BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
Huỳnh Thanh Sơn
TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
TÍNH TOÁN PHỔ NĂNG LƯỢNG CỦA KÊNH
NƠTRON PHIN LỌC TỪ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Khánh Hòa – 2020
BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
Huỳnh Thanh Sơn
TÍNH TOÁN PHỔ NĂNG LƯỢNG CỦA KÊNH
NƠTRON PHIN LỌC TỪ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT
Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
Mã số: 8520401
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Hướng dẫn 1: PGS.TS Phù Chí Hòa- Trường Đại học Đà Lạt
Hướng dẫn 2: TS. Phạm Ngọc Sơn- Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt
Khánh Hòa – 2020
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS Phù Chí Hòa và TS. Phạm Ngọc Sơn. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn được tiến hành tại Phòng Vật lý và Điện tử hạt nhân,
Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt. Các số liệu, kết quả là trung thực và chưa
được công bố trong các công trình nghiên cứu khác. Nếu không đúng như đã
nêu trên, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về đề tài của mình.
Khánh Hòa, tháng 07 năm 2020
Tác giả
Huỳnh Thanh Sơn
i
LỜI CẢM ƠN
Với tình cảm chân thành và lòng biết ơn sâu sắc, cho phép tôi gửi lời
cảm ơn chân thành nhất tới :
Quý Thầy, Cô giáo của Viện Hàm lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam đã giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu và tận tình
giúp đỡ tôi trong quá trình học tập.
Quý Thầy, Cô giáo của Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha
Trang đã nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi để giúp tôi hoàn thành khóa học.
Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Phù Chí
Hòa, TS. Phạm Ngọc Sơn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Trung học Phổ thông
Hoàng Văn Thụ, đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong suốt khóa học.
Cảm ơn các bạn học viên lớp cao học ngành Vật lý kỹ thuật K6 – Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cùng tôi trao đổi kiến thức
trong suốt khóa học.
Và cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình tôi, những người
đã, đang và sẽ luôn luôn động viên – chia sẽ cùng tôi trong suốt cuộc đời.
Khánh Hòa, tháng 07 năm 2020
Huỳnh Thanh Sơn
ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT
Ký hiệu
Giải thích ký hiệu
1
PHITS
Hệ thống mô phỏng hạt và ion nặng bằng phương
pháp Monte – Carlo, (Particle and Heavy Ion
Transport code System)
2
MCNP
Chương trình tính toán mô phỏng bằng phương pháp
Monte – Carlo (Monte Carlo N-Particle Transport
Code)
3
MCNP5
Chương trình tính toán mô phỏng bằng phương pháp
Monte – Carlo phiên bản 5 (Monte Carlo N-Particle
version 5)
4
BNCT
5
PGNAA
6
IAEA
7
EXFOR
8
CFNB
Chương trình tính toán cho các chùm nơtron được lọc
(Calculation for Filtered Neutron Beams)
9
JAEA
Cơ quan Năng lượng nguyên tử Nhật Bản (Japan
Atomic Energy Agency)
10
GEANT4
Chương trình mô phỏng hình học và quá trình chuyển
động (GEometry And Tracking)
11
JENDL-4.0
Phương pháp xạ trị bằng kỹ thuật BNCT (Boron
neutron capture theraphy)
Phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời (Prompt
Gamma-ray Neutron Activation Analysis)
Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế (International
Atomic Energy Agency)
Thư viện số liệu phản ứng hạt nhân thực nghiệm
(Experimental Nuclear Reaction Data)
Thư viện số liệu hạt nhân tính toán (Japanes
Evaluated Nuclear Data Library)
iii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng
Nội dung bảng
Trang
1.1
Bảng so sánh chương trình PHITS với các chương
trình máy tính khác
17
2.1
Các phần trong cấu trúc chương trình PHITS
22
2.2
Mô tả chế độ tính toán
24
2.3
Mô tả lịch sử tương tác của hạt
24
2.4
Tên tập tin đầu vào-đầu ra
25
2.5
Mô tả các thông số cho nguồn bức xạ hình trụ
26
2.6
Bề mặt bao quanh vật thể
30
2.7
Định dạng khối vật thể
35
2.8
Mô tả các chức năng của Tally
39
3.1
Số liệu phân bố phổ năng lượng nơtron của chùm tia
nơtron ( với chuẩn trực hình cone, phin lọc Bismuth
6cm và Sapphire 15cm)
49
3.2
Số liệu phân bố phổ năng lượng nơtron của chùm tia
nơtron ( với chuẩn trực hình trụ, phin lọc Bismuth
6cm và Sapphire 15cm)
53
3.3
Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt,
trên nhiệt, đối với hình cone tinh thể và hình cone
bình thường (Sử dụng phin lọc Bismuth-6cm,
Sapphire-15cm)
58
3.4
Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt,
trên nhiệt, đối với hình cone tinh thể và hình trụ tinh
thể (Sử dụng phin lọc Bismuth-6cm, Sapphire-15cm)
59
iv
3.5
Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt,
trên nhiệt, đối với hình cone tinh thể với phin lọc sử
dụng Bismuth-6cm và chiều dài tinh thể Sapphire
thay đổi từ 0 đến 20cm
61
3.6
Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt,
trên nhiệt, đối với hình cone tinh thể (Sử dụng phin
lọc Bismuth-6cm, Sapphire-15cm và không có phin
lọc)
63
v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hình
Nội dung hình
Trang
1.1
Sơ đồ thuật toán Monte Carlo tính toán quá trình tương
tác, của một hạt nơtron trong vật liệu.
12
1.2
Thống kê số liệu về phổ năng lượng của hạt.
16
1.3
Thống kê về mật độ thông lượng của hạt
16
2.1
Khai báo véctơ chỉ phương và góc khối của nguồn bức xạ
26
2.2
Nguồn hình trụ
27
2.3
Các trường hợp nguồn hình trụ
27
2.4
Kết quả khai báo một nguồn bức xạ hình trụ
28
2.5
Kết quả khai báo hình cầu, hình hộp, mặt phẳng và hình
trụ.
37
2.6
Kết quả khai báo chuẩn trực hình trụ.
38
2.7
Thống kê về mật độ thông lượng của hạt khi sử dụng lưới
xyz.
43
2.8
Lỗi khi không có hạt thống kê trong lưới.
43
2.9
Hiển thị thông lương của hạt với phân bố năng lượng.
45
3.1
Mặt cắt của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt và vị trí kênh
ngang số 1.
46
3.2
Mô hình tính toán hệ dẫn chùm tia nơtron phin lọc hình
cone tại kênh ngang số 1 bởi chương trình PHITS.
48
3.3
Mô hình tính toán hệ dẫn chùm tia nơtron phin lọc hình
trụ tại kênh ngang số 1 bởi chương trình PHITS.
48
3.4
Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể và hình cone
bình thường theo thang logarit.
58
3.5
Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể và hình cone
bình thường theo thang tuyến tính.
59
vi
3.6
Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể và hình trụ
tinh thể theo thang tuyến tính.
60
3.7
Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể và hình trụ
tinh thể theo thang logarit.
60
3.8
Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể khi phin lọc
Sapphire thay đổi chiều dài theo thang tuyến tính.
62
3.9
Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể (với phin lọc
Bismuth-6cm, Sapphire-15cm và không có phin lọc) theo
thang logarit.
63
3.10
Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể (với phin lọc
Bismuth-6cm, Sapphire-15cm và không có phin lọc) theo
thang tuyến tính.
64
vii
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
i
Lời cảm ơn
ii
Danh mục các ký hiệu, chữ cái viết tắt
iii
Danh mục các bảng
iv
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
vi
Mục lục
viii
Mở đầu ……………………………………………………………….. 1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU………..…….……….. 3
1.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước. …………………… 3
1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước …………………..… 4
1.3 Cơ sở lý thuyết của kỹ thuật phin lọc nơtron …………… 5
1.4 Phương pháp tính toán dòng nơtron phin lọc ………….... 8
1.5 Kỹ thuật tính toán bằng mô phỏng Monte Carlo ………... 9
1.5.1 Tìm hiểu các chương trình mô phỏng trên thế giới
và trong nước …………………………….……… 9
1.5.2 Kỹ thuật tính toán Monte Carlo …………………. 11
1.6 Giới thiệu chương trình tính toán PHITS………….…….. 15
CHƯƠNG 2PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
VÀ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG………..…….
20
2.1 Hướng dẫn cài đặt và thực thi PHITS ……………...…… 20
2.1.1. Cài đặt trên hệ điều hành Windows ……………… 20
2.1.2. Thực thi PHITS trên hệ điều hành Windows…….. 21
2.1.3. Phần mềm được đề xuất …………………………. 21
viii
2.2 Hướng dẫn tạo file-input cho chương trình mô phỏng … 22
Chương 3 Kết quả và thảo luận ……………………………………. 46
3.1 Tổng quan chương trình và phương pháp Monte Carlo … 47
3.2 File-input dựa trên cơ sở cấu trúc thiết kế của kênh ngang
số 1 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt …………..……… 47
3.3 Số liệu phân bố phổ năng lượng nơtron của chùm tia
nơtron tại kênh ngang số 1 của
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ……………….....……… 49
3.4 Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt,
trên nhiệt………………………………………………… 57
3.5 Thảo luận ………………………………………….……. 65
Kết luận và kiến nghị …………………………………… 67
1
Kết luận ………………………………………………… 67
2
Kiến nghị …………………………………………….…. 68
Bài báo khoa học công bố…………………………………………… 68
Tài liệu tham khảo ……………………………………………………. 69
Phụ lục………………………………………………………………… 71
Phụ lục 1 Bài báo khoa học ……………………………………….. 71
Phụ lục 2 Thông báo phê duyệt sử dụng phần mềm PHITS .....…… 79
Phụ lục 3 File input mô phỏng chuẩn trực hình cone……..……….. 80
Phụ lục 4 File input mô phỏng chuẩn trực hình trụ.……………….. 91
Phụ lục 5 Các nội dung hướng dẫn thiết kế file – input trong chương
trình mô phỏng PHITS .....……………………………..... 95
ix
MỞ ĐẦU
Vật lý nơtron có một vai trò quan trọng trong sự phát triển khoa học và
công nghệ hạt nhân. Đây là một trong những ngành khoa học mũi nhọn không
thể thiếu ở các nước có nền khoa học hạt nhân tiên tiến.
Kỹ thuật phin lọc nơtron đã được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới
như Ukraina, Mỹ, Nga, Nhật Bản, Việt Nam,... trong các nghiên cứu ứng
dụng kênh nơtron từ lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu như: nghiên cứu thực
nghiệm phản ứng hạt nhân với nơtron, nghiên cứu vật lý nơtron và cấu trúc
hạt nhân; chuẩn liều bức xạ nơtron, nghiên cứu phương pháp xạ trị nơtron
(neutron capture therapy), nghiên cứu che chắn bức xạ, chụp ảnh nơtron, phân
tích nguyên tố . . .
Hiện nay, Việt Nam đã có nhiều chương trình ứng dụng năng lượng và
kỹ thuật hạt nhân tham gia vào sự phát triển kinh tế xã hội. Vì vậy, các nghiên
cứu về vật lý nơtron và đào tạo nguồn nhân lực trong lĩnh vực này ngày càng
trở nên cần thiết. Trong các nghiên cứu thực nghiệm về phản ứng hạt nhân với
nơtron, đo số liệu hạt nhân phục vụ cho tính toán thiết kế lò phản ứng, phân
tích đánh giá an toàn luôn cần thiết phải tạo ra các dòng nơtron chuẩn đơn
năng.
Phổ năng lượng của các kênh nơtron phin lọc từ Lò phản ứng hạt nhân
là thông tin quan trọng cần thiết cho các nghiên cứu ứng dụng. Do đó, đề tài
nghiên cứu tính toán xác định thông lượng nơtron nhiệt, nơtron nhanh và phổ
năng lượng nơtron của các kênh nơtron phin lọc từ Lò phản ứng hạt nhân Đà
Lạt là cần thiết và cũng là lý do chọn đề tài này. Kết quả của đề tài này sẽ có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn trong việc phục vụ phát triển kênh nơtron năng
lượng nhiệt (thermal neutron beam) tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt và góp
phần cung cấp thông tin về tham số vật lý nơtron như thông lượng nơtron, tỉ
số Cadmi và độ sạch của chùm tia. Các tham số này cần thiết cho các nghiên
cứu khoa học và ứng dụng triển khai tại kênh ngang số 1 của Lò phản ứng hạt
nhân Đà Lạt. Mục đích của đề tài là ứng dụng chương trình tính toán mô
phỏng PHITS trên cơ sở phương pháp Monte Carlo để nghiên cứu tính toán
truyền nơtron qua phin lọc và chuẩn trực chùm tia phục vụ phát triển kênh
1
nơtron nhiệt tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, từ đó tính toán xác định được
phân bố phổ năng lượng nơtron sau khi truyền qua các tổ hợp phin lọc tại
kênh nơtron phin lọc của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Đối tượng và phạm vi
nghiên cứu là đặc trưng phổ năng lượng và thông lượng nơtron nhiệt tương
ứng với bộ phin lọc mới (bao gồm Bismuth và Sapphire) để nhận được chùm
tia nơtron với năng lượng trung bình En = 0.0253 eV tại kênh nơtron số 1 của
lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
Xuất phát từ những yêu cầu thực tế đã nêu ở trên, tôi đã chọn nội dung
nghiên cứu với tên đề tài: ‘‘Tính toán phổ năng lượng của kênh nơtron phin
lọc từ Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt’’, để làm luận văn tốt nghiệp Cao học
khóa 6, chuyên ngành Vật lý kỹ thuật của Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam. Cấu trúc luận văn như sau:
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu, phát triển kỹ thuật phin
lọc nơtron trên thế giới và trong nước. Trình bày tổng quan về kỹ thuật tính
toán phổ năng lượng, độ sạch tương đối của dòng nơtron phin lọc và một số
ứng dụng quan trọng. Trình bày tổng quan về phương pháp mô phỏng Monte
Carlo và chương trình máy tính PHITS.
Chương 2: Thiết kế chuẩn trực và tính toán mô phỏng kênh nơtron tại
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
Chương 3: Trình bày các kết quả tính toán và thảo luận về phân bố phổ
năng lượng nơtron của chùm tia nơtron, các tham số phổ nơtron: Thông lượng
nơtron nhiệt, trên nhiệt . . .
Chương 4: Trình bày các kết luận và kiến nghị.
Lĩnh vực vật lý nơtron và kỹ thuật phin lọc nơtron để tạo ra dòng
nơtron chuẩn đơn năng rất phức tạp và đa dạng. Mặc dù, tôi đã rất cố gắng
nhưng do thời gian nghiên cứu tương đối ngắn và kinh nghiệm chưa nhiều
nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung cũng như cách trình bày,
kính mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các đồng nghiệp để luận
văn được hoàn thiện hơn.
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Trong chương này, các nội dung được trình bày một cách tổng quan
gồm tình hình nghiên cứu ở ngoài nước và trong nước về sự phát triển của kỹ
thuật nơtron phin lọc, trình bày một số ứng dụng trong thực tiễn đối với các
dòng nơtron phin lọc.
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở NGOÀI NƯỚC
Một trong những phương pháp tạo dòng nơtron chuẩn đơn năng cường
độ mạnh hiện nay trong vùng năng lượng từ 0,4 keV đến vài trăm keV là các
chùm nơtron đi qua phin lọc trên cơ sở các kênh ngang của lò phản ứng hạt
nhân. Kỹ thuật nơtron phin lọc được giới thiệu vào năm 1968 bởi hai nhà
khoa học Simpson và Muller, về khả năng sử dụng một số phin lọc để tạo
dòng nơtron đơn năng từ lò phản ứng, phục vụ các thí nghiệm nghiên cứu về
phản ứng bắt nơtron của hạt nhân [1].
Ngày nay, kỹ thuật phin lọc nơtron đã được áp dụng ở nhiều nước như
Ukraina, Mỹ, Nhật, Hàn Quốc,… Tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Kiev
(Ucraina), đã phát triển các tổ hợp phin lọc nơtron sử dụng các loại vật liệu
Ni, Fe, S, B, Al, Mn, Mg, Si, Sc và các đồng vị Cr-52, Fe-54, Fe-56, Ni-58,
Ni-60, Ni-62, Ni-64, B-10,... và đã nhận được các dòng nơtron chuẩn đơn
năng, với năng lượng từ 0,498 keV đến 602,5 keV, thông lượng từ 0,13 đến
26,8x106 (n/cm2.s) và cường độ tương đối từ 39,5 đến 99% [2, 3,4]
Tại phòng thí nghiệm lò phản ứng hạt nhân của Đại học Ban Ohio
(OSURR) đã phát triển các tổ hợp phin lọc nơtron sử dụng các loại vật liệu
Bismuth và Sapphire để làm phin lọc và đã nhận được các dòng nơtron chuẩn
đơn năng, với năng lượng 0,5 MeV, 0,8 MeV, 1,0 MeV, 1,5 MeV, 2,0 MeV,
3,0 MeV,…[5].
Tại Brookhaven của Mỹ, các chùm nơtron phin lọc 2 keV và 24,5 keV
được sử dụng để đo tiết diện bắt bức xạ và nghiên cứu cơ chế phản ứng bắt
nơtron [2].
Các dòng nơtron phin lọc từ lò phản ứng có ưu điểm là có thông lượng
dòng cao đạt từ 105-107 n/cm2s, có độ phân giải năng lượng cao và nền phông
3
gamma thấp. Các khó khăn chính là để tạo ra các chùm nơtron có chất lượng
tốt thì phần lớn các vật liệu phin lọc cần có độ giàu đồng vị cao, do đó dòng
nơtron phin lọc nhiệt sử dụng các vật liệu đơn tinh thể như Silic, Berili,
Bismuth được phát triển phổ biến hơn ở nhiều nước như Ai Cập, Ấn Độ, Hàn
Quốc,...[2].
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt có 4 kênh nơtron phục vụ cho các mục
đích nghiên cứu với đường kính kênh là 15,2cm, trong đó có 3 kênh xuyên
tâm và 1 kênh tiếp tuyến. Cho đến nay đã có 3 kênh được đưa vào sử dụng là
kênh tiếp tuyến số 3, kênh xuyên tâm số 2 và kênh xuyên tâm số 4. Các dòng
nơtron phin lọc từ kênh ngang số 3 và số 4 đã được đưa vào sử dụng từ những
năm 1990, kênh ngang số 2 đã được đưa vào sử dụng từ năm 2012 để phục vụ
các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Kỹ thuật phin lọc nơtron được phát triển
ở Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt cho phép nhận được các chùm nơtron chuẩn
đơn năng với thông lượng từ 105 đến 106 (n/cm2.s) thích hợp cho các nghiên
cứu số liệu phản ứng hạt nhân với nơtron. Các phương pháp như phân tích
kích hoạt nơtron gamma tức thời, các thí nghiệm đo nơtron truyền qua, các
nghiên cứu thực nghiệm về cấu trúc và mật độ mức hạt nhân bằng phương
pháp đo tổng biên độ các xung gamma trùng phùng từ phản ứng bắt nơtron
nhiệt đã được thực hiện tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [6].
Năm 2012 kênh xuyên tâm số 2 với hệ thống phin lọc Silic và Bismuth
được đưa vào sử dụng phục vụ cho phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời
(PGNAA), nghiên cứu phản ứng hạt nhân (n, ), đo xác định thực nghiệm số
liệu tiết diện phản ứng hạt nhân với nơtron, tiến hành các thực nghiệm về
phản ứng hạt nhân, vật lý hạt nhân, vật lý nơtron và che chắn bức xạ trong
công tác đào tạo[2].
4
1.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT PHIN LỌC NƠTRON
Nơtron có tính chất trung tính về điện, do đó nơtron không bị ảnh
hưởng bởi điện tích âm của electron trong lớp vỏ nguyên tử cũng như điện
tích dương của hạt nhân. Tính chất quan trọng này cho phép nơtron đi qua
đám mây electron nguyên tử và tương tác trực tiếp với hạt nhân. Chính vì thế,
nơtron có thể xâm nhập sâu vào các vật thể và vật liệu. Mặt khác, bước sóng
của nơtron thì tỷ lệ nghịch với động lượng của nó. Với hằng số Planck h, khối
lượng nơtron mn không đổi, bước sóng giảm xuống theo một hàm của vận tốc
v, được thể hiện trong phương trình de Broglie cho bước sóng tính bằng đơn
vị nanomet[5].
h
395, 6
m .v
v
(1.1)
n
Các nơtron có năng lượng cao khi chúng được sinh ra từ các nguồn
phản ứng phân hạch và trải qua nhiều tương tác tán xạ để bị làm chậm hoặc
điều tiết xuống các năng lượng mà chúng ở trạng thái cân bằng nhiệt với
chuyển động của các nguyên tử xung quanh chúng. Tại thời điểm này, năng
lượng có thể được truyền từ nơtron sang hạt nhân và từ hạt nhân đến nơtron.
Các nơtron nhiệt theo định nghĩa là các nơtron ở trạng thái cân bằng nhiệt với
vật chất ở 300K. Khi đó, ta có thể sử dụng hàm phân bố Maxwell để mô tả
phổ của các năng lượng trong trạng thái cân bằng nhiệt này. Năng lượng có
thể xảy ra với tỉ lệ cao nhất trong phân bố là 0,0253 (eV), tương ứng với vận
tốc nơtron là 2200 (m/s) và bước sóng là 0,18 (nm). Khi xảy ra các tương tác
bắt một nơtron bởi một hạt nhân, dẫn đến một hoặc nhiều tia gamma được
phát ra. Sự hấp thụ nơtron và phát xạ tia gamma tiếp theo rất hữu ích trong
việc xác định thành phần nguyên tố của mẫu vì mỗi đồng vị tạo ra tia gamma
có năng lượng riêng biệt.
Trên thực tế, trong các lò phản ứng hạt nhân, chỉ có nơtron nhanh được
tạo ra trong quá trình phân hạch hạt nhân. Sự phân bố năng lượng của các
nơtron này có thể tính gần đúng bởi công thức Watt [2]:
( E ) 0, 484e E sin(2 E)0,5 (1.2)
5
Từ lý thuyết phản ứng hạt nhân, chúng ta biết rằng tiết diện tương tác
của nơtron với vật chất, tăng rõ rệt theo quy luật 1/v khi giảm năng lượng
nơtron. Trong môi trường chất làm chậm của lò phản ứng hạt nhân, phổ
nơtron có phân bố theo ba miền năng lượng như sau :
+ Nơtron nhiệt : 0 < En < 0,5 eV
+ Nơtron trung gian : 0,5 eV < En < 100 keV
+ Nơtron nhanh : 100 keV < En < 20 MeV
Cơ sở của kỹ thuật nơtron phin lọc là dựa trên sự suy giảm cường độ
chùm nơtron, tại các năng lượng không mong muốn nhưng vẫn đảm bảo được
cường độ mạnh tại đỉnh năng lượng quan tâm, khi đi qua vật liệu làm phin lọc
có một bề dày đủ lớn. Trong tiết diện nơtron toàn phần của nhiều đồng vị
hoặc nguyên tố, có các cực tiểu tạo thành do sự giao thoa của tán xạ thế và tán
xạ cộng hưởng, của các sóng nơtron trong vùng năng lượng trung bình. Các
cực tiểu này có thể có giá trị tiết diện gần bằng 0 hoặc rất nhỏ. Vì vậy, khi
chùm nơtron từ lò phản ứng có năng lượng phân bố từ nơtron nhiệt đến nơtron
nhanh, truyền qua vật liệu có độ dày thích hợp sẽ tương tác với vật liệu này
giống như lọc nơtron. Phía sau vật liệu này sẽ nhận được dòng nơtron đơn
năng, với giá trị năng lượng tương ứng với cực tiểu của tiết diện toàn phần.
Các bước cơ bản nhất để tạo ra một dòng nơtron phin lọc mới, trên cơ
sở các kênh ngang của lò phản ứng bao gồm:
1. Tính toán lựa chọn kích thước và tổ hợp các vật liệu phù hợp nhất
làm phin lọc, để thu được phổ nơtron đơn năng có độ sạch (cường độ
tương đối) đạt gần 100%.
2. Gia công, lắp đặt phin lọc và chuẩn trực dòng nơtron.
3. Đo và kiểm tra thực nghiệm đỉnh năng lượng, thông lượng và độ
sạch đơn năng.
4. Hiệu chỉnh phin lọc để có kết quả phù hợp với thiết kế.
6
Trong luận văn này, chúng tôi trình bày các nghiên cứu tính toán, nhằm
chọn lựa các thông số thiết kế tối ưu về kích thước và phân bố phổ năng lượng
đơn năng tại 0,0253eV dự kiến sẽ thu được trên cơ sở dòng nơtron qua tổ hợp
phin lọc Bismuth và Sapphire từ kênh ngang số 1 của Lò phản ứng hạt nhân
Đà Lạt. Các kết quả này là số liệu cần thiết để tiến hành phát triển dòng
nơtron phin lọc đơn năng 0,0253eV qua tổ hợp phin lọc Bismuth và Sapphire
mới trong thời gian tới.
Phổ năng lượng nơtron tạo thành sau phin lọc được tính theo biểu thức
sau [2, 4]:
( E ) ( E )* exp( d
0
i
k k
k
tk
(E)), (1.3)
Eh
0 ( E )dE
I
E
l
20 MeV
,
(1.4)
0 ( E )dE
5
10 eV
Trong đó:
+ 0 ( E) là phổ thông lượng nơtron tạo thành sau phin lọc,
+ i ( E) là phổ thông lượng nơtron từ lò phản ứng tại vị trí trước phin lọc,
+ k là mật độ hạt nhân của thành phần phin lọc thứ k (số hạt nhân/cm3),
+ dk là chiều dài của thành phần phin lọc thứ k (cm),
+ tk ( E) là tiết diện hấp thụ nơtron toàn phần của vật liệu thứ k,
+ E là năng lượng nơtron,
+ I là cường độ tương đối (độ sạch) của đỉnh phổ đơn năng,
+ El và Eh là cận dưới và cận trên của đỉnh phổ năng lượng chính.
Ngoài ra, các công đoạn còn lại như gia công, lắp đặt phin lọc và chuẩn
trực dòng nơtron, đo và kiểm tra thực nghiệm đỉnh năng lượng, thông lượng,
độ sạch đơn năng và hiệu chỉnh phin lọc để có kết quả phù hợp với thiết kế.
7
Các vấn đề an toàn bức xạ và các điều kiện kỹ thuật cần thiết để đạt được chất
lượng dòng nơtron cao nhất là hướng phát triển kế tiếp của đề tài.
1.4. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DÒNG NƠTRON PHIN LỌC
Các bộ lọc thường được sử dụng trong các cơ sở chùm tia để lọc ra tia
gamma không mong muốn và thông lượng nơtron nhanh nhằm cải thiện tỷ lệ
nhiễu tín hiệu cho nhiều kỹ thuật phân tích. Các cơ sở chụp ảnh phóng xạ
nơtron nhắm đến hàm lượng neutron nhiệt cao và giảm hàm lượng gamma
cho độ nhạy cao và chất lượng hình ảnh tổng thể. Do nhu cầu về các chùm
nơtron nhiệt có cường độ cao và độ sạch tia gamma cao nên cần phải có các
vật liệu lọc chất lượng tương ứng.
Các vật liệu ứng cử viên tốt nhất thỏa mãn các yêu cầu trên bao gồm
Thạch anh (SiO2 ), Bismuth, Berili, Magiê oxit, Silic và Sapphire (Al 2O3).
Nếu xét về sự sẵn có của các tinh thể đơn lớn và hiệu quả thì Thạch anh,
Sapphire và Silic là những vật liệu được ưu tiên lựa chọn. Sapphire ở nhiệt độ
phòng hiệu quả hơn Thạch anh và Silic như một bộ lọc nơtron nhiệt, ngay cả
khi chúng được làm lạnh bằng phương pháp lạnh đến 77 K để cải thiện hiệu
quả. Hơn nữa, các đặc tính truyền của Sapphire không bị suy giảm do chiếu
xạ trong một thời gian dài trong kênh ngang của lò phản ứng[5].
Bismuth không phải là ứng cử viên hàng đầu làm vật liệu lọc nơtron, vì
Bismuth tồn tại mật độ cao của các trạng thái phonon tần số thấp. Tuy nhiên,
với mật độ cao (9,78 g/cm3) và số nguyên tử (Z = 83), Bismuth rất hiệu quả
trong việc che chắn các tia gamma. Mặc dù thiếu hiệu quả với việc truyền
nơtron nhiệt nhưng nó có thể đóng vai trò kép trong việc lọc tia gamma và
góp phần làm giảm nền nơtron nhanh[5].
Với việc chấp nhận hy sinh một lượng nhỏ nơtron nhiệt nhưng đem lại
hiệu quả trong việc lọc nơtron nhanh và tia gamma thì ta chọn tổ hợp phin lọc
là Bismuth và Sapphire làm phin lọc nơtron.
Các bước cơ bản nhất để tạo ra dòng nơtron phin lọc mới, trên cơ sở
các kênh ngang của lò phản ứng nghiên cứu bao gồm:
8
- Tính toán chọn lựa kích thước và tổ hợp các vật liệu phù hợp nhất làm
phin lọc, để thu được phổ nơtron đơn năng có cường độ tương đối đạt đến giá
trị cao nhất có thể (trong thực tế đạt từ 85 97%).
- Gia công, lắp đặt phin lọc và chuẩn trực dòng nơtron. Trong nội dung
này, luận văn trình bày cách tính toán nhằm lựa chọn các thông số về kích
thước, mật độ, tổ hợp các vật liệu và phân bố phổ năng lượng dự kiến sẽ thu
được trên cơ sở dòng nơtron từ kênh ngang số 1 của Lò phản ứng hạt nhân Đà
Lạt. Các kết quả tính toán sẽ là số liệu cần thiết để tiến hành phát triển dòng
nơtron phin lọc 0,0253eV trên kênh ngang số 1.
Như đã trình bày, nguyên lý cơ bản của kỹ thuật phin lọc nơtron nhiệt
là sử dụng một lượng đủ lớn các vật liệu dạng đơn tinh thể có phân bố cực
tiểu trong tiết diện hấp thụ nơtron toàn phần trong vùng năng lượng lân cận
nơtron nhiệt với giá trị En = 0,0253eV. Như vậy, khi cho chùm nơtron từ lò
phản ứng truyền qua tổ hợp vật liệu đơn tinh thể này thì chúng ta sẽ nhận
được một dòng nơtron có thành phần thông lượng nơtron nhiệt cao, tỉ số
nơtron nhiệt và nơtron nhanh có thể đạt giá trị từ 80 đến 200 lần. Chương
trình máy tính gọi là PHITS [7, 8], được sử dụng trong tính toán các đặc trưng
phân bố của phổ nơtron tạo thành sau khi truyền qua các tổ hợp phin lọc khác
nhau. Các số liệu về kích thước được thay đổi để thu được dòng nơtron đơn
năng có độ sạch cao và thông lượng đáp ứng được yêu cầu (trên 10 6 n/cm2.s).
Số liệu ban đầu về phổ thông lượng nơtron từ lò phản ứng đã được xác định
trước đây tại vị trí trước phin lọc của kênh ngang số 1 của Lò phản ứng hạt
nhân Đà Lạt.
1.5. KỸ THUẬT TÍNH TOÁN BẰNG MÔ PHỎNG MONTER CARLO
1.5.1. Các chương trình mô phỏng trên thế giới và trong nước.
Hiện nay, tại Viện Nghiên cứu hạt nhân có các chương trình máy tính
để sử dụng trong tính toán thiết kế phin lọc nơtron áp dụng tại các kênh ngang
của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt bao gồm: chương trình CFNB được phát
triển bởi Nhóm nghiên cứu số liệu hạt nhân tại Viện Nghiên cứu hạt nhân và
chương trình MCNP5. Chương trình tính toán CFNB thực hiện tính toán bằng
9
- Xem thêm -