nghiên cứu cơ bản và ứng dụng bằng chùm notron của máy phát ing-3

- Phân tích bốc-xít - Sử dụng notron nhiệt trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân - Xác định một số thông số của phản ứng hạt nhân sử dụng các code tìnhtoán.. Phản ứng a, n Các nơtron thu đư

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRUỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHIÊN

NGHIÊN c ú u Cơ BẢN VÀ ÚNG DỤNG BẰNG CHÙM NOTRON CỦA MÁY PHÁT ING-3

MÃ SỐ: QGTĐ.06.01

CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI:

PGS.TS NGUYỄN TRUNG TÍNH

HÀ NỘI - 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRUỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHIÊN

NGHIÊN CỨU C ơ BẢN VÀ ÚNG DỤNG BẰNG CHÙM NOTRON CỦA MÁY P H A T ING-3

TS NGUYỄN MẬU CHƯNG

TS PHẠM ĐÌNH KHANG TS.HÀ THUỴ LONG THS NGUYỄN THẾ NGHĨA THS ĐẢNG PHƯƠNG NAM KS.TRẦN THANH TÂN

CN VŨ THANH MAI

CN PHẠM QUỲNH TRANG HVCH DƯƠNG MẠNH DUY HVCH NGUYỄN THỊ THƯỶ

HÀ NỘI - 2008

MỤC LỤC

Trang

Mở đ ầ u 2

Chương 1 Cơ sở lý th u y ế t 4

1.1 Nguồn notron 4

1.1.1 Các nguồn notron từ máy gia t ố c 4

1.1.2 Nguồn notron đồng v ị 5

1.2 Làm chậm n o tro n 7

1.2.1 Cơ chế làm chậm n o tro n 7

1.2.2 Môi trường làm c h ậ m 13

1.3 Phân tích kích hoạt n o tr o n 14

1.3.1 Tiết diện phản ứng hạt n h â n 14

1.3.2 Tốc độ và suất lượng phản ứng hạt n h â n 17

1.3.3 Xác định suất lượng phản ứng hạt nhân theo phương pháp kích h o ạ t 18

1.4 Code Empire trong việc xác định suất lượng phan ứng hạt nhân với notron n h a n h 23

1.4.1 MSD 23

1.4.2 M S C 24

1.4.3 Phát xạ gam m a M S C 25

1.4.4 Hạt nhân hợp p h ầ n 26

Chương 2 Thực n g h iệ m 27

2.1 Xây dựng hệ thiết bị sử dụng notron từ máy phát I N G - 3 27

2.2 Xác định tiết diện của notron nhanh với các nguyên tố nhẹ bằng phương pháp e v alu atio n 34

2.3 Phân tích bốc x í t 38

2.4 Sử dụng notron nhiệt trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân 40

2.4.1 Hệ làm chậm notron có kích thước n h ỏ 40

2.4.2 Phân tích kích hoạt notron n h iệ t 55

2.5 Xác định một số thông số của phản ứng hạt nhân sử dụng các code tính t o á n 56

2.5.1 Kết quả xác định tiết diện phản ứng n + N b 9 3 57

2.5.2 Kết quả xác định tiết diện phản ứng n + C r5 2 59

Kết lu ậ n 60

Tài liệu tham k h ả o 61

M ở đ ầ u

Sử dụng notron trong nghiên cứu cơ bản và ứng dụng là mảng nghiên cứu rất lớn đã và đang được thực hiện trên thế giới Ở Việt Nam việc nghiên cứu này đã được thực hiện từ lâu tại các cơ sở khác nhau và ngày càng nhiều Bởi vì các ứng dụng notron sử dụng phương pháp kích hoạt ngầy càng nhiều Hơn nữa, Việt Nam đang chuẩn bị xây dựng nhà máy điện hạt nhân, do vậy việc nghiên cứu phản ứng hạt nhân với notron còn góp phần vào việc vận hành

và đảm bảo an toàn cho lò phản ứng Bộ môn Vật lý hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã được trang bị một máy phát notron bằng kinh phí world Bank và sẽ đưa vào sử dụng nay mai Do vậy việc nghiên cứu quá trình làm chậm notron, nghiên cứu phản ứng hạt nhân với notron nhanh, phân tích kích hoạt cỏ ý nghĩa trong nghiên cứu cơ bản, triển khai ứng dụng và dào tạo Đe tài Nghiên cứu cơ bàn và ứng dụng bằng chum notron của máy phát ING-3 thực hiện các vấn đề sau:

- Xây dựng hệ thiết bị sử đụng notron từ máy phát ING-3

- Xác định tiết diện của notron nhanh với các nguyên tố nhẹ bằngphương pháp evaluation

- Phân tích bốc-xít

- Sử dụng notron nhiệt trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân

- Xác định một số thông số của phản ứng hạt nhân sử dụng các code tìnhtoán

Đe có thể đưa máy phát notron vào vận hành phục vụ nghiên cứu và đào tạo Chúng tôi đã tiến hành xây dựng hệ thiết bị bao gồm hệ paraphin và paraphin có trộn Bo nhăm làm chậm và che chan sự thoát ra ngoài của notron; đồng thời xây dựng các kênh dẫn để sử dụng notron nhanh và notron nhiệt Do điều kiện chưa xây dựng được tường bao che chắn bức xạ gamma đảm bảo an

toàn khi vận hành, do vậy hiện tại chưa thể đưa máy phát notron vào hoạt động Hiện tại Bộ môn, Khoa và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đang tiến hành xây dựng phòng đặt máy đảm bảo an toàn bức xạ theo tiêu chuẩn Việt Nam Để

có thể tiến hành thực hiện các nội dung còn lại của đề tài Được sự đồng ý của Đại học Quốc gia Hà Nội, chúng tôi đã tiến hành điều chinh một số hạng mục của đề tài, đó là tiến hành các công việc nghiên cứu với notron từ máy gia tốc (máy gia tốc electron 65 MeV và 2,5 GeV), nguồn đồng vị (239Pu-Be, Am-Be)

và các code tính toán Điều này không ảnh hưởng nhiều đến mục đích của đề tài Các kết quả thu được có ý nghĩa khoa học và thực tiễn và là bước chuẩn bị

để đưa máy phát vào hoạt động cũng như tiến hành các nghiên cứu trên hệ thiết

bị này

3

Chương I C ơ SỞ LÝ THUYÉT 1.1 Nguồn notron

1.1.1 Các nguổn nơtron từ máy gia tốc

Sự phát triển của kỹ thuật gia tổc cho phép tạo ra nguồn nơtron với cường độ khá mạnh và tiện lợi trong việc sử dụng Ngoài ra có thể thu nơtron đơn năng với nãng lượng bất kỳ hoặc chùm nơtron xung

Để thu được nơtron người ta cho gia tốc các hạt tích điện như proton, đơteri, triti, berili, liti, nãng lượng liên kết của nơtron trong những đồng vị này tương đối nhỏ, vì vậy không cần phải gia tốc các hạt đến năng lượng rất lớn vẫn đủ để gây phản ứng tạo notron

Nơtron thu được sau phản ứng thường là nơtron đơn năng

Nãng lượng của nơtron được tính bằng biểu thức:

trong đó: Eb là năng lượng của hạt đạn

Eng là năng lượng ngưỡngNăng lượng ngưỡng phụ thuộc vào loại bia hạt bắn vào Với mỗi loại bia nãng lượng ngưỡng là cố định Bằng cách thay đổi năng lượng của hạt đạn ta có thể tạo được chùm nơtron đơn nãng với năng lượng mong muốn

Hiệu suất nơtron thu từ máy gia tốc tương đối cao, đặc biệt khi cho chùm đơtron gia tốc bắn phá bia đơteri và triti, Đó là phản ứng ,D2(d,n) 2He3, ,T3(d,n) 2He4

Phản ứng phổ biến nhất tạo ra nơtron nói trên được sử dụng rộng rãi trong các “máy phát nơtron” mà trong đó đơteri được gia tốc bởi điện thế khoảng từ 100- 300kV Có thể viết chi tiết các phản ứng này như sau:

(Q = 3.62MeV, Tn =3MeV)

(Q = 3MeV, Tn =14MeV)

Các phản ứng (p, n), (d,n) tạo nơtron thực hiên trên máy gia tốc Van de Graff và Xyclotron với bia berili, liti, triti: Be9(d,n), Li7(p,n), H3(p,n) Nơtron cũng

có thể được tạo ra bởi bức xạ hãm từ các máy gia tốc điện tử trên các bia kim loại nặng như w , Th, u,

Ví dụ: máy gia tốc microtron MT-17 với Ee = 15MeV, I = 0.6mA tạo ra 10Mnơtron /s; LINAC vói Ec = 40MeV, I =lm A tạo ra 1014nơtron/s

Có thể thu được nơtron xung với dạng thích hợp trên máy gia tốc, ví dụ trên máy phát nơtron xung của Trường Đại học Khoa Học Tự nhiên sắp được đưa vào hoạt động, suất lượng 3x10'° nơtron/s

Một trong những phương pháp phổ biến tạo nguồn nơtron đơn năng là phuơng pháp thời gian bay

Năng lượng nơtron E , vận tốc V và thời gian bay t liên hệ với nhau như sau:

Phương pháp này cho phép tách các nơtron có năng lượng thấp trong khoảng từO.OlkeV đến khoảng 120keV thành các nhóm năng lượng xác định riêng biệt

1.1.2 Nguồn nơtron đổng vị Phản ứng (a, n)

Các nơtron thu được đầu tiên trong phản ứng liên quan đến tương tác của hạt

a của nguồn Rađi với hạt nhân berili:

l B e ( a , n ) ' l C, Q = 5.5MeV ( 1.6)Thông thường loại nguồn dựa trên phản ứng (a, n) được chế tạo dưới dạng hình trụ, trong chứa hỗn hợp chất phóng xạ anpha và berili Dưới tác dụng của hạt anpha, hạt nhân berili biến thành hạt nhân cacbon và nơtron:

4Be9 + a -> 6C12 + n ( 1.7)Những nguồn đầu tiên thuộc loại nguồn này được chê tạo là các nguồn rađi—berili (Ra—Be), pôlôni—berili (Po— Be) Trong các nguồn này, các chất phóng xạ

a là Ra226 và Po210 được trộn đều với berili

Nguồn (226Ra-Be) có hiệu suất nơtron 1.5 X 107 n/ICi Ra

Nguồn (2l0Po-Be) có hiệu suất nơtron 13 X 106 n/lCi Po

5

Nguồn (239Pu-Be) có hiệu suất nơtron 8.5 X 104 n / l g Pu

Rađi và pôlồni phát ra bức xạ anpha với nãng lượng khoảng 4,5 - 5 MeV Năng lượng này đủ để hạt anpha vượt qua chiều cao khoảng 4 MeV của hàng rào thế nâng ở hạt nhân berili Tuy nhiên, đại đa số các hạt anpha khi tương tác vói electron của nguyên tử đã bị mất năng lượng và chỉ còn dưới 4 MeV Do dó, chỉ có khoảng từ 1 đến 1,5 phần vạn số hạt anpha lọt vào hạt nhân berili Do sự mất mát nãng lượng khác nhau nên nãng lượng của các hạt anpha gây ra phản ứng Be9(ct, n)C12 cũng khác nhau Kết quả là năng lượng nơtron do phản ứng tạo ra trong một dải khá rộng từ vài eV tói 13 MeV Năng lượng trung bình của nơtron tính ra khoảng 44-5 MeV

Đặc trưng chủ yếu của nguồn nơtron là hiệu suất Đại lượng này chỉ rằng có bao nhi ẽu hạt anpha gây ra phản ứng hạt nhân tạo ra nơtron Để tiện lợi hơn, trong nhiều trường hợp, hiệu suất của nguồn thường tính cho hoạt tính 1 Ci của chất phóng xạ anpha

Hiệu suất nơtron của nguồn Ra-Be và Po-Be phụ thuộc vào phương pháp chế tạo hỗn hợp, độ lớn và độ đồng đều của hạt berili trong hỗn hợp Các nguồn Ra-Be được chế tạo tốt nhất, có thể cho hiệu suất khoảng l,5 x l0 7 hạt trong một giây cho lCi rađi ở đây cũng cần phải nói rằng, trong sản phẩm phân rã của rađi có rađon, pôlôni, bitmut, cũng là các chất phóng xạ a Những chất này đã đóng góp tới 6/7 hiệu suất của nguồn

Nguồn Ra-Be có hiệu suất nơtron tương đối cố định vì chu kỳ bán rã của rađi

là 1620 năm Nhược điểm của loại nguồn này là các bức xạ gamma kèm theo tương đối mạnh Bức xạ này gây ra phông khá lớn, đồng thời lại đòi hỏi những bình đặc biệt vừa hấp thụ gamma vừa hấp thụ nơtron để bảo vệ, nên nguồn này rất nặng nề

Hiệu suất của nguồn Po-Be, trong đó pôlôni có hoạt tính như rađi, sẽ nhỏ hơn hiệu suất của nguồn Ra-Be 7 lần vì trong số các sản phẩm phân rã của pôlôni không có chất phóng xạ anpha Tuy nhiên, việc sử dụng nguồn Po-Be lại tiện lợi hơn, vì hầu như nó không có bức xạ gamma Ngoài [■ ệu suất tương đối nhỏ, nguồn

Po-Be còn một nhược điểm nữa là hiệu suất của nó giảm khá nhanh theo thời gian

vì chu kỳ bán rã của pôlôni chỉ có 138,4 ngày

Ngoài các nguồn Ra-Be, Po-Be, ngày nay người ta còn chế tạo ra nhiều loại nguồn khác như Pu-Be, Am-Be Trong đó đậc biệt nguồn Pu-Be được dùng khá phổ biến Nguổn này có chu kỳ bán rã lớn (24.000 năm) và phông gamma rất nhỏ

Nhìn chung đối với loại nguồn (a,n) nơtron có phổ năng lượng rộng

Bàng I Các đặc ứung chính của loại nguồn nơtron dim trên phản ứng (a ji)

Các phản ứng (a,n) khác

trên hạt nhân nhẹ Bia

Q, MeV Hiệu suất nơtron trên 106

1.2.1 Cơ chế làm châm nơtron

Khi tán xạ đàn hổi lên các hạt nhân chất làm chậm, nơtrôn truyền một phần nãng lượng của mình cho các hạt nhân và mất dần vận tốc, nghĩa là được làm chậm Quá trình làm chậm nơtrôn đóng vai trò quan trọng đối với việc điều khiển phản ứng dây chuyền phân hạch hạt nhân trong các lò phản ứng hạt nhân

7

Xét quá trình tán xạ đàn hồi của hạt nơtrôn có khối lượng 1, vận tốc V lên hạt nhân có khối lượng A Sau va chạm nơtrôn có vận tốc v ’ và hạt nhân có vân tốc V ’ Trong hệ tâm quán tính (hình l.b), ncrtrôn và hạt nhân có vận tốc trước va chạm là

Ta biết rằng tổng động lượng trong hệ tâm quán tính bằng không nên ta có

Bằng những biến đổi toán học có thể suy ra biểu thức sau :

Khi ớ] = O,cosớ, =1 thì — = 1, tức là nơtron không thay đổi nãng lượng

E

khi va chạm Trong trường hợp này độ mất nãng lượng nơtron bằng 0

Khi = ;r, COS 9X = - 1 , tức là nơtron thay đổi năng lượng khi va chạm từ E sang E'= s E Độ mất năng lượng nơtron đạt cực đại và bằng E - E'= ( ì - s ) E

Như vậy, sau khi va chạm đàn hổi, nơtron có năng lượng E ’ thỏa mãn điều

Tham số va chạm Ẹ

Để biểu thị độ mất nãng lượng khi va chạm đàn hồi, người ta dùng tham số

va chạm hay độ mất năng lượng logarit trung bình:

trong đó dấu gạch ngang ký hiệu việc lấy giá trị trung bình theo số các nơtrôn tham gia tán xạ và theo các góc tán xạ

Giả sử có N nơtrôn tán xạ tại điểm p trong hệ tâm quán tính và tán xạ đẳng hướng (hình 2) Khi đó số nơtron tán xạ trong khoảng góc từ ớ, đến 6, + d ỡ ] là :

d s = IxsìndịdOị

Hình 2 Sơ đổ tính độ mất năng lượng lôgarit trung bình ặ

Với A » 1 công thức (2.5) có dạng gần đúng như sau :

chỉ phụ thuộc vào đại lượng e = A - \ '

A + 1 , nghĩa là vào số khối A của hạt nhân

chất làm chậm A càng nhỏ tức là hạt nhân càng nhẹ thì độ mất năng lượng càng lớn tức là khả nãng làm chậm càng tốt

Lethargy

Lethargy là hàm phụ thuộc vào nãng lượng E của nơtron theo biểu thức

U(E) = l n Ậ

trong đó E ~ 2MeV là năng lượng trung bình của phổ nơtron phân hạch,

Đối với nơtrôn nhiêt ta có :

11

UT = ơ ( £ r ) = l n í ^ - = 18,2 (1.27)

r v r ' 0,025Theo biểu thức trên, lethargy là mức độ làm chậm của nơtron, đại lượng này tãng khi nãng lượng E của nơtron giảm Đối với nơtron phân hạch, nghĩa là khi chưa làm chậm, thì U(E ) = 0

Khi nơtrôn nhanh được làm chẫm đến nơtron nhiệt ta có UT = 18,2

Ta thấy rằng khi số khối ỉượng của hạt nhân tăng thì Ẹ giảm và do đó số va chạm cần thiết đổ chuyển từ nơtron nhanh đến nơtron nhiệt tâng Điều này cho thấy rằng các hạt nhân nhẹ có tác dụng làm chậm tốt hơn các hạt nhân nặng.

1.2.2 Môi trường làm chậm

Tán xạ đàn hồi có thể xảy ra với nơtron có năng lượng bất kỳ Đối với vấn đề làm chậm nơtron quá trình va chạm đàn hổi của nơtron với vật chất có vai trò rất quan trọng quyết định đến khả nãng làm chậm nơtron của chất làm chậm

Sụ mất mát nãng lượng của nơtron trong quá trình va chạm đàn hồi phụ thuộc vào tính chất của va chạm là va chạm chính tâm hay va chạm không chính tâm

Va chạm chính tâm dẫn tới sự mất mát năng lượng lớn hơn so với va chạm không chính tâm

Độ mất mát nãng lượng trong các va chạm chính tâm phụ thuộc vào số khối

A của hạt nhân mà nơtron va chạm vào Số khối A càng lớn thì độ mất mát năng lượng của nơtron càng nhỏ

Chất có khả năng làm châm nơtron tốt là chất có chứa nhiều nguyên tử của các hạt nhân nhẹ và ít hấp thụ nơtron khi nơtron va chạm với hạt nhãn Trong quá trình này nãng lượng được phân bố ỉại giữa nơtron và hạt nhân Hạt nhân càng nhẹ thì năng lượng được trao đổi giữa nơtron và hạt nhân càng lớn Sau một số tương tác như vậy, vận tốc của nơtron có thể so sánh được với vận tốc chuyển động nhiệt của hạt nhân Khi đó nơtron là nơtron nhiệt

Như vậy các hạt nhân nhẹ có khả năng làm chậm nơtron tốt nhất, những hạt nhãn này đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện phản ứng phân hạch bằng nơtron nhiệt

Những chất có khả nãng làm châm nơtron một cách nhanh chóng gọi là các chất làm châm

Để xét tính làm chậm của vật chất, cần tính đến tiết diện tán xạ và hấp thụ nơtron Các tính chất này được phản ánh trong 2 đại lượng sau đây:

Khả năng làm châm : Ẹ£

Hệ số làm chậm : ệỴ / n

13

trong đó X = N ơ và £ = M r , là các tiết diên vĩ mô tán xạ và hấp thụ nơtron,

N là mật độ các hạt nhân của chất làm chậm

Biểu thức (2.22) cho thấy khả nãng làm châm lớn khi ệ càng lớn và E càn g lớn, khi đó nơtron càng chóng được làm chậm Mặt khác, vật chất càng ít hấp thụ tức là càng bé thì nơtron được làm châm mà ít hấp thụ trong quá trình làm chậm Do đó hệ số làm chậm ệ z z đặc trưng cho tính chất làm chậm của môi trường Đại lượng nàỵ càng lớn, chất làm châm càng tốt.

Trong bảng 2 dẫn ra các giá trị ặ X và £ z z đối với một số chất làm chậm Từ bảng này ta thấy rằng nước nặng có hệ số làm chậm lớn nhất, đó là vật liêu làm chậm tốt nhất Nước nặng được làm chất làm châm trong lò phản ứng với nhiên liệu uran thiên nhiên Graphic và nước có thể dùng làm chất làm châm trong

lò phản ứng với nhiên liệu uran giàu, là uran trong đó đã nâng cao nồng độ đồng vị

235 u Nước nhẹ không có hệ số làm chậm cao song giá thành rẻ, dễ sản xuất, dễ sử dụng và nó đổng thời đóng vai trò chất tải nhiệt, do đó nước nhẹ được sử dụng rộng rãi trong lò phản ứng với uran làm giàu

Các chất làm chậm nơtron thông dụng nhất là nước nhẹ (HzO), nước nặng (D20), berili (Be), berili oxit, graphite, hydrocarbons

Vật chất làm chậm nơtron có thể là đồng nhất, hoặc không đồng nhất bao gồm nhiều chất kết hợp với nhau theo kiểu pha trộn hoặc phân thành nhiều lớp

Ngoài ra vật chất làm chậm có thể được bao bọc bởi lớp chất phản xạ nhằm nâng cao khả năng làm chậm, đồng thời có thể được bao bởi lớp mỏng cađimi để che chắn bức xạ hoặc trộn chất làm chậm với chất hấp thụ nơtron nhiệt

1.3 Phân tích kích hoạt notroD

1.3.1 Tiết diên của phản ứng hạt nhân

Tiết diện phản ứng hạt nhân là thông số quan trọng của phản ứng và là số liệu hạt nhân quan trọng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân và ứng dụng Tiết diện phản ứng hạt nhân, ký hiệu là ơ, chính là xác suất xảy ra phản ứng trên một hạt nhân trong một giây khi thông lượng của dòng hạt tới bằng 1 hạt/cm2.s

Theo định nghĩa ta có:

SỐ sư kiện (phản ứng) xảy ra trên 1 hạt nhân bia ưong 1 đơn vị thời gian

ơ =

-Số hạt đi qua 1 đơn vị diện tích trong 1 đơn vị thời gian

Tiết diện phản ứng có thể xác định được như sau: Xét bia mỏng sao cho không có nhân bia nào bị hạt nhân khác che khuất, để sao cho xác suất xảy ra phản ứng hạt nhân trên bia không phụ thuộc vào vị trí của mỗi hạt nhân bia Gọi s là tiết diện của bia tính ra cm2, dx là bề dày của bia tính ra cm, p là mật độ nguyên tử cũng chính là số hạt nhân trong một đơn vị thể thể tích Số hạt nhân trong bia là p.s.dx Thì tiết diện của phản ứng được xác định theo biểu thức sau:

Trong công thức (1.31), đai lương — chính là thông lương của chùm hat tới,

s

thứ nguyên là hạt/cm2

Để phản ứng hạt nhân xảy ra, hạt tới phải bay vào vùng tương tác hạt nhân của hạt nhân bia Do đó xác suất xảy ra phản ứng hạt nhân tỷ lệ thuận với tiết diệncủa hạt nhân bia theo phương vuông góc với chùm tia tới Ta có, ơ « 7ĩR2, trong

đó R là bán kính hạt nhân Từ định nghĩa và biểu thức (1.31) suy ra đơn vị đo tiết diện phản ứng là cm2 Tuy nhiên tiết diện phản ứng có giá trị rất nhỏ, cỡ bằng tiết điện của hạt nhân, khoảng 10'24cm2 Vì vậy, tiết diện phản ứng thường được tính ra barn, ký hiệu là b, 1 bam = 1.10'24cm2

Nếu với một kênh vào có nhiều kênh ra thì tiết diện phản ứng tổng cộng bằng tổng tiết diện của các phản ứng thành phần, ta có:

(1.32)i=l

15

Trong đó ơx và ƠJ là tiết diện tổng cộng và tiết diện của kênh phản ứng thứ i, m là

số kênh phản ứng

Đối với một loại phản ứng xác đinh, tiết diện phản ứng phụ thuộc vào năng lượng của hạt tới Với năng lượng xác định, các kênh phản ứng khác nhau thì tiết diện phản ứng khác nhau Hàm số ơ = f(E) mô tả sự phụ thuộc vào năng lượng hạt tới của tiết diện phản ứng, được gọi là hàm kích thích của phản ứng hạt nhân đã cho

Trong nhiều phản ứng, nhất là phản ứng có các hạt nhân nhẹ được tạo thành, các hạt bay ra không đẳng hướng Trong phản ứng a(A,B)b, xác suất để hạt b bay

ra theo các phương khác nhau là khác nhau Khi đó, ngoài tiết diện toàn phần ơ,

người ta đưa vào tiết diên vi phân theo góc, ký hiêu là — Tiết diên vi phân theo

dQ.

góc là xác suất xảy ra phản ứng trong một đơn vị thời gian trên một hạt nhân, tại

đó hạt bay ra b nằm trong một đơn vị góc khối, khi dòng hạt tới có thông lượng bằng lhạt/cm2.s Trong số N phản ứng hạt nhân a(A,B)b xảy ra trong bia, có dN hạt bay ra nằm trong góc khối từ Q đến Q+dQ Như vậy dN chính là số hạt b bay

ra nằm trong góc khối dQ, còn — là số hạt b bay ra nằm trong một đơn vị góckhối Tương tự công thức (1.31), tiết diện vi phân theo góc được xác định theo công thức:

Trong đó Q0 là toàn bộ góc khối mà hạt b bay ra, hàm f(E,Q) mô tả sự phụ thuộc tiết diên vi phân theo góc vào năng lượng và góc bay.

1.3.2 Tốc độ và suất lượng phản úng hạt nhân

Tốc độ phản ứng, R, được định nghĩa là số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân trong một đơn vị thời gian Theo định nghĩa tốc độ phản ứng xác định theo công thức sau:

Trong đó ơ là tiết diện của phản ứng hạt nhân, (ị) là thông lượng của chùm hạttới

Với một phản ứng xác định, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tiết diện phảnứng, năng lượng và thông lượng của chùm hạt tới

Suất lượng của phản ứng là số phản ứng xảy ra trên bia trong một đơn vị thờigian Suất lượng của phản ứng hạt nhân ký hiệu là Y, được xác định theo côngthức:

ĩrong đó r| là hệ số hình học, N0 ỉà số hạt nhân trên bia

Đối với trường hợp chùm tia tới có phổ liên tục tốc độ phản ứng và suất ượng phản ứng được xác định như sau:

Gọi Ộ(E) là thông lượng chùm bức xạ trong khoảng một đơn vị nãng lượng,

ại vùng năng lượng E, còn ơ(E) là tiết diện phản ứng trong vùng năng lượng E -ỉàm ơ(E).ộ(E) được gọi là hàm hưởng ứng hay hàm kích thích trong vùng năng ượng E Tốc độ phản ứng, đối với hạt tới có nãng lượng từ E đến E+dE là đR, được

Tốc độ phản ứng dR thực chất là số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân trong một đơn vị thời gian do các hạt tói có nãng lượng từ E đến E+dE gây ra Tích phân hai vế của phương trình ( 1.37), ta thu được phương trình sau:

Trong thực tế suất lượng phản ứng thường được xác định trực tiếp bằng việc

đo hoạt độ phóng xạ tạo thành từ các mẫu kích hoạt

1.3.3 Xác đinh suất lượng phản ứng theo phương pháp phần tích kích hoạt

Xét phản ứng A(a,b)B trong đó hạt nhân B tạo thành là hạt nhân phóng xạ,

có chu kỳ bán rã là T Giả sử chùm hạt tới có thông lượng bức xạ là ệ, số hạt nhân

A trên bia bằng Nơcòn tiết diện phản ứng cần tìm là a Đối với hạt nhân sản phẩm

B trong thời gian phản ứng xảy ra luôn có hai quá trình cạnh tranh, đó là:

- Quá trình thứ nhất là quá trình tạo thành hạt nhân B từ phản ứng A(a,b)B, quá trình này làm tăng số hạt nhân B trong thời gian phản ứng xảy ra hay quá trình :hiếu

- Quá trình thứ hai là quá trình phân rã phóng xạ của hạt nhân B, làm giảm

;ố hạt nhân B có trong bia

Để tìm sự phụ thuộc của số hạt nhân B là N vào thời gian t, ta đi lập phương trình vi phân của N theo thời gian t Gọi N là số hạt nhân B tại thời điểm t, còn N +

dN là số hạt nhân bia tại thời điểm t + dt Đại lượng dN là độ biến thiên của hạt nhân B trong khoảng thời gian dt

Trong khoảng thời gian dt, số hạt nhân B được tạo thành từ phản ứng hạt nhân là dN| được xác định theo công thức sau:

Cũng trong khoảng thời gian dt số hạt nhân B bị phân rã phóng xạ là dN2 được xác định theo công thức sau;

Trong đó 1 = ^ - là hằng số phân rã của hạt nhân B.

Độ biến thiên số hạt nhân B trong thời gian dt là dN được xác định theo công thức sau:

A = Ằ.N = N0 ộ.ơ(\ -e~ÀJ) (1.46)Khi thời gian chiếu mẫu t tăng, hàm số e~iJ giảm dần, hoạt độ phóng xạtâng Khi thời gian chiếu t >->- T hàm e'ÍJ tiến đến không, hoạt độ phóng xạ đạtgiá trị cực đại và bằng N0.ệ.ơ Thông thường thời gian chiếu mẫu lớn hơn 5 đến 7

lần chu kỳ bán ra, hoạt độ phóng xạ của hạt nhân B đã đạt giá tặ bão hòa

Sau khi ngừng chiếu mẫu, hoạt độ phóng xạ của hạt nhân B trên bia giảm theo hàm số mũ Gọi tj là thời gian chiếu mẫu, khi bắt đầu ngừng chiếu mẫu hoạt

độ phóng xạ của hoạt nhân B trên bia được xác định theo công thức sau:

A0= N 0.a.ệị 1 -* -* ') (1.47)

ở đây A0 là hoạt độ phóng xạ của hạt nhân B trên bia tại thời điểm bắt đầu ngừng chiếu mẫu Hoạt đô phóng xạ sau khi ngừng chiếu một thời gian t được xác định theo hàm sô' mũ:

Trong công thức trên A là hoạt độ phóng xạ tại thời điểm tị, t thời gian được tính từ thời điểm bắt đầu ngừng chiếu mẫu Trong phương pháp kích cần phải xác định hoạt độ phóng xạ của mẫu sau khi ngừng chiếu mẫu Hoạt độ phóng xạ thường được xác định theo phương pháp đo phổ gamma Thông thường sau khi ngừng chiếu mẫu, hoạt độ phóng xạ của mẫu không được đo ngay mà sau khoảng thời gian td mới bất đầu xác định hoạt độ phóng xạ của mẫu Để xác định hoạt độ phóng xạ của mẫu, thường đo mẫu trong một khoảng thời gian từ tị đến t2 Số hạt nhân B phân rã phóng xạ trong khoảng thời gian từ tị đến t2 được xác định theo công thức sau:

C(tu t, t2) = '\A{t)dt = ) N ữ.ơ ệ { \ - e - Xj')e-Xjdt (1.49)

Trong đó C(t,,t|Tt2) là số hạt nhân B phân rã trong trong khoảng thời gian từ t| íến t2 Tích phân (1.49) ta thu được kết quả sau:

Trong đó td là thời gian nghỉ hay thời gian phơi mẫu được tính từ thời điêm bắt đầu ngùng chiếu mẫu đến thời điém bắt dầu đo, ta có td = tị — tị, còn tc là khoảng thời gian đo, lc=Ì2 —1|*

Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian chiếu, thời gian phơi mẫu

và thời gian đo được biéu diễn trên hình 3 Hoạt độ tích phân c, chính là diện tích ứng với thời gian đo tc

Hình 3 Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (tị),

thời gian phân rã ( t j và thòi gian đo (te)

Sự CÓ mặt của hạt nhân B được nhận diên dựa vào đỉnh hấp thụ toàn phần củavạch bức xạ gamma đặc trưng của B, và chu kỳ bán rã của nó Số hạt nhân đã phân

rã C(ti,t1,t2) trong thời gian đo, được xác định dựa vào diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch bức xạ gamma đặc trưng Diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch bức xạ gamma đặc trưng tỷ lệ thuận với số hạt nhân đã bị phân rã trong thời gian

do tc hay trong khoảng thời gian từ t| đến t2 Ngoài ra, diện tích đỉnh hấp thụ toànphần vạch bức xạ gamma đặc trưng phụ thuộc vào các đại lượng sau:

- Ịy là cường độ của vạch bức xạ đặc trưng hay là xác suất phát tia bức xạ đặc trưng được sử dụng để xác định hoạt độ của hạt nhân phóng xạ B

- Hiệu suất ghi £ của đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch bức xạ gamma đặc

trưng Hiệu suất ghi thường được xác định dựa vào mẫu chuẩn đã biết trước hoạt độ phóng xạ Mẫu chuẩn có hình dạng kích thước giống như mẫu phân tích, chứa nguyên tố phóng xạ B

2]

- Hệ số hiệu chỉnh F tính đến hiệu ứng thời gian chết, sự chồng chất xung

Hệ số hiệu chỉnh luôn nhỏ hơn 1

Diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần được xác định theo công thức sau:

Đối với các nguồn bức xạ kích hoạt làm việc ở chế độ xung như các máy gia

tốc, cần tính đến quá trình phân rã phóng xạ giữa các lần lặp lại của xung bức xạ

kích hoạt

(1.52)

Hình 4 Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (tị),

thời gian phân rã (td) và thòi gian đo (tc)

Giả sử xung có độ rộng là T, thời gian một chu kỳ là Tp khi đó X chính là thời

gian chiếu và Tp - X là thời gian phân rã trong một chu kỳ Gọi N0 là số hạt nhân

trên bia, ệ thông lượng bức xạ kích hoạt, X là hằng số phân rã và ơ là tiết diện

phản ứng hạt nhân

Số hạt nhân phóng xạ tại thời điểm kết thúc chu kỳ thứ nhất được xác định

theo công thức sau;

N à ơ_ ặ _ e-Xr)e-Wp-r)

(1.53)

Kết thúc chu kỳ thứ hai số hạt nhân phóng xạ được tạo thành trên bia được xác định theo công thức như sau:

N { 2 T P) = (Ị _ e - ^ ỹ ị(T”- T) (1 + ẽ a ' ) = N {T p )(1 + ê **')

Kết thúc chu kỳ chiếu thứ n tức là kết thúc thời gian chiếu xạ tj, (ti=n.Tp):

Trong trường hợp T l/2 không quá ngắn và x « T p, khi đó e ( ' * * 1, suy ra

diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trưng ứng với trường hợp nguồn bức xạ làm việc ở chế độ xung theo công thức sau đây:

1.4 Code Empữe trong việc xác đinh một số thông số của phản ứng hạt nhân với nơtron nhanh

Số liệu tiết diện phản ứng hạt nhân được xác định bằng thực nghiệm Tuy nhiên các số liệu thực nghiệm thường rời rạc và gián đoạn trong khoảng năng lượng lớn Đe có được số liệu tiết diện một cách liên tục, ta phải sử dụng các chương trình máy tính để tính toán chúng Dưới đây chúng tôi đưa ra một số mẫu sir dụng trong code Empire

1.4.1 MSD (multi-step direct)

> Ma trận mở T được xác định theo biểu thức (có n bước dịch chuyển):

_ NJ gẹỊ rF (1 - ệ^ _ )(1 - e -*- (1 - )

23

> Xác xuất trên một mức năng lượng để tìm thấy hệ trong cấu hình c ( hợp

phẩn) được cho bởi mật độ phổ thông qua giá trị thực của hàm Green ơ m tr( £ ) :

Un = Pn ộ^na) ^ thành phần rất nhò được xác định theo giá trị trung bình

:ủa mật độ trạng thái liên kết Pn cùa lớp n và theo ma trận nguyên tố trung bình

vn a kết nối kênh a với các trạng thái trong lớp n U nm là ma trận xác xuất được

;ác định thông qua ma trận nghịch đảo của nó:

( ^ ) n m 0 nrn{27tpn)(T'n +1 'ext) (1 b r/2 (1-62)

v „ m là ma trận nguyên tố bình phương trung bình có kết cặp trạng thái

trong lớp n, m là phân bố độ rộng của các trạng thái trong lớp n và rff* là

tổng độ rộng phân rã trung bình trong lớp n Chúng lần lượt được xác định như

Hệ số truyền cho kênh El-gamma được xác định:

1.4.4 Hạt nhân hợp phần

> Độ rộng phân rã hạt được cho bởi:

r c(£,./,*•) = - L I £ J 'ỵ ể - Bcp iE',J\x’r i J(.E-Bc -E')clE'

CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM

2.1 Xây dựng hệ thiết bị sử dụng notron từ máy phát ING-3

1 Tư liệu cơ bản về máy phát nơtron và ứng dụng

- Đã tập trung vào các máy phát nơtron cùng loại với máy phát nơtronhiện có của đề tài

Đó là các máy phát-có cẩu trúc gọn nhẹ, thích hợp với các nghiên cứu thực hiện trong phòng thí nghiệm và di chuyển dề dàng trong các nghiên cứu ờ hiện trường

- Đã thu thập được nhừng tài liệu gần đây nhất của các nghiên cứu cơ bản

và ứng dụng cùa các nhóm tác giả ờ nước ngoài đối với máy phát nơtron loại nhỏ, xách tay (portable) như máy cùa đề tài

Ngoài ra cũng đã sưu tập được một sô công bố cùa các tác giả nước ngoài về những nghiên cứu ứng dụng nơtron nói chung, đó là các tài liệu hữu ích dê tham khảo đôi với những nghiên cừu da dạng trong Urơng lai

- Tìm hiểu những kết quả nghiên cứu của các tác giả trong nước từ nhữngnăm 80 khi dùng máy phát nơtron I4MeV của Hungari kích thước lớn đặt tại trong phòng thí nghiệm ở Nghĩa Đô và loại nguồn đồng vị (Pu-Be) để thăm dò lỗ khoan ứng dụng trong địa vậl lý

- Tập họp các tư liệu cơ bản về tương tác của n với vật chất, đặc biệt là trong các hiệu ứng làm chậm, khuyếch tán, hấp thụ và các phản ứng gây bởi nơtron 14MeV và nơtron đã bị làm chậm và nhiệt hóa

- Biên soạn các bài thực tập sử dụng máy phát nơtron phục vụ đào tạo.Các cán bô tham gia:

PGS.TS Phạm Ọuổc Hùng, PGS.TS Hoàng Đẳc Lực, PGS.TS Trần Đại Nghiệp, Th.s Lê/Xuân Chung, CN Hoàng Anh

GS J.Scheurer vằ TS Doan Thu Phong (CENBG, Pháp)

27

2 Nghiên cứu xác định chiều dài làm chậm của nơtron trong paraffin.

- Nghiên cứu này đã được thực hiện dối với nguồn đồng nơtron dồng vị (Am-Be) cho chùm nơtron năng lượng trung bình 4MeV Đây là những nơtron có năng lượng thấp hơn năng lượng của notron sinh ra từ máy phát nơlron cù;i cỉồ tài nhirng cơ chế vật lý của qiiíì Irinh lỏm diỹm nơtron trong vật chất thì giống nhau Paraffin được chọn trong nghiên cứu này để làm chậm nơtron

Nghiên cứu cho kết quả: Chiều dài làm chậm L cùa nơtron 4MeV Irong paraffin là L = (3,88 dz 0,54) cm

Kết quà nhận được của nghiên cứu này là số liệu để định hướng nghiên cứu xác định kích thước cùa hệ che chắn an toàn và chiếu xạ nơtron đổi với máy phát nơlron cùa đề tài

Định hướng này được dựa trên lập luận sau đây:

Nếu quãng đường tự do trung bình của nơtron trong quá trình làm chậm tỷ lệ với vận tốc , tức là căn bậc hai cùa năng lượng nơtron thì chiều dài làm chậm cùa nơtron I4McV sè được dự đoán vào cỡ hơn 7cm

- Các cán bô tham già:

PGS.TS Nguyễn Triệu Tú, CN Phạm Quỳnh Trang, PGS.TS Trần Đại Nghiệp

■ Sàn phẩm: Một bài báo đã trình bày tại hội nghị khoa học Trường ĐHKHTN, ngành vật [ý và đăng trên Tạp chi khoa học Đại học Quốc gia

Hà Nội, Toán - Vật lý T.XXII, No 2AP, 2006(tr.l90)

3 Nghiên cứu lựa chọn vật liệu và thiết kế hệ chiếu xạ cho máy phát nơtron.

- Yêu cầu của nghiên cứu này [à phải xác định các cơ sở khoa học đê thiêt

kế một hệ đặt máy phát nơtron Hệ này phải bào đàm được 2 yêu cầu: Thứ nhất là phải có kênh dẫn thích hợp đề cả nơtron nhanh và nơtron nhiệt đều được sử dụng trong các nghiên cứu cần thiết, thứ hai là phải bảo đàm an toàn phóng xạ theo tiêu chuẩn chung

- Các vật liệu sau đây đã được nghiên cửu lựa chọn:

Với mục đích làm chậm: H2O, Graphit, Paraffin, bê tông các loại

Với mục đích hấp thụ n: Cd, Boron (B) và các họp chất chứa B

Kết luận: Với nguyên vật liệu có thể tìm thấy trong nước hiện nay và với kinh phí được đề tài cho phép, đã lựa chọn lổ hợp vật liệu (Paraffin và Borat)

Để đảm bảo an toàn phóng xạ đã tập trung vào hai loại bức xạ: nơtron chưa được hấp thụ hết trong hệ che chắn và gamma thử cấp sinh ra trong các phản ứng (n, Y ) Vật liệu đã nghiên cứu để sử dụng đáp ứng yêu cầu

an toàn phóng xạ là: Borat với các hàm lượng và vị trí thích hợp trong paraffin để hấp thụ n

Tổ hợp bẽ tông + cliì để hấp thụ gamma

- Thiết kế hệ chiếu xạ đã được nghiên cứu và lựa chọn: 6 khối hình trụđường kính lOOcm, cao 20cm làm bằng hỗn hợp paraffin + Borat ghépvào nhau Toàn khối có 3 kênh dẫn nơtron

Các cán bô tham gia: PGS.TS Phạm Quổc Hừng, Th.s Nguyễn Tiến Phong, CN Vũ Thanh Mai, CN Hoàng Anh

Sàn phẩm: 1 b<ài báo đăng trên Tạp chí khoa học Đại hoc Ọuổc gia Hà

INội, Toán - Vậị lý T.XXII, No 2AP, 20ơ6(tr.85)

2 9

k Nghiên cứu quy trình tạo hỗn hợp paraffm-Boral.

Nghiên cứu này nhằm vào hai mục đích:

- Xác định công thức pha trộn cùa paraffin (Cv)H62)n với Borat (Na2B407.10H20 ) trong các khối thành phẩn của hệ chiếu xạ

Bia sinh ncrtron cùa máy phái đặl lọi tâm cùa hộ chiéu xạ do dó tỷ lệ Borat pha trộn trong paraffin đối với mỗi khối hình trụ được lựa chọn thích hợp để làm chậm và hấp thụ tối ưu các nơtron

- Paraffin và Borat là hai hợp chất có nhiệt độ nóng chảy khác nhau, cần xác định được quy trinh pha trộn ở nhiệt dộ thích hợp dể hỗn hạp với tỷ

lệ pha trộn xác định đạt yêu cẩu đồng nhất sau khi đông kết

- Nghiên cửu này được thực hiện tại Viện Khoa học kỹ thuật hạt nhân ở Nghĩa Đô, Hà Nội

Công thức pha chế VÌ1 quy trinh pha trộn hỏn hợp paralTin-Borat dính kèm trong biên bản nghiêm thu hợp đồng sổ 03/HĐ-TKCM

- Các cán bô tham gia:

KS Trần Quốc Kỳ KS Vũ Ọuang Chất, Tli.s Nguyễn Tiến Phong, CN Hoàng Anh