An toàn bức xạ tương tác của neutron với vật chất pptx

NỘI DUNGĐẶC TRƯNG CỦA TRƯỜNG NEUTRON 2 MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN KHÁC 3 TƯƠNG TÁC CỦA NEUTRON VỚI VẬT CHẤT 11... Sự suy giảm chùm neutron khi đi qua vật chấtNEUTRON TƯƠNG TÁC VẬT CHẤT

Trang 1

GVHD : ThS TRƯƠNG TRƯỜNG SƠN SVTH : TRẦN VĂN XUÂN

HỒ HOÀNG ViỆT HUỲNH THỊ TUYẾT HOÀNG NGUYỄN PHÚC

Trang 2

NỘI DUNG

ĐẶC TRƯNG CỦA TRƯỜNG

NEUTRON

2

MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

KHÁC

3

TƯƠNG TÁC CỦA NEUTRON VỚI

VẬT CHẤT

11

Trang 3

1 TƯƠNG TÁC CỦA NEUTRON VỚI VẬT CHẤT

1.1 Sự suy giảm chùm neutron khi đi qua vật chất

1.2 Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi

1.2.1 Tham số va chạm ξ

1.2.2 Số va chạm S

1.3 Hấp thụ neutron

Trang 4

NEUTRON

TƯƠNG TÁC

VẬT CHẤT

Khi neutron va chạm với hạt nhân thường xảy ra các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ

không đàn hồi

và phản ứng hạt

nhân.

Khi neutron va chạm với hạt nhân thường xảy ra các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ

không đàn hồi

và phản ứng hạt

nhân.

Trang 5

E n lớn hơn 10MeV

Neutron nhiệt

neutron trên nhiệt

neutron nhanh

neutron rất nhanh

Để xem xét sự tương tác của

neutron với vật chất

E n từ 0.5eV đến 10keV

E n từ 10keV đến 10MeV

Năng lượng neutron

E n từ 0 đến 0.5eV

Tương tác của neutron với hạt nhân phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng của nó

Trang 6

Tất cả các neutron

khi sinh ra đều là

neutron nhanh.

Các neutron nhanh mất năng lượng khi va chạm đàn hồi với các hạt nhân môi trường trở thành neutron nhiệt hoặc trên nhiệt

và cuối cùng bị hấp thụ trong môi trường.

Có nhiều loại phản ứng của neutron với vật chất nhưng từ quan điểm an toàn bức xạ, các tương tác chính của neutron được quan tâm là quá trình tán xạ đàn hồi và quá trình neutron sinh

ra các photon hay các hạt khác.

Trang 7

Quá trình tán xạ đàn hồi giữa neutron nhanh với hạt nhân môi trường giống như sự va chạm đàn hồi giữa hai viên bi, trong đó hạt neutron có khối lượng bằng 1, động năng ban đầu E, còn hạt nhân đứng yên có

khối lượng A Sau tán xạ neutron có năng lượng E’

Do tán xạ đàn hồi, năng lượng neutron giảm dần khi đi qua môi trường, ta gọi là neutron bị làm chậm và môi trường như vậy gọi là chất làm chậm.

Tán xạ đàn hồi là quá trình phổ biến nhất khi

Neutron tương tác với các hạt nhân môi

trường có số nguyên tử bé.

Trang 8

1.2 Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi

Do quy luật bảo toàn động năng và động lượng của quá trình tán xạ đàn hồi,

ta có:

ε E ≤ E’ ≤ E (1.2)

Trong đó:

(1.3)

Trong công thức (1.2): E’=E: khi neutron tán xạ về phía trước.

E’= ε E: khi neutron tán xạ giâât lùi về phía sau, tức là va

chạm chạm trán

Theo công thức (1.3) trong va chạm với hạt nhân hydrogen thì ε =0, do đó theo công thức (1.2) thì neutron truyền toàn bôâ đôâng năng của mình cho hydrogen khi va chạm chạm trán

2

1 1

A A

ε =  −+ ÷

Trang 9

Như vâây, hạt nhân với khối lượng bé làm chââm neutron có hiêâu quả

hơn hạt nhân có khối lượng lớn.

Chẳng hạn, đối với tán xạ đàn hồi giữa neutron và hạt nhân

oxygen thì ε =0,778, do đó phần đôâng năng của neutron được

truyền cho hạt nhân oxygen trong môât va chạm chạm trán là :

(E-E’)/E = 1- ε = 1- 0.778 = 0.222, tức là 22,2%.

Tuy nhiên, đối với các hạt nhân năâng hơn,

do ε≠ 0 nên neutron không thể truyền toàn

bôâ đôâng năng của mình trong môât va chạm.

Trang 10

1.2.1 Tham số va chạm

• Để biểu thị độ mất năng lượng khi neutron va chạm đàn hồi, người ta dùng tham số va chạm hay độ mất năng lượng logarit trung bình:

lấy trung bình

'

ln E

E

ξ = ξ = +1 ε1ln−εε

Trang 11

• Trong trường hợp môi trường làm chậm chứa n loại hạt

nhân và mỗi loại có tiết diện tán xạ vi mô là σsi và tham số

va chạm ξi thì giá trị trung bình của tham số va chạm của môi trường là:

do

Suy ra:

• Ví dụ: đối với hydrogen thì ξ=1 nên phần năng lượng trung bình của neutron nhanh truyền cho hạt nhân hydrogen trong một va chạm là f=63%, còn đối với carbon thì ξ=0.159 nên f=14.7%

1

n

si i i i

n

si i i

N N

ξ

σ

=

= ∑

∑

' '

ln E nên E e

ξ

'

1 E 1

E

ξ

−

= − = −

Trang 12

1.2.2 Số va chạm S

• Số va chạm cần thiết để làm chậm neutron từ năng lượng E1 đến năng lượng E2 là:

• Như vậy số va chạm cần thiết để chuyển từ neutron nhanh có năng lượng E0=2 MeV đến neutron nhiệt có năng lượng

ET=0.025eV là:

ST = S(E0ET) = 18.2/ ξ

2

1

S E E

E

ξ

=

Trang 13

Bảng 1: Các thông số đối với một số chất làm chậm

Mật độ của các hạt nhân tăng thì ξ giảm => va chạm ST

tăng => các hạt nhân nhẹ làm chậm tốt hơn hat nhân nặng

Chất làm

chậm Mật độ γ(g/cm 3 )

N 10 24 /cm 3 ξ S T L (cm) D (cm -1 )

( )E cm1

τ

Trang 14

1.3 Hấp thụ neutron

• Trong quá trình neutron nhanh được làm chậm thành neutron trên nhiệt hay neutron nhiệt trong môi trường, xác suất hấp thụ chúng tăng dần Tiết diện hấp thụ của nhiều hạt nhân đối với neutron ở miền năng lượng nhiệt tuân theo quy luật như sau:

• Với B 10 , quy luật này đúng trong miền năng lượng từ 0.001eV đến 1000eV Tiết diện neutron có giá trị cao nhất σ T tại năng lượng nhiệt E T =0.025eV Khi đó quy luật trên có thể viết thành:

1 1

v E

Trang 15

• Các phản ứng hấp thụ neutron nhiệt được quan tâm

trong an toàn bức xạ như :

– H1(n,γ)H2 với σT=0.33 barns

– N14(n,p)C14 với σT=1.70 barns

– B10(n,α)Li7 với σT= 4.01 × 103barns

– Cd113(n,γ)Cd114 với σT=2.1×104 barns

• Thông thường, khi che chắn neutron nhanh , người ta dùng hai loại vật liệu kết hợp với nhau, vật liệu nhẹ như nước, paraphin để làm chậm neutron và vật liệu hấp thụ mạnh neutron nhiệt như B10 hay Cd113 để hấp thụ

neutron nhiệt

Trang 16

2.2 Độ dài làm chậm và độ dài khuếch tán neutron

2.2.1 Độ dài làm chậmĐộ dài làm chậm bằng căn bậc hai của tuổi Fermi

τ (E), được xác định như sau:

Trong đó E0=2 MeV là năng lượng neutron nhanh, E là năng lượng neutron trong quá trình làm chậm, λs và λtr là các độ dài tán xạ và độ dài dịch chuyển của neutron trong môi trường Độ

dài dịch chuyển được xác định như sau:

0

E

E dE

E

τ

1 cos

s tr

λ λ

θ

=

−

Trang 17

Là trung bình cosin của góc bay của neutron sau tán xạ

Với E = ET = 0.025eV thì τ(ET) là tuổi neutron nhiệt còn là độ dài làm chậm

2.2.2.Độ dài khuếch tán

Độ dài khuếch tán L là quãng đường mà neutron đi được từ khi trở thành neutron nhiệt đến lúc bị hấp thụ và được xác định như sau:

Trong đó λ a là độ dài hấp thụ neutron nhiệt của môi trường Với môi trường có độ dài khuếch tán L thì chùm tia neutron nhiệt bị suy giảm khi đi qua môi trường có bề dày t được xác định như sau:

I =I0 e -t/L

3

2 cos

3A

(E T)

τ

Trang 18

Các neutron khuếch tán với hệ số khuếch tán D được xác định qua độ dài dịch chuyển như sau:

D = λtr/3

• Đối với một nguồn điểm S neutron nhiệt trong 1 giây đặt trong một quả cầu làm chậm bán kính R với độ dài khuếch tán L, hệ số khuếch tán D, thì mật độ thông lượng neutron nhiệt thoát khỏi bề mặt quả cầu là:

/ 4

R L

Se RD

π

−

Φ =

Trang 19

Phản ứng sinh alpha

Phản ứng sinh nhiều hạt

Phản ứng phân hạch

Phản ứng sinh proton

Phản ứng

chiếm phóng

xạ

Trong phản ứng sinh proton hạt nhân hấp thụ neutron và phát ra hạt

proton, ký hiêêu là phản ứng (n,p):

Ví dụ phản ứng sau đây khi neutron có năng lượng 0.92 MeV:

và đối với neutron nhiệt:

Trong phản ứng sinh alpha: hạt nhân hấp thụ neutron và phát ra

ví dụ phản ứng sau đây khi neutron có năng lượng 0.28 MeV:

và đối với neutron nhiệt:

Trong phản ứng sinh nhiều hạt, hạt nhân hấp thụ neutron và phát ra 2 hạt neutron, ký hiêêu là phản ứng (n, 2n), 3 hạt neutron, ký hiê êu là phản ứng (n,3n) v.v…Ví dụ:

Các phản ứng sinh nhiều hạt thường xảy ra với neutron có năng lượng rất cao.

Trong phản ứng phân hạch hạt nhân, các hạt nhân nă êng như Uranium , thorium và plutonium hấp thụ neutron và bị neutron này phân chia thành

2 mãnh vỡ với khối lượng gần theo tỉ lêê 2:3, ký hiêêu là phản ứng (n,f):

phản ứng phân hạch còn sinh ra các hạt neutron, gamma, beta.v.v…

và tỏa ra nhiệt lượng gấp hàng triệu lần nhiệt lượng của các phản ứng hóa học Phản ứng phân hạch được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân và các phản ứng hạt nhân.

Trong phản ứng chiếm phóng xạ hạt nhân hấp thụ neutron và phát

Phản ứng chiếm phóng xạ thường xảy ra với năng lượng neutron từ 0 đến 500keV Chẳng hạn, neutron năng lượng 1.46KeV tương tác với Indium như sau:

MỘT SỐ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN KHÁC

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	1,08 MB