV Ip= 25 mA d = 23 cm Neutron (hạt/s) Neutron (hạt/s) Ep= 0,5 GeV Ip= 25 mA d = 12 cm Góc (độ) Góc (độ) Hình 49: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 0,5 GeV, bia 237 Np Hình 50: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 0,8 GeV, bia 237Np Ep= 1,5 GeV Ip= 25 mA d = 53 cm Neutron (hạt/s) Neutron (hạt/s) Ep= 1,0 GeV Ip= 25 mA d = 31 cm Góc (độ) Góc (độ) Hình 51: Số neutron sinh theo phân Hình 52: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 1,0 GeV, bia 237Np bố góc, Ep = 1,5 GeV, bia 237Np - 99 - b) Số neutron sinh theo phân bố góc neutron với lượng bắn phá khác proton bia 241Am Ep= 0,8 GeV Ip= 25 mA d = 34 cm Neutron (hạt/s) Neutron (hạt/s) Ep= 0,5 GeV Ip = 25 mA d = 17 cm Góc (độ) Góc (độ) Hình 53: Số neutron sinh theo phân Hình 54: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 0,5 GeV, bia 241Am bố góc, Ep = 0,8 GeV, bia 241Am Ep= 1,0 GeV Ip= 25 mA d = 47 cm Neutron (hạt/s) Neutron (hạt/s) Ep= 1,5 GeV Ip= 25 mA d = 95 cm Góc (độ) Góc (độ) Hình 55: Số neutron sinh theo phân Hình 56: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 1,0 GeV, bia 241Am bố góc, Ep = 1,5 GeV, bia 241Am - 100 - c) Số neutron sinh theo phân bố góc neutron với lượng bắn phá khác proton bia 238U Ep= 0,8 GeV Ip= 25 mA d = 25 cm Neutron (hạt/s) Neutron (hạt/s) Ep= 0,5 GeV Ip= 25 mA d = 13 cm Góc (độ) Góc (độ) Hình 57: Số neutron sinh theo phân Hình 58: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 0,5 GeV, bia 238U bố góc, Ep = 0,8 GeV, bia 238U Ep= 1,5 GeV Ip= 25 mA d = 57 cm Neutron (hạt/s) Neutron (hạt/s) Ep= 1,0 GeV Ip= 25 mA d = 34 cm Góc (độ) Góc (độ) Hình 59: Số neutron sinh theo phân Hình 60: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 1,0 GeV, bia 238U bố góc, Ep = 1,5 GeV, bia 238U - 101 - d) Số neutron sinh theo phân bố góc neutron với lượng bắn phá khác proton bia 235U Ep= 0,8 GeV Ip= 25 mA d = 25 cm Neutron (hạt/s) Neutron (hạt/s) Ep= 0,5 GeV Ip= 25 mA d = 12 cm Góc (độ) Góc (độ) Hình 61: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 0,5 GeV, bia 235 U Hình 62: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 0,8 GeV, bia 235U Ep= 1,5 GeV Ip= 25 mA d = 57 cm Neutron (hạt/s) Neutron (hạt/s) Ep= 1,0 GeV Ip= 25 mA d = 33 cm Góc (độ) Góc (độ) Hình 63: Số neutron sinh theo phân Hình 64: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 1,0 GeV, bia 235U bố góc, Ep = 1,5 GeV, bia 235U - 102 - e) Số neutron sinh theo phân bố góc neutron với lượng bắn phá khác proton bia 206Pb Ep= 0,8 GeV Ip= 25 mA d = 40 cm Neutron (hạt/s) Neutron (hạt/s) Ep= 0,5 GeV Ip= 25 mA d = 20 cm Góc (độ) Góc (độ) Hình 65: Số neutron sinh theo phân Hình 66: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 0,5 GeV, bia 206Pb bố góc, Ep = 0,8 GeV, bia 206Pb Ep= 1,0 GeV Ip= 25 mA d = 54 cm Neutron (hạt/s) Neutron (hạt/s) Ep= 1,5 GeV Ip= 25 mA d = 92 cm Góc (độ) Góc (độ) Hình 67: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 1,0 GeV, bia 206 Pb Hình 68: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 1,5 GeV, bia 206Pb - 103 - f) Số neutron sinh theo phân bố góc neutron với lượng bắn phá khác proton bia 186W Ep= 0,5 GeV Ip= 25 mA d = 12 cm Neutron (hạt/s) Neutron (hạt/s) Ep= 0,8 GeV Ip= 25 mA d = 23 cm Góc (độ) Góc (độ) Hình 69: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 0,5 GeV, bia 186 W Hình 70: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 0,8 GeV, bia 186W Ep= 1,5 GeV Ip= 25 mA d = 53 cm Neutron (hạt/s) Neutron (hạt/s) Ep= 1,0 GeV Ip= 25 mA d = 31 cm Góc (độ) Góc (độ) Hình 71: Số neutron sinh theo phân Hình 72: Số neutron sinh theo phân bố góc, Ep = 1,0 GeV, bia 186W bố góc, Ep = 1,5 GeV, bia 186W - 104 - Sự suy giảm cường độ dòng proton theo quãng chạy tự proton (R (cm)) vật liệu bia, với lượng bắn phá từ 0,5 GeV đến 3,0 GeV a) Bia 206Pb Hình 73: Cường độ dịng proton sau Hình 74: Cường độ dịng proton sau xuyên qua bia 206 Ep= 0,5 GeV Pb lượng tới xuyên qua bia 206 Pb lượng tới Ep= 0,6 GeV Hình 75: Cường độ dịng proton sau Hình 76: Cường độ dịng proton sau xuyên qua bia Ep= 0,7 GeV 206 Pb lượng tới xuyên qua bia Ep= 0,8 GeV 206 Pb lượng tới - 105 - Hình 77: Cường độ dịng proton sau Hình 78: Cường độ dịng proton sau xuyên qua bia 206 Ep= 1,0 GeV Pb lượng tới xuyên qua bia 206 Pb lượng tới Ep= 1,5 GeV Hình 79: Cường độ dịng proton sau Hình 80: Cường độ dịng proton sau xun qua bia Ep= 2,0 GeV 206 Pb lượng tới xuyên qua bia Ep= 3,0 GeV 206 Pb lượng tới - 106 - b) Bia 186W Hình 81: Cường độ dịng proton sau Hình 82: Cường độ dịng proton sau xuyên qua bia 186 Ep= 0,5 GeV W lượng tới xuyên qua bia 186 W lượng tới Ep= 0,6 GeV Hình 83: Cường độ dịng proton sau Hình 84: Cường độ dịng proton sau xuyên qua bia Ep= 0,7 GeV 186 W lượng tới xuyên qua bia Ep= 0,8 GeV 186 W lượng tới - 107 - Hình 85: Cường độ dịng proton sau Hình 86: Cường độ dịng proton sau xuyên qua bia 186 Ep= 1,0 GeV W lượng tới xuyên qua bia 186 W lượng tới Ep= 1,5 GeV Hình 87: Cường độ dịng proton sau Hình 88: Cường độ dịng proton sau xuyên qua bia Ep= 2,0 GeV 186 W lượng tới xuyên qua bia Ep= 3,0 GeV 186 W lượng tới ... NGUYỄN THỊ ÁI THU NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN (p, n) TRÊN CÁC BIA NẶNG PHỤC VỤ CHO THIẾT KẾ BIA TRONG LÒ PHẢN ỨNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY GIA TỐC Chuyên ngành: Vật Lý Nguyên tử Hạt nhân Mã số chuyên... từ phản ứng (p, n) Tất thông số thu cần thiết cho việc thiết kế bia ADS [19], [31], [38], [64], [66] Mục tiêu Luận án nghiên cứu phản ứng hạt nhân (p, n) nhằm cung cấp số liệu cho việc thiết kế. .. liệu hữu ích thiết kế bia cho ADS Bài toán đặt luận án :  Tính phân bố lượng neutron sinh bia khác phản ứng hạt nhân (p, n)  Tính số neutron sinh bia khác phản ứng hạt nhân (p, n)  Xác định