Phương pháp xác định các đặc trưng của vật liệu hạt nhân sử dụng phổ kế gamma bán dẫn được ứng dụng phổ biến, với ưu điểm không cần phá mẫu, đă ̣c biê ̣t không cần mẫu chuẩn, quy tr[r]
(1)1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -
Trƣơng Thi ̣ Thùy 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
(2)2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -
Trƣơng Thi ̣ Thùy 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
(3)3
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 tơi suốt q 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
(4)4
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 defined
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.
(5)5
CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ Error! Bookmark not defined
3.1 Đo phổ gamma củ a các mẫu nhiên liê ̣u ̣t nhân đƣơ ̣c làm giàu thấp 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
(6)6
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
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 tốn 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
(7)7
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Chuỗi chiếm bắt notron 232Th 238U 10 Hình 1.2 Chuỗi phân rã 235U 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 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 ̣ hiếm cung cấp được đo ̣ phổ kế gamma siêu tinh khiết 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 biến 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 mơ tả phụ thuộc hàm f(E) vào lượng tia
gamma đặc trưng phát từ đồng vị 235
(8)8
MỞ ĐẦU
Công nghiệp lượng nói chung lượng hạt nhân nói riêng có vai trị 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 sớ vâ ̣t lý quan có ý nghĩa quan tr ọng q trình sử dụng cơng 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 cần mẫu ch̉n, quy trình thực nghiệm khơng q phức tạp, nhiên địi 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
(9)9
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
1
(10)10
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 thơng 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 cịn 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 thơng qua chiếm bắt notron hình 1.1
Hình 1.1 Chuỗi chiếm bắt notron 232Th 238
U
(11)11
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 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
2 Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khao học Kỹ thuật, Hà Nội
3 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
5 A Luca (2008), “Experimental Determination of the Uranium Enrichment Ratio”, Rom Journ Phys, 53(2), pp.35 -39
6 Delynn Clark (1996), U235:A gamma ray analysis code for uranium isotopic determination, Lawrence Livermore National Laboratory University of
California, California.
7 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
9 Huda Abdulrahman Al-Sulaiti (2011), Determination of Natural Radioactivity Levels in the State of Qatar Using HighResolution Gamma-ray
Spectrometry,A thesis submitted for the Degree of 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
(12)12
12 WL Kuhn, JP Sloughter (2001), Technical Review of the Characteristics of Spent Nuclear Fuel Scrap, Department of Energy, Prepared for the U.S