nghiên cứu phản ứng hạt nhân (p, n) trên bia nặng phục vụ cho thiết kế bia trong lò phản ứng điều khiển bằng máy gia tốc

Vùng năng lượng được chọn từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV là vì các nghiêncứu trước đây cho biết số neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân p, n trong vùngnăng lượng này là nhiều nhất.. Đối tượng và

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ ÁI THU

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN (p, n)

TRÊN BIA NẶNG PHỤC VỤ CHO THIẾT KẾ BIA TRONG

LÒ PHẢN ỨNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY GIA TỐC

Chuyên ngành: Vật Lý Nguyên tử và Hạt nhân

Mã số chuyên ngành: 62 44 05 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

TP Hồ Chí Minh-2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Công trình được hoàn thành tại:

Viện Vật Lý Tp Hồ Chí Minh và Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên,Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS NGUYỄN MỘNG GIAO

PGS.TS CHÂU VĂN TẠO

Phản biện 1; GS TSKH Nguyễn Xuân Hãn

Phản biện 2: TS Nguyễn Đức Thành

Phản biện 3: TS Trương Thị Hồng Loan

Phản biện độc lập 1; PGS.TS Ngô Quang Huy

Phản biện độc lập 2: TS Nguyễn Văn Hùng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Cơ Sở Đào Tạohọp tại Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

vào hồi ….giờ….ngày… tháng….năm 2011

Có thể tìm đọc luận án tại thư viện:

- Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM

- Thư viện Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên

MỞ ĐẦU

1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý tưởng về một hệ thống lò phản ứng hạt nhân được điều khiển bằng máygia tốc (Accelerator Driven System – ADS) do Carlo Rubbia – (nhà vật lýngười Ý được giải Nobel vào năm 1984) đề xuất để khắc phục một số nhượcđiểm của lò phản ứng hạt nhân truyền thống là một trong những vấn đề thời sựtrong công nghệ hạt nhân

ADS là lò phản ứng hạt nhân trong đó khối lượng nhiên liệu dùng trong

lò nhỏ hơn khối lượng tới hạn, vì thế bình thường không có phản ứng phân hạchdây chuyền xảy ra Muốn lò hoạt động, phải có thêm một số neutron “bù”, sốneutron này có được nhờ phản ứng hạt nhân (p, n)

Như vậy là lò được điều khiển và kích hoạt bằng neutron sinh ra do tươngtác của chùm proton từ máy gia tốc với bia Neutron sinh ra trên các bia dophản ứng (p, n) kể trên chính là số neutron “bù” làm cho hệ dưới tới hạn trởthành trên tới hạn Công suất lò được điều khiển bằng máy gia tốc Để điềukhiển hoạt động lò cần thiết phải xác định được số lượng, tính chất, vị trí khônggian của “neutron bù” sinh ra trong phản ứng hạt nhân (p, n)

Vấn đề phức tạp nhất trong công nghệ chế tạo ADS là tạo ra một hệ điềukhiển nhạy và hữu hiệu, trong đó vấn đề quan trọng nhất là tính toán và thiết kếbia để tạo ra neutron khi bia được bắn phá bởi chùm proton từ máy gia tốc

Vì các lý do trên, nghiên cứu phản ứng hạt nhân (p, n) trên các bia khácnhau ở vùng năng lượng bắn phá khác nhau là bài toán quan trọng và cần thiếtcho việc xây dựng và phát triển ADS Hơn nữa việc tìm hiểu tính chất củaneutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n) trên các bia nặng cũng cho thêmnhiều thông tin mới về mặt cơ chế của phản ứng hạt nhân (p, n) trong vùngnăng lượng xưa nay ít được quan tâm (0,5 ÷ 1,5 GeV)

Mục tiêu của luận án là góp phần vào việc giải quyết các vấn đề vừa nêu.Luận án là một nghiên cứu có hệ thống về phản ứng hạt nhân (p, n) trêncác bia nặng như: 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 180W, 182W, 184W, 186W, 235U, 238U,

197Au trong vùng năng lượng bắn phá của proton là 0,5 đến 1,5 GeV với bướcnhảy năng lượng (energy step) là 0,1 GeV

Vùng năng lượng được chọn từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV là vì các nghiêncứu trước đây cho biết số neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n) trong vùngnăng lượng này là nhiều nhất Hơn nữa với công nghệ hiện nay việc chế tạomáy gia tốc trong vùng năng lượng kể trên có nhiều thuận lợi cả về kỹ thuậtcũng như về kinh tế

Luận án đã đề xuất một mô hình tính toán – mô hình màn chắn trên bia

Mô hình này đã góp phần cải thiện độ chính xác khi tính toán Những kết quảthu được có thể được dùng trong nghiên cứu thiết kế các hệ ADS

2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là nghiên cứu phản ứng hạt nhân (p, n)trên các bia khác nhau: 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 180W, 182W, 184W, 186W, 235U,

Phương pháp nghiên cứu của luận án là xây dựng mô hình tính toán khácnhau, đề xuất các mô hình tính toán để cải thiện độ chính xác của các kết quả.Trong luận án, mô hình màn chắn trên bia (screening effect model) đã được đềxuất Dựa trên các dữ liệu hạt nhân của thư viện hạt nhân năng lượng caoJENDL và các mô hình tính toán đã thu được một bộ số liệu về số lượngneutron sinh ra, phân bố góc, phân bố năng lượng từ phản ứng hạt nhân (p, n)trên các bia nặng như 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 180W, 182W, 184W, 186W, 235U,

235U,197Au có thể được dùng trong việc thiết kế bia cho ADS

3 Bố cục của luận án

Luận án được bao gồm ba chương và phần mở đầu trình bày trong

74 trang (không kể phần tài liệu tham khảo và phụ lục)

Chương 1 là phần tổng quan, trình bày một số nét về tình hình nghiên cứuphản ứng hạt nhân (p, n) trên thế giới và giới thiệu thư viện dữ liệu hạt nhânJENDL của Nhật Bản

Chương 2 xây dựng mô hình bia đồng nhất, xác định số neutron sinh ra,phân bố năng lượng, phân bố góc từ phản ứng hạt nhân (p, n) trên các bia 238U,

206Pb,186W,197Au với dữ liệu đầu vào lấy từ thư viện năng lượng cao JENDL

Chương 3 xây dựng mô hình màn chắn trên bia, tính số neutron sinh ratrên từng lớp bia với mục đích cải thiện độ chính xác khi tính toán

Phần kết luận là tóm lược các kết quả chính thu được của luận án

Kết quả nghiên cứu được trình bày qua 13 bảng và 44 hình, cùng vớinhững nhận xét và kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo, danh mục các côngtrình của tác giả

4 Đóng góp mới của luận án

Về mặt phương pháp luận, luận án đã đề ra một mô hình để tính toán phảnứng hạt nhân (p, n) trên các bia Mô hình này được gọi là mô hình màn chắntrên bia Mô hình màn chắn trên bia đã góp phần cải thiện sự sai khác giữanhững tính toán lý thuyết trước đây với thực nghiệm

Về mặt tính toán, luận án đã thu được một bộ số liệu về số neutron sinh ra,phân bố năng lượng, phân bố góc của neutron trong các phản ứng (p, n) trên cácbia nặng như: 238U, 235U, 208Pb, 207Pb, 208Pb, 204Pb, 186W, 184W, 182W, 180W, 197Auđối với năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV

Từ các tính toán, luận án cũng đưa ra nhiều nhận xét về tính chất của phảnứng hạt nhân (p, n) trên các bia khác nhau làm cơ sở cho việc lựa chọn bia cũngnhư năng lượng cần phải gia tốc của chùm proton

Từ phân bố góc của neutron sinh ra trong các phản ứng hạt nhân trên cácbia khác nhau ở vùng năng lượng bắn phá khác nhau của proton, luận án cũng

đề xuất các giải pháp bố trí thành phản xạ trong lò phản ứng Giải pháp này cóthể giúp tăng cường hiệu suất của toàn bộ hệ thống lò.

Chương 1 TỔNG QUAN

Những nghiên cứu trên thế giới :

Tháng 11 năm 1958, phản ứng hạt nhân (p, n) được nghiên cứu bởi cáctác giả G F Bogdanov, N.A Vlasov, S.P Kalinin, B.V Rybakov và V.A.Sidorov với phương pháp tính thời gian bay của neutron Mục tiêu của nghiêncứu này là tìm tiết diện neutron của phản ứng 6Li + p và 7Li + p với nănglượng bắn phá của proton là 9 MeV

Năm 1995, M.A Lone và P.Y Wong đã công bố việc tính hiệu suất sinhneutron của phản ứng proton với bia chì gây ra ở vùng năng lượng từ 0,4 đến

2 GeV Kết quả tính toán này lệch 20% so với thực nghiệm

Năm 2001, nhóm Kumagai K., Oribara H., Kikuchi Y đã công bố công

trình “Phản ứng 6 Li (p, n) 6 Be tại Ep = 70 MeV” Công trình này nhằm vào

việc xác định tính chất của hạt nhân beryllium thông qua việc tính phân bố góc Những năm gần đây, có nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu đến phản ứng(p, n) phục vụ ADS hơn, nhưng các tính toán này chỉ thực hiện trên một số ítbia và ở một vài mức năng lượng Hầu hết các nghiên cứu còn mang tính rờirạc, đơn lẻ, nhiều tính toán chưa phù hợp, khoảng sai khác giữa kết quả tínhtoán và thực nghiệm còn lớn

Khác với tất cả các công trình đã công bố, luận án tính toán một cách có

hệ thống phản ứng hạt nhân (p, n) cho hầu hết các nguyên tố nặng trong vùngnăng lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV với bước nhảy nănglượng (energy step) được tính là 0,1 GeV Kết quả thu được là một bộ số liệu vềphân bố năng lượng, phân bố góc, số lượng neutron sinh ra từ phản ứng hạtnhân (p, n) trên nhiều bia nặng: 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 180W, 182W, 184W,

186W,235U, 238U, 197Au, 237Np, 241Am trong vùng năng lượng từ 0,5 đến 1,5 GeV

Dữ liệu hạt nhân từ thư viện hạt nhân năng lượng cao JENDL đã được sử dụngtrong tính toán

Mới đây trên thế giới đã có một số công trình nghiên cứu phản ứng hạtnhân (p, n) theo hướng thiết kế bia cho ADS như được kể dưới đây:

Công trình của nhóm Kairat Ismailov, Masaki Saito, Hiroshi Sagara,Kenji Nishihara được xuất bản vào tháng 5 năm 2011 nghiên cứu về bia urani

tự nhiên trong hệ thống ADS Kết quả nghiên cứu so sánh việc sản xuất neutron

từ phản ứng (p, n) trên bia urani và bia chì – bismuth cho thấy bia urani sảnxuất neutron tốt hơn Nghiên cứu còn cho rằng đối với bia urani có sự hấp thụneutron cao, khoảng 23% neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) có thể có tương tácvới bia urani, hay nói cách khác ước tính của nghiên cứu này là chỉ khoảng 77%neutron thoát ra khỏi bia 238U Tuy nhiên chính trong công trình này số lượngneutron thứ cấp sinh ra cũng không được xác định Trong nghiên cứu, tính toánđược thực hiện với năng lượng proton là 1,5 GeV, bán kính chùm tia là 1 cm,

bia urani và bia chì – bismuth có bán kính là 15 cm, bề dày bia 50 cm với biaurani và 80 cm đối với bia chì – bismuth.

Công trình của nhóm B Sarer, M.E Korkmaz, M.Gunay, A.Aydin nghiêncứu nguồn neutron được tạo ra từ phản ứng (p, n) của hệ thống ADS Hệ thốngđược điều khiển bởi chùm proton năng lượng 1,0 GeV, cường độ dòng 10 mA

va chạm vào bia hình trụ bằng chì tự nhiên có đường kính 20 cm, bề dày 70 cm.Proton được phân bố một cách đồng đều qua chùm tia có đường kính 2 cm.Tính toán được thực hiện với code MCNPX, kết quả là với năng lượng proton

1 GeV thu được hiệu suất là 27,4 n/p còn hiệu suất các hạt khác như pion vàmuon trên 1 proton tới được bỏ qua vì do thông lượng hạt thấp Thông lượngneutron đạt cực đại tại bán kính bia r = 0 cm và trục z = 195 cm

Khác với các công trình trên, chúng tôi quan niệm rằng chùm proton đivào bia là chùm hạt song song có dạng hình trụ, tương tác chỉ tính trong phạm

vi đường kính chùm proton, chưa tính đến hiệu ứng tán xạ của proton trên biacũng như chưa đề cập đến hiệu ứng hấp thụ neutron của urani nếu dùng uranilàm bia

Hiện tượng proton khi đi qua các lớp bia bị mất năng lượng, bị lệch khỏihướng ban đầu, bị giảm cường độ là hiện tượng ai cũng biết, nhưng các tínhtoán trước đây đều coi cường độ dòng proton và năng lượng của proton làkhông đổi trong suốt quá trình tương tác của proton lên bia Điều này chỉ đúngkhi bia có bề dày nhỏ, với bề dày bia lớn thì phải có thêm nhiều bổ chính

Mô hình màn chắn (screening effect model) của luận án là chia bia ra cáclớp mỏng và tính số neutron sinh ra trên từng lớp, số neutron sinh ra trên cảkhối bia là tổng số neutron sinh ra trên các lớp bia mỏng rõ ràng là phù hợp vớihiện tượng thật của quá trình vật lý Đây là bước đầu xây dựng mô hình sao chophù hợp hơn với hiện tượng vật lý thật

Ngoài ra trong luận án, bề dày bia được chọn bằng quãng chạy tự dotrung bình của proton ứng với từng năng lượng bắn phá của proton trên từngloại bia, bởi vì chúng tôi cho rằng với lựa chọn này thì proton sẽ ít có khả năng

“lưu lại” trên bia và tỏa nhiệt làm giảm tuổi thọ của bia

Kết quả tính toán thu được từ nghiên cứu này là một tập hợp các số liệucủa nhiều bia, trong đó việc lựa chọn bề dày bia tính bằng chiều dài quãng chạy

tự do trung bình của proton trên mỗi loại bia đang xét

Chương 2

MÔ HÌNH BIA ĐỒNG NHẤT 2.1 Công thức tính

Theo dữ liệu ENDF (Evaluated Nuclear Data File), tiết diện vi phân cấp haiđược tính theo công thức:

(2.1))

E , E )f(μf )y(E σ(E dEdΩ

) E , E σ(μ,

d

n p p

p n

p 2



Tiết diện vi phân được tính theo công thức:

(2.2)

Tiết diện vi phân được tính theo công thức:

(2.3)Với :

μ: cosin góc bay của neutron

Ep: Năng lượng của proton tới (eV)

En: Năng lượng của neutron phát ra (eV)

)

σ(Ep : Tiết diện phản ứng (barn)

y(Ep): Hiệu suất phát neutron

)

E

,

E

f(μ( p n : Hàm phân bố đã được chuẩn hóa

: Tiết diện vi phân bậc hai (barn/eV-sr)

: Tiết diện vi phân theo năng lượng (barn/eV)

: Tiết diện vi phân theo góc (barn/sr)

Số neutron sinh ra trong phản ứng (p, n): (2.12)

Với:

dE

dN : cường độ dòng neutron sinh ra (hạt/s/MeV)

Nn: số neutron được sinh ra (hạt/s)

Trong thư viện JENDL, neutron sinh ra được phân bố ở 19 góc và 32 giá trịnăng lượng

2.2 Một số kết quả

2.2.1 Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên các bia nặng

dE dσ

n p i n p 1 i i 1 i p

E , E μ, f E , E μ, f ) μ (μ ) )y(E

σ(E

dE

dσ

dΩ dσ

n p i n p 1 i i 1 i p

E , E μ, f E , E μ, f E E E

j dσ d.

N.N N

d 

p R

p R

d  p

d 

Số neutron sinh ra trong phản ứng (p, n) được tính trong vùng năng lượng

từ 0,5 đến 3,0 GeV với bề dày bia được chọn tùy thuộc quãng chạy tự do trungbình của proton trong từng loại bia: 235U, 238U, 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 197Au ,

180W, 182W, 184W, 186W được biểu diễn trên cùng hình vẽ 2.5 Cũng từ hình vẽ2.5, việc nên chọn loại bia nào tương ứng với năng lượng dòng proton cỡ baonhiêu để thu được số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) là nhiều nhất được viếttrong bảng 2.2 dưới đây:

Bảng 2.2 Loại bia dùng cho ADS và năng lượng dòng proton tương ứng

2.2.2 Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên các bia nặng

a) Khi năng lượng bắn phá của proton là 0,5 và 0,6 GeV

Hình 2.5: Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên bia 204Pb,206Pb,207Pb,

208Pb,180W, 182W,184W,186W,238U,235U,197Au bề dày d=Rp

p R

d 

H 2.6: Số neutron sinh ra theo phân

b) Khi năng lượng bắn phá là 0,7 và 0,8 GeV

H 2.8: Số neutron sinh ra theo phân

bố góc trên bia 204Pb, 238U, 235U,

186W, 197Au bề dày d=Rp, với năng

lượng proton là 0,7 GeV

H 2.9: Số neutron sinh ra theo phân

bố góc trên bia 204Pb, 238U, 235U, 186W,

197Au bề dày d=Rp, với năng lượngproton là 0,8 GeV

p R

d 

p R

d 

p R

c) Khi năng lượng bắn phá là 1,0 và 1,5 GeV

H 2.10: Số neutron sinh ra theo phân

bố góc trên bia 204Pb, 238U, 235U, 186W,

197Au bề dày d=Rp, với năng lượng

proton là 1,0 GeV

H 2.11: Số neutron sinh ra theo

phân bố góc trên bia 204Pb, 238U,

235U, 186W, 197Au bề dày d=Rp , vớinăng lượng proton là 1,5 GeV

d) Khi năng lượng bắn phá là 2,0 và 3,0 GeV

H 2.12: Số neutron sinh ra theo

p R

p R

d 

p R

d 

- Phương án thứ nhất nên bố trí thêm các thanh phản xạ để tận dụng sốneutron mất mát.

- Phương án thứ hai là chọn bia có số neutron sinh ở vùng phía sau bia là

ít nhất

Từ kết quả tính với mô hình bia đồng nhất trong vùng năng lượng từ0,5 đến 2,0 GeV thì bia cho số neutron ít nhất ở góc 1800 (vùng phía sau bia) làbia urani (235U) (Bảng 2.3)

Vì vậy khi năng lượng của proton tới là 0,5 đến 2,0 GeV thì bia 235U cho

số neutron ở góc 1800 là thấp nhất, cho nên nếu dùng máy gia tốc proton nănglượng cỡ từ 0,5 GeV đến 2,0 GeV thì sử dụng bia 235U là tốt cho ADS (Bảng2.2)

Khi năng lượng tới của proton là 3,0 GeV thì nên dùng bia 186W, vì trongvùng năng lượng này có ít số neutron sinh ra ở vùng phía sau bia 186W (Bảng2.2)

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu phản ứng (p, n) trên nhiều bia nặngphục vụ cho việc chọn lựa bia dùng trong ADS Ngoài bài toán quan trọng nhất

là tính số neutron sinh ra trên bia thì bài toán tính tiết diện vi phân của phản ứng(p, n) cũng được đề cập đến như dưới đây Phổ năng lượng neutron với các biakhác nhau thu được từ bài toán tính tiết diện vi phân sẽ giúp giải quyết bài toánchuyển đổi các đồng vị dài ngày thành các đồng vị ngắn ngày phục vụ choADS

2.2.3 Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia nặng

2.2.3.1 Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 206 Pb, 238 U, 235 U, 186 W,

197 Au:

H 2.14: Tiết diện vi phân của phản

ứng (p, n) trên 206Pb, năng lượng

proton 0,5 GeV đến 3,0 GeV

H 2.18: Tiết diện vi phân của phản

ứng (p, n) trên 197Au năng lượngproton 0,5 GeV đến 3,0 GeV

H 2.15: Tiết diện vi phân của phản

ứng (p, n) trên 197Au năng lượng

proton 0,5 GeV đến 3,0 GeV

H 2.17: Tiết diện vi phân của phản

ứng (p, n) trên 197Au năng lượngproton 0,5 GeV đến 3,0 GeV

Nghiên cứu nhiều bia và nhiều đồng vị được trình bày trong phần phụ lục củaluận án

 Khảo sát cho thấy phân bố theo năng lượng của tiết diện phản ứng hạt nhân(p, n) trên các bia nặng đều có dạng tương tự như nhau với năng lượng bắnphá khác nhau của proton, nghĩa là tiết diện lớn ở miền năng lượng nhỏ vàrất nhỏ ở vùng năng lượng lớn (từ hình 2.14 đến 2.18)

 Neutron sinh ra có năng lượng cỡ 2 MeV là nhiều nhất

 Với các bia 206Pb, 197Au, 186W (hình 2.14, 2.18, 2.17) neutron sinh ra cónăng lượng nằm trong khoảng từ 0 đến 15 MeV Với trường neutron thuđược này thì đây là các bia tốt sử dụng cho ADS để chuyển đổi các đồng vịdài ngày thành ngắn ngày

 Ở bia 235U, 238U, neutron sinh ra có năng lượng nằm trong dải từ 0 đến

15 MeV

2.2.3.2 So sánh với công trình khác

Hình 2.19 So sánh tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) giữa tài liệu [10]

(hình b) và kết quả của luận án hình (a)

b)