phát triển các dòng nơtron phin lọc đơn năng tại kênh ngang số 4 lò phản ứng hạt nhân đà lạt

Một trong các thực nghiệm quan trọng và phổ biến của vật lý nơtron là nghiên cứu phản ứng hạt nhân và các hiệu ứng tương tác của nơtron với vật chất trên cơ sở các chùm nơtron đơn năng t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

_

TRẦN TUẤN ANH

PHÁT TRIỂN CÁC DÒNG NƠTRON PHIN LỌC ĐƠN NĂNG TẠI KÊNH NGANG SỐ 4 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS VƯƠNG HỮU TẤN

2 TS PHẠM ĐÌNH KHANG

ĐÀ LẠT – 2012

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 4

1.1 Nguồn nơtron và những ứng dụng liên quan 4

1.1.1 Một số nguồn nơtron đồng vị thông dụng 4

1.1.2 Nguồn nơtron từ máy gia tốc 5

1.1.3 Nguồn nơtron từ lò phản ứng 5

1.2 Các kỹ thuật tạo dòng nơtron đơn năng 8

1.2.1 Phương pháp thời gian bay 8

1.2.2 Kỹ thuật phin lọc nơtron 9

1.3 Các phản ứng khi nơtron đi qua môi trường vật liệu làm phin lọc 11

1.3.1 Tiết diện, quãng chạy tự do trung bình 11

1.3.2 Phân loại phản ứng khi nơtron đi qua môi trường vật liệu làm phin lọc 13

1.3.3 Tiết diện trong vùng liên tục 14

1.4 Mô tả số liệu tiết diện nơtron toàn phần 16

CHƯƠNG II: MÔ PHỎNG CÁC DÒNG NƠTRON PHIN LỌC 18

2.1 Lựa chọn thành phần, kích thước của tổ hợp vật liệu làm phin lọc 18

2.2 Tạo file số liệu đầu vào (Input) 19

2.2.1 Số liệu về phổ năng lượng nơtron trước phin lọc 19

2.2.2 Số liệu về tiết diện nơtron toàn phần 20

2.2.3 Mô tả file Input 20

2.2.4 Mô tả file Output 22

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CÁC DÒNG NƠTRON PHIN LỌC ĐƠN NĂNG 24keV, 54keV, 59keV, 133keV và 148keV 24

3.1 Chọn lựa tối ưu kích thước vật liệu phin lọc 24

3.2 Kết quả tính toán các dòng nơtron phin lọc 25

CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CÁC DÒNG NƠTRON PHIN LỌC 32

4.1 Đo thực nghiệm các đặc trưng phin lọc mới tại kênh số 4 32

4.2 Hệ phổ kế prôton giật lùi 32

4.3 Đo thực nghiệm phổ năng lượng nơtron bằng phổ kế prôton giật lùi 33

4.4 Kết quả đo thực nghiệm phổ phân bố năng lượng nơtron 34

KẾT LUẬN 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

Một trong các thực nghiệm quan trọng và phổ biến của vật lý nơtron là nghiên cứu phản ứng hạt nhân và các hiệu ứng tương tác của nơtron với vật chất trên cơ sở các chùm nơtron đơn năng từ lò phản ứng hạt nhân bằng kỹ thuật phin lọc Các hướng nghiên cứu cơ bản và ứng dụng trên các chùm nơtron phin lọc từ lò phản ứng có thể được liệt kê như sau[9, 10]:

Đo số liệu tiết diện nơtron toàn phần với có độ chính xác cao (0.1 - 0.01%),

Đo đặc trưng phổ phát xạ gamma từ phản ứng bắt nơtron của các vật liệu khác nhau,

Đo tiết diện bắt bức xạ nơtron,

Nghiên cứu thực nghiệm về tỉ số Isomer,

Nghiên cứu hiệu ứng Doppler,

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của bức xạ lên tính chất vật liệu,

Chụp ảnh bằng nơtron,

Nghiên cứu phương pháp xạ trị (BNCT: Boron Neutron Capture Therapy),

Phân tích kích hoạt gamma tức thời (PGNAA),

Phát triển dòng thông lượng chuẩn cho mục đích chuẩn liều nơtron,

Định chuẩn năng lượng cho ống đếm tỷ lệ prôton giật lùi

Chất lượng của dòng nơtron đơn năng là một trong những yếu tố quyết định đến độ chính xác của các kết quả thực nghiệm Để tạo ra các nguồn nơtron đơn năng người ta đã ứng dụng các kỹ thuật khác nhau như: kỹ thuật phin lọc, kỹ thuật tán xạ tinh thể, phương pháp thời gian bay,.v.v… Trong đó, kỹ thuật sử dụng các phin lọc nơtron khác nhau trên

cơ sở các kênh ngang của lò phản ứng để tạo ra các dòng nơtron có năng lượng đơn năng,

có độ phân giải năng lượng tốt và thông lượng lớn là một trong những phương pháp hiệu

quả đáp ứng được các yêu cầu nêu trên Kỹ thuật phin lọc nơtron đã được áp dụng rộng rãi

ở nhiều quốc gia trên thế giới như: Ukraina, Mỹ, Nhật, Việt Nam, Ngày nay, với kỹ thuật này người ta đã tạo ra các dòng nơtron nhiệt và đơn sắc trong vùng năng lượng từ keV đến vài MeV[14, 17]

Ở Việt Nam, từ những năm 1990, kỹ thuật phin lọc đã được áp dụng thành công tại

lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt để tạo ra các dòng nơtron phin lọc nhiệt, 55keV và 144keV phục vụ các nghiên cứu về đo đạc thực nghiệm số liệu hạt nhân, phân tích nguyên tố bằng phương pháp PGNAA, chụp ảnh nơtron và đào tạo cán bộ Trong bối cảnh hiện nay, nước

ta đang tiến đến sản xuất điện nguyên tử và tăng cường phát triển các ứng dụng phi điện năng của khoa học và kỹ thuật hạt nhân, phục vụ sự phát triển chung của nền kinh tế xã hội Để góp phần nâng cao tiềm lực về cơ sở nghiên cứu vật lý hạt nhân và đào tào nhân lực, việc nghiên cứu phát triển một số dòng nơtron phin lọc đơn năng mới trên cơ sở các kênh ngang xuyên tâm số 4 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã được thực hiện

Nội dung chính của chuyên đề được trình bày trong bốn chương bao gồm: Chương 1: Tổng quan: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cách tạo ra dòng nơtron đơn năng bằng kỹ thuật phin lọc Chương 2: Mô phỏng các dòng nơtron phin lọc: Sử dụng chương trình Monte Carlo MCNP5 để mô phỏng phổ nơtron đơn năng sau phin lọc Chương 3: Kết quả tính toán các dòng nơtron phin lọc đơn năng Chương 4: Thực nghiệm đo các thông số đặc

trưng của các dòng nơtron

CHƯƠNG I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Nguồn nơtron và những ứng dụng liên quan

Các nguồn nơtron được tạo ra từ nhiều phương pháp khác nhau, có những đặc trưng khác nhau chẳng hạn như phân bố năng lượng, thông lượng nơtron phát ra, v.v… mỗi một loại nguồn nơtron có những ưu điểm và nhược điểm nhất định đối với những mục đích ứng dụng khác nhau

1.1.1 Một số nguồn nơtron đồng vị thông dụng

a) Nguồn nơtron từ phản ứng ( ) γ, n (Photonơtron hay Quang nơtron):

9

Be + γ -> n + 8 Be năng lượng ngưỡng 1.67 MeV,

2

D + γ -> n + 1 H năng lượng ngưỡng 2.23 MeV

b) Nguồn nơtron từ phản ứng ( ) α, n : các nguyên tố siêu Uranium như 242 Cm, 239 Pu,

Ngoài 9Be, người ta có thể thay bằng các nguyên tố nhẹ như B, Li, F Những

nguồn này được tạo ra dưới dạng kim loại bột pha với 9 Be Trong các loại nguồn phản ứng

và nguồn đồng vị thì nguồn phân hạch 252 Cf là nguồn thường được sử dụng hơn cả

c) Nguồn nơtron từ sự phân hạch của đồng vị 252 Cf: chu kỳ bán hủy của nó là 2,73 năm,

3,2% phân rã bằng phân hạch tự phát, phát ra 3,7 nơtron trong mỗi phân hạch theo các phản ứng sau:

Phát nơtron/phân hạch tự phát 3.76 Năng lượng nơtron trung bình 2.348 MeV

Tốc độ phát γ 1.3.1013 γ s -1 g -1

Suất liều ở 1m trong không khí + Nơtron

+ Gamma

2.2.103 rem.h -1 g -1

1.6.102 rad.h -1 g -1

1.1.2 Nguồn nơtron từ máy gia tốc

Các nguồn nơtron tạo ra từ máy gia tốc có những ưu điểm rất lớn như cường độ dòng nơtron đạt được lớn hơn vài bậc so với các nguồn đồng vị Bằng máy gia tốc, có thể thu được chùm nơtron đơn năng tốt và có dải năng lượng rộng Cũng có thể tạo chùm nơtron dạng xung thích hợp cho phép đo theo phương pháp thời gian bay Có nhiều loại máy gia tốc để tạo nguồn nơtron dựa trên các nguyên lý sau:

1 Có thể thu được các nơtron đơn năng dựa trên phản ứng (p, n) hoặc (d, n) với chùm

đơtron hoặc prôton bằng máy gia tốc Van de Graaff Đôi khi người ta còn sử dụng máy gia tốc hạt tròn để thay đổi năng lượng hạt gia tốc và thu được nơtron đơn năng

2 Phản ứng (d, n) rất thích hợp để thu nơtron năng lượng thấp (dưới 1 MeV) Bia

được sử dụng là đơtri, liti, triti và berili Kết hợp với máy gia tốc đơn giản năng lượng thấp

có dòng lớn, có thể thu được chùm nơtron mạnh liên tục hoặc xung

3 Có thể thu được chùm nơtron rất mạnh bằng máy gia tốc electron thẳng dựa trên

phản ứng (γ, n), cũng có khi các chùm nơtron thu được từ phản ứng (p, n) và (d, n) trên

máy gia tốc hạt tròn hoặc máy gia tốc hạt vòng xuyến

Nhiều máy gia tốc phát nơtron đã được sử dụng trong điều trị bệnh, xử lý vật liệu, bảo quản thực phẩm, khử trùng các dụng cụ y tế, xử lý khí thải, v.v… và cả trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học

+ Nơtron nhiệt: 0<E n ≤0.1eV

+ Nơtron trung gian: 0.1eV <E n ≤100keV

+ Nơtron nhanh: 100keV <En≤20MeV

a) Đặc điểm của các miền năng lượng

Miền nơtron nhanh: là các nơtron sinh ra do phản ứng phân hạch, có cực đại ở 0,7

MeV và được mô tả bởi phân bố Watt Các nơtron nhanh trong lò phản ứng sau quá trình

làm chậm chuyển về nơtron trên nhiệt và nơtron nhiệt Tuy nhiên, quá trình phân hạch vẫn tiếp diễn nên vẫn tồn tại thành phần nơtron nhanh tuân theo quy luật phân bố Watt:

( ) ( ) ( )0,5

0, 484 * exp *sin 2

φ = − (1.1)

Hình 1.1 Phân bố phổ năng lượng nơtron trong lò phản ứng

Miền nơtron trung gian hay còn gọi là miền năng lượng cộng hưởng và các nơtron trung gian được gọi là nơtron cộng hưởng Phân bố năng lượng nơtron trong miền này có thể được viết:

epi( )

k E E

φ = , (k: là hằng số) (1.2)

Nơtron trung gian sinh ra chủ yếu do sự tán xạ đàn hồi của nơtron nhanh với nguyên tử có số Z nhỏ của chất làm chậm (như hyđro, cacbon…) Nơtron được làm chậm bởi cách này có phổ năng lượng φ(E) tỉ lệ với 1/E trong vùng năng lượng 0.1eV ÷ 100keV

Miền nơtron nhiệt: các nơtron nhiệt chuyển động trong trạng thái cân bằng nhiệt với các phần tử môi trường chất làm chậm, có phân bố phù hợp với phân bố Maxwell đặc trưng bởi nhiệt độ trung bình:

( )

( )2

0 0

Trong đó, E0 =KT là năng lượng tương ứng với vận tốc nơtron là 2200m/s ở nhiệt

độ phòng T = 293K, E0 =0, 0253eV Những nơtron trong vùng này gọi là các nơtron

nhiệt Những nơtron có năng lượng thấp hơn 0.0253eV người ta còn gọi là nơtron lạnh

Nơtron này có tiết diện bắt nơtron, hay chiếm nơtron của hạt nhân rất lớn và tuân theo quy

luật 1/ v , với nơtron loại này xuất hiện rõ rệt tính chất sóng vì chiều dài sóng lớn hơn

nhiều khoảng cách giữa các nguyên tử Do đó, nơtron lạnh là phương tiện để nghiên cứu cấu trúc của các tinh thể chất rắn Tuy nhiên việc sử dụng phương tiện kĩ thuật này cần có chùm nơtron lạnh với cường độ đủ lớn

b) Nguồn nơtron phin lọc từ kênh ngang xuyên tâm (kênh số 4) của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

Sơ đồ mặt cắt của vùng hoạt và vị trí các kênh nơtron của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được đưa ra trong Hình 1.2 Từ hình vẽ này thấy rằng kênh xuyên tâm số 4 được tiếp giáp trực tiếp với vùng hoạt của lò phản ứng Vì vậy thông lượng nơtron trên kênh này sẽ

là lớn nhất và thích hợp nhất để tạo ra các chùm nơtron đơn năng trong dải năng lượng trung gian bằng cách sử dụng kỹ thuật phin lọc nơtron Tại kênh này hai dòng phin lọc

nơtron đơn năng 55keV và 148keV đã được phát triển rất thành công, cho đến hiện nay vẫn

đang phục vụ nhiều nghiên cứu và ứng dụng quan trọng, như đo thực nghiệm số liệu hạt nhân, cấu trúc hạt nhân, phân tích nguyên tố,

Hình 1.2 Sơ đồ mặt cắt ngang của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt[6]

1.2 Các kỹ thuật tạo dòng nơtron đơn năng

1.2.1 Phương pháp thời gian bay

Có thể thu được nhiều nhóm nơtron đơn năng trong vùng năng lượng rộng (đến 20

MeV hoặc hơn) bằng máy gia tốc Van - de - Graph khi sử dụng các phản ứng (p, n) hoặc (d, n) Ngưỡng dưới của dải năng lượng vào khoảng 120 keV nếu không tính đến các

nơtron bay về phía trước trong phản ứng 7 Li (p,n) 7 Be và cả phản ứng (p, n) trên các bia

vanadium hoặc scandium do độ ra của những nơtron này nhỏ Tuy nhiên có thể tách các

nơtron thu được có phân bố năng lượng liên tục từ 0,01 đến 120 keV khi sử dụng máy gia

tốc thành các nhóm bằng phương pháp thời gian bay

Hình 1.3 Độ ra nơtron từ bia Uranium dày khi chiếu electron

Chúng ta giả thiết rằng nguồn phát ra xung nơtron có phổ năng lượng rộng,

detector ghi nhận nơtron nằm cách nguồn một khoảng l Hệ thức mô tả sự liên quan giữa

năng lượng nơtron E và thời gian bay từ nguồn tới detector như sau:

t = l = l

v 2E/m (1.4)

Suy ra rằng giữa hai đại lượng này có một quan hệ đơn trị khi độ dài xung nơtron nhỏ so với thời gian bay Như vậy có thể đo năng lượng nơtron bay ra từ nguồn nơtron liên tục Phương pháp này cho phép nghiên cứu các phản ứng hạt nhân khá chính xác trong vùng năng lượng thấp Trên thực tế detector thường được kết nối với máy phân tích biên

độ nhiều kênh là thiết bị có thể ghi nhận một cách riêng biệt số sự kiện Z i xảy ra trong

khoảng thời gian (t i+1 , ti) Bằng cách như vậy có thể thu được phổ năng lượng nơtron trong một lần đo Nếu thời gian bay đo được tính bằng micro giây, độ dài khoảng bay tính bằng

mét, năng lượng nơtron tính bằng eV thì ta có hệ thức quan trọng sau:

1.2.2 Kỹ thuật phin lọc nơtron

Bằng kỹ thuật phin lọc nơtron, dòng nơtron đơn năng có thể được tạo ra tại nhiều

điểm năng lượng khác nhau trong vùng năng lượng từ vài keV đến vài MeV, kỹ thuật này

được giới thiệu lần đầu tiên bởi Simpson và Muller [16]

Ý tưởng chính của sự phát triển các phin lọc nơtron là sử dụng một mật độ đủ lớn các chất làm phin lọc mà các hạt nhân của nó có cùng một năng lượng tại cực tiểu giao thoa trong tiết diện nơtron toàn phần của chúng Bằng phương pháp này chúng ta có thể thu được chùm nơtron phin lọc đơn năng cao tương ứng với năng lượng tại vị trí cực tiểu của tiết diện nơtron toàn phần[8]

Kỹ thuật này đã được áp dụng khá phổ biến ở một số nước trên thế giới như: Mỹ,

Nhật, Nga,… Sử dụng các loại phin lọc khác nhau như: Al, Si, S, Ti, 54 Fe, 56 Fe, 58 Ni,

50 đến 120cm Ưu điểm này cùng với thông lượng dòng nơtron sau phin lọc cao (cỡ

10 ÷10 n cm/ /s) cho phép sử dụng các dòng nơtron phin lọc vào nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng khác nhau

Phân bố phổ năng lượng nơtron tạo thành sau phin lọc được xác định theo biểu thức sau:

( ) 0( ) ( )

k k tk k

d E

ρ σ

φ = φ −∑ (1.8) Thông lượng toàn phần của nơtron sau phin lọc là :

( )

5 20

10

MeV

i eV

e V E i E

I

φφ

−

= ∫

∫

(1.10)

Trong đó, φi( )E : phổ năng lượng nơtron tạo thành sau phin lọc,

φ0( )E : phổ năng lượng nơtron từ lò phản ứng tại vị trí trước phin lọc,

ρk : mật độ hạt nhân của thành phần phin lọc thứ k [số hạt nhân/cm3],

d : chiều dài của thành thần phin lọc thứ k [cm], k

σtk( )E : tiết diện nơtron toàn phần của vật liệu thứ k [cm2],

E : năng lượng nơtron [eV],

I : cường độ tương đối (độ sạch) của đỉnh phổ đơn năng,

E l và E h : cận dưới và cận trên của đỉnh phổ năng lượng chính

Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật phin lọc nơtron là dựa trên sự truyền của chùm nơtron qua một bề dày đủ lớn các vật liệu làm phin lọc, trong đó tiết diện nơtron toàn phần của các đồng vị cấu thành phin lọc có cùng một cực tiểu giao thoa như là cửa sổ năng lượng Cực tiểu tiết diện nơtron toàn phần này 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 tổ hợp vật liệu này với

độ dày thích hợp sẽ nhận được dòng nơtron đơn năng với các giá trị năng lượng tương ứng với các cực tiểu tiết diện nơtron toàn phần nêu trên

Tuy nhiên, trong thực tế, các vật liệu thường có nhiều hơn một điểm cực tiểu tiết nơtron toàn phần nên chúng ta cần thiết phải chọn lựa một cách tối ưu tổ hợp các vật liệu

khác nhau để chế tạo phin lọc Ví dụ, nếu chúng ta sử dụng vật liệu làm phin lọc là

scandium với bề dày khoảng cỡ 170mg/cm 2, chúng ta thu được chùm nơtron đơn năng

2keV tương ứng với giao thoa cực tiểu nhỏ nhất trong tiết diện nơtron toàn phần của nó

như Hình 1.4 Với phin lọc này thì tỉ số giữa thông lượng nơtron trên toàn dải với thông lượng nơtron của đỉnh đơn năng (tỉ số này được gọi là độ sạch của phin lọc) sẽ gần đúng bằng 75% Để có được độ sạch là 95% với phin lọc này thì cần lấy scandium nhiều gấp 5

lần, nhưng như thế thì cường độ của đường 2keV sẽ bị giảm bớt đi với hệ số là 16 lần Nếu

chúng ta sử dụng kết hợp thêm các vật chất khác, nghĩa là để có được độ sạch 95% của

phin lọc cho chùm nơtron đơn năng 2keV, chúng ta phải sử dụng thêm các vật liệu như:

Co, Ti và 10B, cường độ chỉ bị giảm với hệ số là 2 lần Do đó, việc tính toán lựa chọn tối

ưu tổ hợp các vật liệu và bề dày thích hợp của các vật liệu làm phin lọc là rất cần thiết[10]

Hình 1.4 Tiết diện nơtron toàn phần của 45Sc[15]

1.3 Các phản ứng khi nơtron đi qua môi trường vật liệu làm phin lọc

Trong va chạm với hạt nhân nguyên tử của môi trường vật liệu phin lọc, tuỳ theo năng lượng của mình mà nơtron tham gia chủ yếu vào các phản ứng khác nhau

1.3.1 Tiết diện, quãng chạy tự do trung bình

Chúng ta giả thiết rằng dòng nơtron chuẩn trực J (J - số nơtron trong 1 giây cắt 1cm2 vuông góc với chùm) đi vào môi trường vật chất chứa N hạt nhân nguyên tử trong 1cm3 Số sự kiện tán xạ hoặc hấp thụ xảy ra trong 1 giây trong 1cm3 bằng:

Chúng ta giả thiết rằng dòng hạt đi qua môi trường vật chất không suy yếu Hệ số

tỷ lệ σ được gọi là tiết diện tương tác Tiết diện tán xạ và hấp thụ (σs và σa) thường khác nhau, mỗi một loại lại bao gồm nhiều tiết diện riêng phần ví dụ như: tán xạ đàn hồi, không đàn hồi, bắt bức xạ, phân chia Tổng tất cả các tiết diện riêng phần được gọi là tiết diện toàn phần, do vậy:

σt = σs + σa (1.12)

và gọi là tiết diện vĩ mô Có thể xem xét tiết diện vĩ mô như xác suất để nơtron chịu tán xạ

hay hấp thụ trên một đoạn đường 1cm

Xác suất xảy ra va chạm với hạt nhân nguyên tử của môi trường vật chất tỷ lệ với quãng đường ∆x trong môi trường vật liệu phin lọc và bằng ∑ ∆x Xác suất để nơtron

không va chạm trên quãng đường ∆x là 1 - ∑ ∆x Xác suất đi hết đoạn đường dài n∆x = x

mà không bị va chạm là:

(1 - ∑ ∆x) n = (1 - ∑ ∆x) x/∆x

= (1 - ∑ ∆x) ∑x/∑∆x

(1.14) Khi ∆x → 0 mà x là hằng số (tức là n → ∞), xác suất sẽ bằng:

x

- x x

x 0

Σ

Σ Σ∆

∞

Tuy nhiên chúng ta cần quan tâm đến quãng đường trung bình mà nơtron không bị

va chạm Sử dụng phương pháp tính thông thường đối với giá trị trung bình, ta thu được biểu thức đối với quãng chạy tự do trung bình:

0

0 0

1

x

x x

và quãng chạy tự do trung bình trước khi bị tán xạ là:

va chạm sẽ là:

Số va chạm trong 1 giây bằng: 1τ = λv = v∑ (1.23a)

Nếu mật độ nơtron có vận tốc v bằng n thì số sự kiện ψ trong 1cm3 trong 1 giây được xác định bằng hệ thức:

trong hệ khối tâm và năng lượng liên kết của nơtron bị hấp thụ (7 ÷ 10MeV đối với hạt

nhân trung bình và 6 ÷ 7MeV đối với hạt nhân nặng) Phân rã của hạt nhân hợp phần có thể

xảy ra theo các cách khác nhau, có thể phát nơtron với năng lượng giống như năng lượng nơtron tới Quá trình này được gọi là tán xạ đàn hồi thông qua giai đoạn hạt nhân hợp phần hay đôi khi còn được gọi là tán xạ cộng hưởng Thuật ngữ tán xạ cộng hưởng được sử dụng ở vùng năng lượng mà tiết diện có đặc trưng cộng hưởng Trong hệ khối tâm nơtron - hạt nhân bia, năng lượng nơtron không thay đổi và quá trình như vậy được gọi là va chạm đàn hồi

Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần có thể chuyển thành dạng khác bằng cách phát ra một hoặc nhiều lượng tử gamma Hiện tượng như vậy được gọi là hiện tượng

bắt phóng xạ hoặc là phản ứng (n, γ) Hạt nhân con thường không bền và phân rã β

Khi năng lượng kích thích đủ lớn, hạt nhân hợp phần có thể phát ra các hạt tích

α

phát ra nơtron có động năng nhỏ hơn năng lượng tới của nơtron Trong trường hợp này hạt nhân con sẽ ở trạng thái kích thích và phát ra bức xạ gamma (tán xạ không đàn hồi) Cuối cùng là có thể xảy ra phản ứng phân hạch đối với các hạt nhân rất nặng

Sự đồng nhất nói trên không hoàn toàn chính xác nếu nơtron tới bị hấp thụ tạo nên trạng thái liên kết Quá trình hấp thụ như vậy có thể được giải thích bằng phần ảo của tr-ường thế Do vậy, trường thế hạt nhân là phức; tán xạ đàn hồi trực tiếp cần được khảo sát như tán xạ thế bởi thế phức chứ không chỉ là phần thực của nó

Trong khi tán xạ đàn hồi luôn xảy ra thì quá trình tạo hạt nhân hợp phần lại là phản ứng cộng hưởng tức là hạt nhân hợp phần có thể được tạo thành nếu tổng năng lượng liên kết với động năng nơtron tới trùng với một mức kích thích nào đó của hạt nhân hợp phần

Do vậy, tiết diện tương tác của nơtron với hạt nhân nguyên tử sẽ bao gồm hai thành phần: phần biến đổi chậm liên quan tới tán xạ đàn hồi và phần cộng hưởng với các đỉnh nhọn được xác định bởi các mức của hạt nhân hợp phần Nếu các cộng hưởng nằm gần nhau thì tiết diện tạo hạt nhân hợp phần sẽ trở thành phụ thuộc một cách liên tục vào năng lượng (không có dạng cộng hưởng)

1.3.3 Tiết diện trong vùng liên tục

Ở năng lượng cao, đối với hạt nhân trung bình và thậm chí năng lượng trung bình đối với hạt nhân nặng, dạng biểu diễn tiết diện có các đỉnh cộng hưởng riêng biệt chuyển thành đường cong đơn điệu Trong nhiều trường hợp, điều này được giải thích là do hiệu ứng khi ở năng lượng cao, khả năng phân giải của các phổ kế nơtron được sử dụng để đo tiết diện không đủ để tách các đỉnh riêng biệt

Trên Hình 1.5 là giá trị tiết diện trung bình phụ thuộc năng lượng nơtron và số khối hạt nhân đối với một số hạt nhân trung bình và nặng Trên đồ thị thấy rõ là tiết diện giảm khi năng lượng tăng và tiết diện tăng khi số khối tăng (trên hình vẽ biểu diễn σt /πR 2, ở đây

R được xác định từ hệ thức (1.25)) Tiếp theo nữa là dạng đường cong biểu diễn tiết diện

có dạng cộng hưởng khổng lồ, chính xác hơn là dạng cộng hưởng của các cực đại của tiết

diện (phụ thuộc vào E khi cố định A hoặc phụ thuộc vào A khi cố định E)

Hình 1.5 Tiết diện toàn phần của các nguyên tố thay đổi theo số khối và

năng lượng nơtron[7]

Khi năng lượng rất cao, tiết diện toàn phần tiến tới bằng hai lần tiết diện hình học Trong trường hợp đó:

D ) 2 có nghĩa là hạt nhân là rất “đen” đối với nơtron nhanh - hay nói cách khác là hạt nhân hấp thụ hết những nơtron rơi vào nó Tiết diên tán xạ σs = π(R + D ) 2 mô tả sự tán xạ bất đẳng hướng và ưu tiên về phía trước

Hình 1.6 Hệ thống các phản ứng với năng lượng nơtron[7]

1.4 Mô tả số liệu tiết diện nơtron toàn phần

Tiết diện nơtron toàn phần có thể mô tả bằng hình thức luận nhiều mức Eisenbad hoặc R-matrix, hoặc hình thức luận nhiều mức Breit- Wigner Tiết diện nơtron toàn phần được cho bởi công thức sau:

Trong đó, J : môment góc tổng cộng của cộng hưởng,

I : spin của hạt nhân bia

Trong công thức (1.26) thì số hạng thứ nhất mô tả tiết diện tạo ra hạt nhân toàn phần, số hạng thứ ba mô tả tiết diện tán xạ thế, còn số hạng thứ hai mô tả sự giao thoa giữa tán xạ thế và tán xạ cộng hưởng

Ở năng lượng thấp dưới 0,5MeV thì góc của pha tán xạ thế R’/λ là nhỏ, cho nên số hạng giao thoa là nhỏ ở dưới năng lượng cộng hưởng E0 và phần đóng góp nhỏ này sẽ đưa đến các cực tiểu trong tiết diện nơtron toàn phần Ở năng lượng cao hơn, khi các dịch

chuyển pha của tán xạ thế R’/λ = 90o thì tiết diện có thể trở nên cực tiểu sâu nhất ở năng

lượng cộng hưởng E 0 Để có được cực tiểu giao thoa sâu trong tiết diện nơtron toàn phần, cộng hưởng cần phải có độ rộng nơtron tương đối lớn sao cho ưu thế là cộng hưởng tán xạ Tiết diện nơtron toàn phần có cực tiểu thấp nhất quan sát được ở hạt nhân có spin bằng 0

và độ rộng nơtron bằng với độ rộng toàn phần của cộng hưởng sóng s[1]

Ví dụ, 56 Fe (I = 0) có cực tiểu giao thoa sâu nhất trong tiết diện nơtron toàn phần tại 24keV là σt,min =14.2±4.3mb , ngoài cực tiểu giao thoa sâu nhất tại 24keV còn có các

cực tiểu giao thoa khác ở vùng năng lượng từ 70 250keV÷ (Hình 1.7), chúng sẽ tạo ra

phông nơtron không mong muốn của chùm phin lọc 24keV

Hình 1.7 Đồ thị tiết diện nơtron toàn phần của 56Fe[4].Đối với các hạt nhân có spin khác 0 thì điều quan trọng là các cực tiểu giao thoa của các cộng hưởng của cả hai trạng thái spin ( I + 1/ 2 ) và (I −1/ 2) phải trùng nhau và tạo ra được cực tiểu giao thoa sâu trong tiết diện nơtron toàn phần

CHƯƠNG II

MÔ PHỎNG CÁC DÒNG NƠTRON PHIN LỌC

Để tạo ra dòng nơtron đơn năng bằng kỹ thuật phin lọc có độ sạch (> 85%) và

thông lượng (>10 5 n/cm 2 /s) đáp ứng được yêu cầu cho các ứng dụng liên quan thì việc lựa

chọn tối ưu kích thước, thành phần vật liệu là rất quan trọng và cần thiết Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, sử dụng chương trình mô phỏng Monte Carlo MCNP5 [3] nhằm tính toán phân bố phổ năng lượng của dòng nơtron sau phin lọc bao gồm việc tính toán chọn lựa tối

ưu về vật liệu chế tạo phin lọc, độ sạch, kích thước phin lọc và đánh giá các đặc trưng phổ năng lượng của dòng nơtron thu được sau các loại phin lọc khác nhau

2.1 Lựa chọn thành phần, kích thước của tổ hợp vật liệu làm phin lọc

Để ra được dòng nơtron đơn năng có chất lượng tốt, cần thiết phải dùng phin lọc phức hợp gồm hai hay nhiều loại vật liệu có cùng năng lượng cực tiểu giao thoa tại năng lượng quan tâm và có tiết diện lớn tại các cực tiểu giao thoa khác trong vùng năng lượng cộng hưởng của tiết diện nơtron toàn phần của thành phần vật liệu khác

Trên cơ sở đó, yêu cầu đối với hạt nhân được chọn làm phin lọc là có tiết diện cực tiểu giao thoa chính bằng 1/5 lần tiết diện trung bình ở các năng lượng khác, độ dày và mật

độ của phin lọc được chọn sao cho hệ số truyền qua sẽ là 0,1 đối với các nơtron có năng lượng tương ứng với cực tiểu giao thoa chính, khi đó đối với các nơtron khác thì tỉ số truyền qua sẽ là 10-5 Tuy nhiên các nơtron năng lượng khác tạo thành phần rộng hơn nhiều so với các nơtron có năng lượng tương ứng với cực tiểu giao thoa chính của tiết diện nơtron toàn phần Thông thường dải năng lượng của cực tiểu giao thoa chính chỉ chiếm khoảng 1/200 so với độ rộng phổ nơtron tổng cộng Vì vậy nếu tỉ số tiết diện là 1/5 thì độ sạch của dòng sẽ là 98%[6]

Để các nhiễu bậc cao (ở năng lượng cao) có thể giảm xuống nhỏ hơn 1% so với cường độ của dòng phin lọc thì phải sử dụng thêm một số loại vật liệu thứ cấp có tính tán

xạ cộng hưởng đặt bên trong kênh Người ta thường dùng Mn tán xạ kết hợp với Sc + Ti cho độ sạch vào khoảng 97% sẽ tạo ra dòng 2keV, S dùng với Al + Fe cho dòng 24keV,…

Nói chung, các vật liệu này phải bền đồng thời không bị phá hủy trong trường nơtron và gamma Ngoài ra, phần lớn hoạt độ phóng xạ của vật liệu làm phin lọc gây nên bởi nơtron nhiệt, để giảm thiểu sự ảnh hưởng của thành phần nơtron nhiệt làm kích hoạt vật liệu thì

người ta thường dùng Li, B hay Cd để che chắn toàn bộ vật liệu làm phin lọc

Bên cạnh việc giảm phông nơtron không mong muốn, để giảm phông gamma có

trong dòng từ lò phản ứng có thể đưa vào nguyên tố nặng như Bi

Dựa vào cơ sở lý thuyết đã trình bày ở trên tiến hành lựa chọn thành phần vật liệu phù hợp để tính toán tạo ra các dòng nơtron phin lọc: 24keV, 54keV, 59keV, 133keV và 148keV trên kênh ngang số 4 lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

2.2 Tạo file số liệu đầu vào (Input)

File số liệu đầu vào bao gồm: (i) File số liệu ban đầu về phổ năng lượng nơtron từ

lò phản ứng (white neutron spectrum) gồm có 3 phần: Maxwell, theo qui luật 1/E và phân

hạch tại vị trí trước phin lọc của kênh số 4, lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (ii) Số liệu về tiết diện nơtron toàn phần của các vật liệu làm phin lọc (iii) Các thông số đầu vào: lựa chọn thành phần vật liệu làm phin lọc, kích thước

2.2.1 Số liệu về phổ năng lượng nơtron trước phin lọc

Số liệu thực nghiệm về phân bố mật độ thông lượng nơtron vi phân theo năng

lượng từ nhiệt đến 8MeV đã được xác định thực nghiệm tại vị trí trước phin lọc của kênh

số 4, lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Phân bố thông lượng nơtron vùng nhiệt và trên nhiệt được xác định thực nghiệm bằng phương pháp Wescott, trong đó độ lệch (1 )

E− +α của phân

bố thông lượng nơtron trên nhiệt từ qui luật 1/E được xác định bằng kỹ thuật nhiều lá dò

Trong vùng năng lượng nơtron nhanh được xác định thực nghiệm bằng phương pháp đo các phản ứng ngưỡng

Hình 2.2 Phổ năng lượng nơtron vi phân được xác định bằng thực nghiệm tại vị trí trước

phin lọc của kênh số 4, lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt[2]