Tài liệu Xác định phân bố thông lượng neutron trong bẫy neutron của lò phản ứng hạt nhân đà lạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ - VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN-KĨ THUẬT HẠT NHÂN -------------------------------- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: XÁC ĐỊNH PHÂN BỐ THÔNG LƯỢNG NEUTRON TRONG BẪY NEUTRON CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT SVTH: Nguyễn Tống Giang CBHD: ThS. Trần Quốc Dưỡng CBPB: TS. Trịnh Hoa Lăng TP. HỒ CHÍ MINH, 7 – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ - VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN-KĨ THUẬT HẠT NHÂN -------------------------------- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: XÁC ĐỊNH PHÂN BỐ THÔNG LƯỢNG NEUTRON TRONG BẪY NEUTRON CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT SVTH: Nguyễn Tống Giang CBHD: ThS. Trần Quốc Dưỡng CBPB: TS. Trịnh Hoa Lăng TP. HỒ CHÍ MINH, 7 – 2016 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT. .................2 1.1. Mô tả tổng quan Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt .............................................2 1.2. Giới thiệu về cấu trúc Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ....................................4 1.2.1. Bố trí vùng hoạt ......................................................................................4 1.2.2. Cấu trúc che chắn và thùng lò phản ứng.................................................6 1.2.3. Giới thiệu bẫy neutron ............................................................................7 CHƯƠNG 2: ĐO THÔNG LƯỢNG VÀ PHÂN BỐ THÔNG LƯỢNG NEUTRON THEO CHIỀU CAO. .........................................................................11 2.1. Giới thiệu .....................................................................................................11 2.2. Thông lượng neutron đối với lò phản ứng hình trụ trần ..............................11 2.3. Nguyên lý đo thông lượng neutron bằng phương pháp kích hoạt lá dò ......13 2.3.1. Tốc độ phản ứng R ..............................................................................14 2.3.2. Tính số hạt nhân bia N s , hệ số tự che chắn Gth ....................................15 2.3.3. Tính tiết diện kích hoạt neutron nhiệt ...................................................15 2.3.4. Kết luận .................................................................................................17 2.4. Phương pháp đo thông lượng tuyệt đối của neutron nhiệt trong LPƯ ........17 2.4.1. Tỉ số Cadmium và phương pháp bọc cadmium vào lá dò ....................18 2.4.2. Tính tốc độ phản ứng R từ số liệu đo đạc thực nghiệm .......................19 2.5. Phương pháp đo phân bố thông lượng neutron theo chiều cao vùng hoạt ..22 CHƯƠNG 3: ĐO PHỔ NEUTRON. .....................................................................24 3.1. Giới thiệu .....................................................................................................24 3.2. Nguyên lý của phương pháp đo phổ neutron bằng tập hợp các lá dò .........25 3.2.1. Phương trình kích hoạt lá dò .................................................................25 3.2.2. Chương trình SANDBP ........................................................................28 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THÔNG LƯỢNG VÀ PHỔ NEUTRON TRONG LPƯ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP. ..............................................................30 4.1. Giới thiệu về chương trình MCNP và phương pháp Monte Carlo ..............30 4.1.1. Phương pháp Monte Carlo ....................................................................30 4.1.2. 4.2. Chương trình MCNP.............................................................................31 Mô hình tính toán bằng MCNP cho LPƯ Đà Lạt........................................32 4.2.1. Tổng quan .............................................................................................32 4.2.2. Mô phỏng thí nghiệm............................................................................35 4.3. Nguồn trong tính toán tới hạn và thông lượng ............................................37 4.4. Kết quả .........................................................................................................37 CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO PHỔ VÀ PHÂN BỐ THÔNG LƯỢNG NEUTRON. ..........................................40 5.1. Chuẩn bị lá dò ..............................................................................................40 5.2. Chuẩn bị hệ đo .............................................................................................42 5.3. Chiếu mẫu ....................................................................................................43 5.4. Các biện pháp an toàn ..................................................................................43 5.5. Kết quả, nhận xét và đánh giá .....................................................................43 5.5.1. Đo thông lượng tuyệt đối và phân bố thông lượng tại bẫy ...................43 5.5.2. Đo phổ neutron .....................................................................................45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................49 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................51 PHỤ LỤC 1: INPUT MCNP MÔ TẢ BẪY NEUTRON TRONG LÒ PHẢN ỨNG ...............52 PHỤ LỤC 2: INPUT CHO CHƯƠNG TRÌNH SANDBP ..........................................................55 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.3: Cấu hình vùng hoạt làm việc với 92 bó nhiên liệu có độ làm giàu thấp. .10 Hin ̀ h 2.1: Sơ đồ phân rã của Au-198 ........................................................................18 Hin ̀ h 2.2: Tiết diện vi mô tổng của Dy, Au và Cd theo năng lượng ........................19 Hin ̀ h 2.3: Sơ đồ phân rã của Lu-177 ........................................................................22 Hin ̀ h 3.1: Phổ năng lượng neutron điển hình trong vùng hoạt LPƯ. .......................25 Hình 4.1: Lịch sử ngẫu nhiên của neutron khi đi vào một tấm vật liệu có khả năng phân hạch...................................................................................................................30 Hình 4.2: Mô hình thanh điều khiển, bẫy neutron, nhiên liệu, kênh khí nén 7-1 theo mặt cắt ngang. ...........................................................................................................34 Hình 4.3: Mô hình vùng hoạt chi tiết, toàn bộ mô hình theo chiều thẳng đứng và cắt ngang. ........................................................................................................................35 Hình 4.4: Mô phỏng bẫy neutron theo mặt cắt ngang bằng chương trình MCNP. ..36 Hình 4.5: Mô phỏng bẫy neutron theo mặt cắt đứng bằng chương trình MCNP.....36 Hin ̀ h 5.1: Các loại giá giữ mẫu .................................................................................41 Hin ̀ h 5.2: Quy trình rửa lá dò bằng cồn ....................................................................41 Hin ̀ h 5.3: Các lá dò đã được dán vào giá..................................................................42 Hin ̀ h 5.4: Hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe ............................................................42 Hình 5.5: Đồ thị phân bố thông lượng neutron theo chiều cao. ...............................44 Hình 5.6: Đường biểu diễn phổ neutron theo mức năng lượng trong vùng hoạt. ....48 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Thành phần vật liệu sử dụng trong tính toán (2930k) ..............................33 Bảng 4.2: Phân bố thông lượng neutron theo chiều cao...........................................38 Bảng 4.3: Kết quả tính phổ neutron bằng MCNP ....................................................39 Bảng 5.1. Các loại lá dò và phản ứng hạt nhân được sử dụng .................................40 Bảng 5.2: Phân bố thông lượng theo chiều cao tại bẫy. ...........................................44 Bảng 5.3: Kết quả đo thông lượng tuyệt đối tại bẫy. ................................................45 Bảng 5.6: Kết quả tính tốc độ phản ứng của các lá dò sau kích hoạt .......................46 Bảng 5.7: Kết quả thu được từ chương trình SANDBP. ..........................................47 PHẦN MỞ ĐẦU Thông lượng, phân bố thông lượng và phổ neutron trong Lò phản ứng (LPƯ) là một trong các thông số rất quan trọng. Các giá trị mật độ thông lượng thu được được dùng để hiệu chuẩn của các kênh thực nghiệm, đánh giá công suất tuyệt đối, phân bố công suất trong vùng hoạt, xác định các điểm công suất cực đại và tính toán cháy nhiên liệu. Nó cũng quan trọng để người sử dụng lò phản ứng biết mật độ thông lượng nhiệt tại các vị trí chiếu xạ. Mục đích của khoá luận là đo thực nghiệm phân bố thông lượng, thông lượng tuyệt đối và phổ neutron trong vùng hoạt Lò phản ứng (cụ thể là tại bẫy neutron) bằng phương pháp kích hoạt lá dò. Phương pháp này có ưu điểm là chính xác, và có khả năng đo tại các vị trí nhỏ mà không thể đưa các đầu dò vào. Song song với đo thực nghiệm, còn có tính toán mô phỏng bằng chương trình MCNP. Đối tượng thực hiện của khoá luận là bẫy neutron thuộc vùng hoạt của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy thuộc bộ phận Trung tâm Lò phản ứng, thuộc Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt; cùng với quý thầy cô tại bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý – Vật lý kỹ thuật, trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện cho em có thể hoàn thành khoá luận này. 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT. 1.1. Mô tả tổng quan Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là lò phản ứng nghiên cứu loại bể bơi (pool-type reactors; là loại lò phản ứng mà vùng hoạt được nhúng chìm hoàn toàn trong bể nước, phía trên để hở) với công suất danh định 500 kW, làm chậm neutron và làm mát bể lò bằng nước nhẹ. Lò phản ứng được sử dụng như một nguồn neutron cho các mục đích: (1) Nghiên cứu và đào tạo; (2) Phân tích kích hoạt neutron; (3) Sản xuất đồng vị phóng xạ. Từ ngày 24/11/2011, lò phản ứng được nạp các bó nhiên liệu LEU (nhiên liệu có độ giàu thấp) để khởi động vật lý. Nhiên liệu LEU thuộc loại VVR-M2, với hỗn hợp UO2-Al độ giàu 19,75% U-235 và có vỏ bọc bằng nhôm. Khối lượng U-235 trong mỗi bó nhiên liệu LEU khoảng 50g, nằm trong ba thanh nhiên liệu đồng trục, thanh nhiên liệu ngoài cùng có hình lục giác và hai thanh nhiên liệu bên trong có dạng hình trụ. Mỗi thanh nhiên liệu có 3 lớp, lớp nhiên liệu ở giữa có độ dày 0,94 mm, được bọc bằng 2 lớp vỏ bên ngoài là hợp kim nhôm với độ dày mỗi lớp là 0,78 mm. Khoảng không gian giữa các thanh nhiên liệu có độ rộng khoảng 25-30 mm được dùng cho nước lưu thông. Tổng chiều dài toàn bó nhiên liệu là 865 mm, còn độ dài phần có chứa nhiên liệu khoảng 600 mm. Các bó nhiên liệu được định vị trong vùng hoạt nhờ một mâm xoi lỗ dạng lưới tam giác. Các khối beryllium, các ống nhôm thẳng đứng để chứa các thanh điều khiển và các kênh chiếu xạ thí nghiệm cũng được định vị trên mâm xoi lỗ này. Vành phản xạ neutron làm bằng graphite và các khối beryllium. Cả vùng hoạt của lò phản ứng và vành phản xạ graphite được đặt trong bể lò. Việc bảo vệ và điều khiển lò phản ứng được thực hiện nhờ 7 thanh điều khiển, trong đó 6 thanh (gồm 2 thanh an toàn và 4 thanh bù trừ) làm bằng carbua-bor (B4C) có vỏ bọc bằng thép không rỉ, và 01 thanh điều khiển tự động làm bằng thép không 2 rỉ. Mỗi thanh điều khiển được treo bằng cáp nối với động cơ điện. Các thanh điều khiển chuyển động theo chiều thẳng đứng trong các ống nhôm xuyên qua vùng hoạt của lò. Các thanh an toàn và bù trừ (nếu đã được kéo lên một phần) có thể rơi tự do vào trong vùng hoạt trong thời gian nhỏ hơn 1 giây dưới tác dụng của trọng lực để dập tắt phản ứng dây chuyền. Chiều dài phần hấp thụ của các thanh điều khiển là 650 mm đủ để lấp hoàn toàn chiều cao làm việc của vùng hoạt lò phản ứng. Một số các kênh chiếu xạ thí nghiệm có mặt bên trong và xung quanh vùng hoạt, bao gồm 2 kênh chiếu xạ ướt và 2 kênh chiếu xạ khô (gắn với các hệ chuyển mẫu khí nén) theo chiều thẳng đứng, một mâm quay có 40 hốc chiếu tại vành phản xạ graphite, 01 cột nhiệt bằng graphite và 4 kênh ngang dẫn dòng neutron. Bể lò có dạng hình trụ làm bằng nhôm, được bao bọc xung quanh bằng tường bê tông và bên trong thùng lò được đổ đầy nước đã khử khoáng. Tường bê tông và nước trong bể lò còn được dùng như là các vật liệu bảo vệ sinh học. Chất lượng nước trong bể lò được duy trì nhờ hệ thống các phin lọc bằng cách một phần nước làm mát vòng sơ cấp (vòng I) được trích ra và đi qua hệ thống các phin lọc cơ học và phin lọc trao đổi ion. Nước đã được khử khoáng, để cung cấp cho bể lò, được chuẩn bị từ nguồn nước cấp của thành phố nhờ hệ thống xử lý và cung cấp nước. Lò phản ứng có thể hoạt động với nhiều mức công suất khác nhau và cực đại danh định là 500 kW, không hoạt động ở chế độ xung. Tại trạng thái ổn định với mức công suất cực đại, thông lượng trung bình của neutron nhiệt trong vùng hoạt của lò khoảng 4.1012 neutron/cm2s. Việc làm mát vùng hoạt được duy trì bằng cơ chế đối lưu tự nhiên. Một ống hình trụ, gọi là giếng hút, được lắp bên trên vùng hoạt lò phản ứng để tăng cường lưu lượng nước qua vùng hoạt nhờ hiệu ứng “ống hút”. Nước bể lò tại đáy vùng hoạt, bị nung nóng do nhiệt phát ra trong vùng hoạt (do phân hạch, nhiệt hóa neutron và phân rã của các sản phẩm phân hạch) và đi lên phía trên vùng hoạt. Nước nóng vào giếng hút, sau đó thoát ra khỏi giếng hút và trộn với nước trong bể lò. Để giữ nhiệt độ của nước bể lò tại lối vào vùng hoạt thấp hơn giới hạn vận hành, nước nóng của bể lò được lấy 3 ra từ phía trên của vùng hoạt và tuần hoàn chảy qua hệ tải nhiệt (hệ thống làm mát sơ cấp). Nhiệt được tải đi nhờ hệ thống làm mát thứ cấp. Bình trao đổi nhiệt lấy nhiệt của nước làm mát vòng sơ cấp nhờ hệ làm mát thứ cấp, từ đây nhiệt được đưa ra ngoài môi trường nhờ quạt gió của tháp làm mát. Hiện tại, Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là lò phản ứng duy nhất ở Việt Nam. Hằng năm, lò hoạt động trung bình khoảng 1300 giờ, để thực hiện cho ba mục đích chính nêu trên. Ngoài ra, lò cũng tiếp nhận các đoàn sinh viên thực tập và khách tham quan dưới sự hướng dẫn của các nhân viên Viện NCHN. 1.2. Giới thiệu về cấu trúc Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 1.2.1. Bố trí vùng hoạt Vùng hoạt của lò phản ứng có dạng hình trụ với chiều cao 60 cm và đường kính cực đại là 44,2 cm. Bên trong vùng hoạt (Hình 1.3) theo chiều thẳng đứng đặt các bó nhiên liệu, các khối beryllium, các ống dẫn các thanh điều khiển và các kênh chiếu xạ, tất cả đều được cố định bằng hai tấm được khoan lỗ (mâm xoi lỗ) ở dưới đáy vùng hoạt. Vùng hoạt được đặt bên trong một thùng nhôm và được treo lên bằng một giá đỡ, đáy của vùng hoạt cách đáy của thùng lò khoảng 60 cm. Phía dưới của vùng hoạt có một cơ cấu đỡ nhằm loại trừ nguy cơ vùng hoạt bị rơi xuống dưới thấp hơn vùng có khả năng hấp thụ neutron của thanh điều khiển. Mỗi mâm xoi có 121 lỗ để đặt các thiết bị, có dạng lưới tam giác với kích thước 35 mm. Các ô được đếm với hai số nguyên (ví dụ 1-4, 13-2, v.v...) số thứ nhất chỉ thứ tự hàng được tăng theo từng đơn vị theo hướng từ Đông sang Tây và số thứ hai cũng tăng theo thứ tự từng đơn vị theo hướng từ Bắc đến Nam. 114 trong số các ô này dùng để đặt các bó nhiên liệu, các khối beryllium hay các kênh chiếu xạ và 7 ô còn lại để đặt các ống dẫn các thanh điều khiển. Các khối beryllium có cùng kích thước và dạng hình học giống như các bó nhiên liệu. Nhiều ô mạng ngoại vi của vùng hoạt khi không có các bó nhiên liệu được đặt các khối beryllium tạo thành vành phản xạ neutron bổ sung. Bên cạnh đó, vòng 4 beryllium ngoài cùng (vành ngoài) có hình dạng răng cưa và được đặt giữa vùng hoạt và vành phản xạ graphit tạo thêm một vành phản xạ. Vành phản xạ beryllium này cũng như vùng hoạt được đặt trong một vỏ nhôm có hình trụ có vị trí thấp hơn giá đỡ. Bảy ô mạng trong vùng hoạt dùng để đặt các ống nhôm theo chiều thẳng đứng với đường kính bên trong là 33 mm nhằm định vị các thanh điều khiển. Phần dưới các ống chứa thanh điều khiển nằm dưới đáy của vùng hoạt và có dạng hình nón để tránh các thanh điều khiển rơi ra ngoài vùng hoạt trong trường hợp dây cáp treo bị đứt. Các ống nhôm này được cố định nhờ mâm xoi lỗ dưới đáy vùng hoạt và được gắn vào giá đỡ gần trên đỉnh thùng lò. Tất cả các ống dẫn các thanh điều khiển đều có nước bên trong và phần dưới có các lỗ khoan để nước thoát ra ngoài khi thanh điều khiển di chuyển xuống phía dưới. Có một số kênh chiếu xạ theo chiều thẳng đứng trong vùng hoạt lò phản ứng. Bảy ô trung tâm trong vùng hoạt được đặt 6 khối beryllium xung quanh một hốc nước để tạo thành bẫy neutron ở tâm; một số ô mạng ở ngoại vi vùng hoạt dùng làm các kênh chiếu mẫu khô và ướt. Hiện tại chỉ còn ô mạng 1-4 được dùng làm kênh chiếu mẫu ướt, còn ô mạng 13-2 là kênh khô chuyển mẫu bằng khí nén với thời gian chiếu ngắn dưới 5 giây và ô mạng 7-1 là kênh khô chiếu xạ bằng khí nén với thời gian chiếu dài trên 45 giây. Hiện nay, vùng hoạt của lò phản ứng đã được nạp tải với cấu hình làm việc như sau: 92 bó nhiên liệu LEU có bẫy neutron ở tâm, 12 thanh beryllium xung quanh bẫy, kênh khô 7-1, kênh ướt tạm thời 13-2 và kênh ướt 1-4 từ tháng 12/2011 (Hình 1.3). Từ tháng 8/2012, ô 13-2 đã được lắp đặt hệ chuyển mẫu khí nén mới. Các bó nhiên liệu và các bộ phận bên trong vùng hoạt được cố định vị trí bên trong vùng hoạt. Điều này bảo đảm tính toàn vẹn của vùng hoạt trong quá trình lò phản ứng hoạt động bình thường và trong tình huống có sự cố. 5 1.2.2. Cấu trúc che chắn và thùng lò phản ứng Kết cấu bê tông cốt thép (Hình 1.1 và 1.2) có chiều dài 8,6 m và chiều cao tính từ sàn nhà lò khoảng 6,55 m. Cấu trúc che chắn của lò phản ứng theo dạng bậc thang nên phần đáy có chiều rộng khoảng 6,69 m trong khi ở phía trên có hình bát giác với chiều rộng khoảng 3,81 m. Bể chứa các bó nhiên liệu đã cháy có chiều rộng 2,46 m, chiều dài 2,74 m và sâu 3,66m được định vị ngang ở phần đáy và có chiều cao của tường lên đến 3,76 m. Một tấm thép nặng 3,6 tấn, dày 15 cm được dùng để che chắn phóng xạ bổ sung phía trên thùng lò. Nắp đậy này có một số lỗ có nắp di chuyển được để thực hiện các thao tác bên trong bể lò, trong đó có một lỗ được đậy bằng kính để quan sát bên trong bể lò. Nắp đậy này có thể quay tròn bằng mô tơ điện hay bằng tay. Trên đỉnh kết cấu che chắn của lò phản ứng tạo ra một bề mặt rộng hơn nhờ bệ đỡ bê tông cốt thép và có lan can bảo vệ xung quanh. Phần bên ngoài của bệ đỡ này được thiết kế để chịu trọng tải khoảng 734 kG/m2. Một phía của bệ đỡ này, nơi gần nắp đậy của lò, có 7 động cơ của các thanh điều khiển. Các động cơ cũng như dây cáp nối với các thanh điều khiển đều được che bằng một hộp thủy tinh hữu cơ trong suốt để tránh bụi và đụng chạm gây sự cố. Phần bên kia, có một thùng thép không rỉ với dung tích 300 lít chứa nước đã được khử khoáng để bổ sung nước cho bể lò. Vùng hoạt của lò phản ứng được đặt ở phía trên đáy của thùng nhôm mà thùng nhôm này được che chắn bằng bê-tông xung quanh. Thùng nhôm được giữ lại từ lò TRIGA trước đây, có đường kính ngoài khoảng 2 m, chiều cao 6,25 m, độ dày tối thiểu 6,2 mm. Các kênh ngang, cột nhiệt và cột nhiệt hóa đâm xuyên qua thùng lò. Những cấu kiện này được chia ra làm hai phần bằng một khe nhỏ tại phía ngoài của thùng lò. Phần bên trong của những cấu kiện này được hàn với thùng lò, còn phần bên ngoài của các cấu kiện này được hàn với lớp bê-tông che chắn cùng theo trục nằm ngang giống như phần bên trong. Khe hở giữa phần bên ngoài và bên trong của các cấu kiện 6 dùng để ngăn ngừa lực ép do giãn nở về nhiệt của thùng nhôm trong khi lò phản ứng hoạt động. Thùng lò và các cấu kiện ở trên không bị thấm nước nhờ những ống nối hàn. Để bảo vệ ăn mòn, bên ngoài thùng lò được phủ một lớp nhựa đường nóng với lớp nỉ gia cố thêm. Thùng lò chứa nước đã được khử khoáng với mức nước cao 6,2 m, như vậy lớp nước che chắn phía trên vùng hoạt cao khoảng 5 m. Nước trong bể lò cũng được xem là chất tải nhiệt, chất làm chậm cũng như là các lớp phản xạ ở trên và dưới vùng hoạt. Bể lò cũng có thể xem là rào chắn thứ hai (sau lớp rào chắn thứ nhất là vỏ bọc nhiên liệu) ngăn không cho các sản phẩm phân hạch có phóng xạ giải phóng ra bên ngoài. 1.2.3. Giới thiệu bẫy neutron Bẫy neutron ở tâm vùng hoạt dạng hình trụ có hốc nước ở giữa, xung quanh là các khối beryllium. Bẫy neutron được sử dụng là một kênh chiếu xạ có thông lượng neutron nhiệt cực đại. Đường kính trong của bẫy là 65 mm với khối lượng nước ở bên trong khoảng 2050 cm3. Một ống nhôm được đặt ở bên trong bẫy để giữ các mẫu chiếu xạ có đường kính 42 mm. Equation Chapter 2 Section 1 7 8 Hình 1.1 Mặt cắt đứng của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [3]. 8. BÓ chøa nhiªn liÖu 7. Vµnh ph¶n x¹ Graphite 6. Vïng ho¹t 5. Cét nhiÖt 4. GiÕng hót 3. Gi¸ ®ì 2. Thïng nh«m Bª t«ng Graphi te 1. Ch×N¾p ®Ëy 9 [3] Hình 1.3: Cấu hình vùng hoạt làm việc với 92 bó nhiên liệu có độ làm giàu thấp [2]. 10 CHƯƠNG 2: ĐO THÔNG LƯỢNG VÀ PHÂN BỐ THÔNG LƯỢNG NEUTRON THEO CHIỀU CAO. 2.1. Giới thiệu Việc đo phân bố mật độ thông lượng neutron nhiệt trong vùng hoạt rất quan trọng. Vì phân bố mật độ thông lượng tỷ lệ thuận với công suất, ta có thể xác định công suất lò phản ứng bằng cách đo phân bố mật độ thông lượng tương đối trong lò phản ứng và mật độ thông lượng tuyệt đối ở một vị trí nhất định của lò phản ứng. So với buồng ion hóa hoặc buồng phân hạch, các lá dò kích hoạt dùng để đo neutron bằng cách đo hoạt độ phóng xạ thì không nhạy với tia gamma và có thể được sử dụng ở những nơi mà các đầu dò khác không thể được sử dụng vì kích thước nhỏ của chúng. 2.2. Thông lượng neutron đối với lò phản ứng hình trụ trần Xem xét một lò phản ứng nhanh tới hạn chứa hỗn hợp đồng nhất nhiên liệu và chất làm nguội. Giả sử rằng lò phản ứng bao gồm một vùng duy nhất và không có bề mặt bao phủ cũng không có vành phản xạ. Hệ như vậy được gọi là lò phản ứng trần. Lò phản ứng này được mô tả trong tính toán một nhóm với phương trình khuếch tán một nhóm phụ thuộc thời gian: D2  a  s   1   t (2.1) Trong đó: D (cm) là hệ số khuếch tán; a (barn) là tiết diện hấp thụ vĩ mô;  (cm/s) là tốc độ neutron; s là mật độ nguồn (ví dụ số neutron phát ra/cm3.s). Để xác định s đặt  f là tiết diện phân hạch của nhiên liệu và  là số neutron sinh ra trong một phân hạch. Khi đó s   f  . Xét trường hợp trạng thái lò phản ứng không phụ thuộc thời gian, do đó sự cân bằng giữa nguồn với sự hấp thụ và rò neutron luôn tồn tại (vế phải (2.1) bằng không). Để đảm bảo cho sự cân bằng này, ta nhân số hạng nguồn với thừa số 1 k , k là hằng số chưa biết. Nếu số hạng nguồn quá nhỏ thì k  1 , ngược lại nếu số hạng nguồn quá lớn thì k  1 . Phương trình (2.1) trở thành: 11 1 D2  a   f   0 k Đặt Bg2  (2.2) 1 1    f   a  là buckling hình học, phương trình (2.2) trở thành: Dk   2  Bg2  0 (2.3)  DBg2   a  s  0 (2.4) Hay: Đặt  aF là tiết diện hấp thụ một nhóm của nhiên liệu,  là số neutron phân hạch trung bình phát ra khi một neutron bị hấp thụ trong nhiên liệu, thừa số số hạng nguồn trở thành s   aF    aF  a  nf  a . f là hệ số sử dụng nhiên liệu. Đặt k  nf , a gọi là hệ số nhân vô hạn. Phương trình (2.4) trở thành:  DBg2   a  k  a  0 (2.5)  DBg2  (k  1) a  0 (2.6) Hay: Đặt L2  D ta có: a  Bg2  Đặt Bm2   k  1   0 L2 (2.7)  k 1 , Vậy đối với vùng hoạt LPƯ đang tới hạn: L2 Bm2  Bg2 (2.8) Đối với vùng hoạt hình trụ trần phương trình (2.3) có lời giải:   r  R r  Z  z 12 (2.9) Với:  m.z.  Z m ( z )  Am cos    H  (2.10) x r Rn (r )  An J 0  n   R  (2.11) Trong đó: H (cm) là chiều cao ngoại suy của vùng hoạt; R (cm) là bán kính ngoại suy của vùng hoạt; J 0 là hàm Bessel loại một bậc không và xn là lời giải bậc không thứ n của J 0 . Do đó, phân bố mật độ thông lượng neutron cân bằng là:  2, 405.r    .z   cos    R   H    r  0 .J 0  (2.12) 2.3. Nguyên lý đo thông lượng neutron bằng phương pháp kích hoạt lá dò Gọi v là vận tốc của neutron, thông lượng của neutron  (n/cm2.s) được định nghĩa như sau:    r  v.n r (2.13)  Trong đó: n r (n/cm2) là mật độ neutron tại một điểm theo vector vị trí r . Hạt nhân được chiếu xạ bằng chùm neutron đa phần sẽ trở thành hạt nhân phóng xạ. Tốc độ phản ứng trong suốt quá trình chiếu xạ đối với toàn dải năng lượng của neutron được tính như sau:  R   ( E ) ( E ) N s dE (2.14) 0 Trong đó: ( E ) (n/cm2.s) - thông lượng neutron tại năng lượng E.  ( E ) (barn) - Tiết diện bắt neutron tại năng lượng E của hạt nhân bia. E - Năng lượng của neutron. 13 N s - Số hạt nhân bia. Đối với neutron có năng lượng nhiệt, công thức (2.14) trở thành: R  th a.th N s (2.15) Trong đó:  th - Tổng thông lượng vùng neutron nhiệt.  a.th - Tổng tiết diện bắt neutron nhiệt của hạt nhân bia. Từ công thức (2.15), ta có được công thức tính thông lượng neutron nhiệt theo tốc độ phản ứng như sau: th  R  a.th N s (2.16) 2.3.1. Tốc độ phản ứng R Số hạt nhân phóng xạ (N) sinh ra trong suốt quá trình kích hoạt neutron chính là hiệu giữa tốc độ sinh ra và quá trình phân rã: dN  R   N (t ) dt (2.17) Trong đó:  (s-1) - hằng số phân rã của hạt nhân sau khi kích hoạt. t (s) - thời gian. Ở thời điểm ban đầu chưa có hạt nhân phóng xạ nào ( N 0  0 ), giải phương trình vi phân (2.17), ta được: N (t )  R  (1  e t ) (2.18) Gọi T (s) là thời gian chiếu xạ trong lò, ta có hoạt độ của mẫu sau khi chiếu xạ: A(T )   N (T )  R(1  e  T ) (2.19) Hoạt độ của lá dò A(T , ) sau quá trình chiếu xạ sẽ giảm dần theo thời gian  (s) (thời gian chờ rã) theo hàm mũ: 14