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

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

Trang 1

6 TIÊU CHUẨN GIA ĐÌNH VĂN HÓA

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

Trang 2

 PGS TS Châu Văn Tạo Trưởng Khoa Vật Lý, Trưởng Chuyên ngành Hạt Nhân Nguyên Tử Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP Hồ Chí Minh

đã rất tận tâm chỉ bảo và giúp đỡ tôi bất cứ lúc nào tôi cần để hoàn thành luận án

 PGS TS Vương Hữu Tấn, Viện Trưởng Viện Năng lượng Nguyên Tử VN

đã cung cấp tài liệu giúp đỡ tôi viết luận án này

 PGS TS Nguyễn Nhị Điền, Viện Trưởng Viện Hạt Nhân Dalat, đã giúp đỡ tạo điều kiện được nghiên cứu một thời gian dài tại Lò phản ứng hạt nhân giúp tôi mở cửa sổ để tiếp cận trong khảo sát thực tế

 Xin cảm ơn các Thầy Phản biện và các Thầy Cô thành viên trong Hội Đồng Cấp Cơ sở đã giúp nhiều ý kiến bổ ích cho Luận án

 Xin chân thành cảm ơn các Thầy Phản biện Độc lập đã đọc và chỉ dẫn nhiều ý kiến rất quan trọng để hoàn thành Luận án

 Xin cảm ơn Giáo sư Jirina R Stone (MIT – Massachusetts Institute of Technology – USA) đã nhiệt tình góp ý, ủng hộ hết lòng cho đề tài nghiên cứu của Luận án Cảm ơn Giáo sư Tunis (ICTP – International Centre for Theoretical Physics – Italy ) với những giúp đỡ và những nhận xét mang tính khoa học cao cho những công trình nghiên cứu của Luận án Xin cảm

ơn Giáo sư Hiroyoshi Sakurai (RIKEN Nishina Center for Accelerator Based Science – Japan) đã cho những ý kiến đóng góp để công trình nghiên cứu của Luận án được hoàn thiện hơn

Trang 3

 Các thầy cô trong Bộ Môn Hạt Nhân và Phòng Quản Lý Khoa Học Sau Đại Học và Hợp Tác Quốc Tế, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh đã giúp đỡ để hoàn thành và bảo vệ luận án

 Xin cảm ơn các đồng nghiệp Trường Cao Đẳng GTVT Tp HCM đã động viên tôi trong quá trình hoàn thành luận án

Cuối cùng xin được phép các GS.TS, các thầy cô cho tôi được thắp nén hương linh để tạ ơn người anh ruột Nguyễn Mạnh Dũng mới qua đời Suốt hơn 2 năm bệnh nặng mà vẫn động viên giúp đỡ vật chất và tinh thần cho tôi học và nghiên cứu, đây là khoảng thời gian tôi vừa học và vừa nuôi anh ở bệnh viện, khoảng thời gian mà tôi không thể quên

Một lần nữa xin cảm ơn quý thầy cô và bạn bè đã là động lực là nguồn sáng cho tôi viết luận án tiến sĩ hôm nay

Trang 4

MỤC LỤC

Trang Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

iiiiv

1.2.3 Thư viện dữ liệu năng lượng cao JENDL (JENDL-HE) 28

2.1.2 Công thức tính số neutron và hiệu suất sinh neutron 30

2.2.2 Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên các bia nặng 34

2.2.4 Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên các bia nặng 43

Trang 5

2.2.5 Phân bố góc của neutron 47

3.2.4 So sánh hiệu suất sinh neutron với công trình khác 633.2.5 Sử dụng mô hình màn chắn trên bia tính số neutron sinh ra phân bố ở các góc

Trang 6

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT

System

phỏng dấu hiệu gây bởi bức xạ

CRISP Code tính toán phản ứng hạt nhân năng

lượng cao và trung bình

CollaborationFLUKA Code mô phỏng sự tương tác và vận

chuyển hạt

Fluktuierende KAskade

Koonin

CascadeJ-PARC Viện nghiên cứu máy gia tốc proton của

Nhật Bản

Accelerator Research ComplexJENDL Thư viện dữ liệu hạt nhân JENDL của

Nhật Bản

Japanese Evaluated

LibraryLAHET Hệ thống code tính toán cho vận chuyển Los Alamos High

Trang 7

năng lượng cao của Los Alamos Energy Transport

hadron trong bia phức tạp

Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG

3 1.3 Lĩnh vực ứng dụng của dữ liệu hạt nhân năng lượng cao 28

4 2.1 Quãng chạy tự do trung bình của proton Rp và bề dày

các bia U, Pb, Au, W được chọn trong vùng năng lượng bắn phá của proton từ 0.5 GeV đến 3 GeV

7 2.4 Hiệu suất sinh neutron từ bia 208Pb với năng lượng

proton tới là 1,0 GeV

10 3.3 Số neutron sinh ra phân bố ở góc 1800 phía sau bia 67

11 3.4 Đánh giá sự sai biệt về số neutron sinh ra theo phân bố

góc với năng lượng proton 1,5 GeV giữa hai mô hình đồng nhất và màn chắn (số neutron x1018)

68

12 3.5 Đánh giá sự sai biệt về số neutron sinh ra theo năng

lượng proton giữa hai mô hình đồng nhất và màn chắn (số neutron x1018)

69

Trang 9

DANH MỤC HÌNH VẼ

1 1 Tiêu thụ năng lượng hạt nhân tính bình quân theo đầu người

ở một số nước trên thế giới trong năm 2003

3

3 2.1 Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên bia

5 2.3 Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên 197Au dày d  R p 36

6 2.4 Số neutron sinh từ phản ứng (p, n) trên 238U, 235U dày d  R p 37

7 2.5 Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên 204Pb, 206Pb, 207Pb,

208Pb, 180W, 182W, 184W, 186W, 238U, 235U, 197Au dày d  R p

38

8 2.6 Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên bia 238U, 235U,

206Pb, 186W, 197Au, bề dày bia d  R p với năng lượng của

39

9 2.7 Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên bia 238U, 235U,

206Pb, 186W, 197Au, bề dày bia d  R pvới năng lượng của

40

10 2.8 Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên 206Pb, 238U, 235U,

186W, 197Au bề dày d  R p năng lượng Ep= 0,7 GeV

41

13 2.11 Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên 206Pb, 238U, 235U, 41

Trang 10

42

16 2.14 Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 206Pb với năng

lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 3,0 GeV

44

17 2.15 Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 238U với năng

lượng bắn phá của proton từ 0.5 GeV đến 3 GeV

44

18 2.16 Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 235U với năng

45

19 2.17 Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 186W với năng

45

20 2.18 Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 197Au với năng

46

21 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)

47

22 2.20 Phân bố góc của neutron sinh ra trên bia 206Pb với năng

lượng của proton từ 0,5GeV đến 1,5 GeV

48

23 2.21 Phân bố góc của neutron trên bia 238U với Ep = 0,5 ÷1,5 GeV 48

24 2.22 Phân bố góc của neutron trên bia 238U với Ep= 0,5 ÷1,5 GeV 49

25 2.23 Phân bố góc của neutron sinh ra trên bia 197Au với năng

49

26 2.24 Phân bố góc của neutron với Ep= 800 MeV trên bia 208Pb 50

27 2.25 Hiệu suất sinh neutron trên bia 208Pb ở mô hình bia đồng

nhất và mô hình của Sara T.Mongelli et al [39]

51

29 3.2 Độ mất mát năng lượng riêng của proton trên các bia 206Pb, 57

Trang 11

238U, 197Au, 186W

30 3.3 Độ suy giảm của chùm proton trong bia 206Pb, 238U, 197Au,

186W với Ep= 0,5 GeV, Ip=25 mA

58

186W với năng lượng proton tới là 0,8 GeV, cường độ dòng máy gia tốc I = 25 mA

58

59

34 3.7 So sánh số neutron sinh ra trên bia 206Pb từ phản ứng hạt

nhân (p, n) giữa mô hình bia đồng nhất và mô hình màn chắn trên bia

60

35 3.8 So sánh số neutron sinh ra trên bia 238U từ phản ứng hạt

61

36 3.9 So sánh số neutron sinh ra trên bia 186W từ phản ứng hạt

62

37 3.10 So sánh số neutron sinh ra trên bia 197Au từ phản ứng hạt

62

38 3.11 So sánh hiệu suất sinh neutron ở bia chì từ phản ứng hạt

nhân (p, n) giữa mô hình bia đồng nhất, mô hình màn chắn

và công trình của nhóm nghiên cứu Sara T Mongelli và cộng sự [39]

63

39 3.12 Số neutron phân bố theo góc trên 238U, 235U, 206Pb, 186W, 64

Trang 12

197Au với năng lượng proton 0,5 GeV tính theo mô hình màn chắn trên bia

40 3.13 Số neutron sinh ra phân bố theo góc trên các bia 238U, 235U,

206Pb, 186W, 197Au với năng lượng của proton là 0,6 GeV tính theo mô hình màn chắn trên bia

65

66

Trang 13

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 máy gia tốc (Accelerator Driven System – ADS) do Carlo Rubbia – (nhà vật lý người Ý được giải Nobel vào năm 1984) đề xuất để khắc phục một số nhược điểm của lò phản ứng hạt nhân truyền thống là một trong những vấn đề thời sự trong 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 hạch dây chuyền xảy ra Muốn lò hoạt động, phải có thêm một số neutron “bù”, số neutron 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 tương tác của chùm proton từ máy gia tốc với bia Neutron sinh ra trên các bia do phản ứng (p, n) kể trên chính là số neutron “bù” làm cho hệ dưới tới hạn trở thành trên tới hạn Công suất lò được điều khiển bằng máy gia tốc Để điều khiển hoạt động lò cần thiết phải xác định được số lượng, tính chất, vị trí không gian 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 điều khiển nhạy và hữu hiệu, trong đó vấn đề quan trọng nhất là tính toán và thiết kế bia 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 khác nhau ở vùng năng lượng bắn phá khác nhau là bài toán quan trọng và cần thiết cho việc xây dựng và phát triển ADS Hơn nữa việc tìm hiểu tính chất của neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n) trên các bia nặng cũng cho thêm nhiều thông tin mới về mặt cơ chế của phản ứng hạt nhân (p, n) trong vùng năng 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) trên các 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 bước nhảy năng lượng (energy step) là 0,1 GeV.

Vùng năng lượng được chọn từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV là vì các nghiên cứu trước đây cho biết số neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n) trong vùng năng lượng này là nhiều nhất Hơn nữa với công nghệ hiện nay việc chế tạo máy gia tốc trong vùng năng lượng kể trên có nhiều thuận lợi cả về kỹ thuật cũng 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 quả thu được có thể được dùng trong nghiên cứu thiết kế các hệ ADS.

Trang 14

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,

235U, 197Au

Phương pháp nghiên cứu của luận án là xây dựng mô hình tính toán khác nhau, 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 đề xuất Dựa trên các dữ liệu hạt nhân của thư viện hạt nhân năng lượng cao JENDL và các mô hình tính toán đã thu được một bộ số liệu về số lượng neutron 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 cứu phản ứng hạt nhân (p, n) trên thế giới và giới thiệu thư viện dữ liệu hạt nhân JENDL 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 ra trên 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 với những nhận xét và kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo, danh mục các công trình 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 phản ứng hạt nhân (p, n) trên các bia Mô hình này được gọi là mô hình màn chắn trên bia Mô hình màn chắn trên bia đã góp phần cải thiện sự sai khác giữa những 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 các bia nặng như: 238U, 235U, 208Pb, 207Pb, 208Pb, 204Pb, 186W, 184W, 182W, 180W, 197Au đối 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 phản ứng hạt nhân (p, n) trên các bia khác nhau làm cơ sở cho việc lựa chọn bia cũng như năng lượng cần phải gia tốc của chùm proton.

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

Trang 15

đề xuất các giải pháp bố trí thành phản xạ trong lò phản ứng Giải pháp này có thể 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 các tác 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 nghiên cứu này là tìm tiết diện neutron của phản ứng 6Li + p và 7Li + p với năng lượng bắn phá của proton là 9 MeV.

Năm 1995, M.A Lone và P.Y Wong đã công bố việc tính hiệu suất sinh neutron 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 6Li (p, n) 6Be 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 ít bia và ở một vài mức năng lượng Hầu hết các nghiên cứu còn mang tính rời rạc, đơn lẻ, nhiều tính toán chưa phù hợp, khoảng sai khác giữa kết quả tính toán 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 vùng năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV với bước nhảy năng lượng (energy step) được tính là 0,1 GeV Kết quả thu được là một bộ số liệu về phân bố năng lượng, phân bố góc, số lượng neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (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 dụng trong tính toán.

Mới đây trên thế giới đã có một số công trình nghiên cứu phản ứng hạt nhân (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 sản xuất neutron tốt hơn Nghiên cứu còn cho rằng đối với bia urani có sự hấp thụ neutron cao, khoảng 23% neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) có thể có tương tác với 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 lượng neutron thứ cấp sinh ra cũng không được xác định Trong nghiên cứu, tính toán được thực hiện với năng lượng proton là 1,5 GeV, bán kính chùm tia là 1 cm,

Trang 16

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

Công trình của nhóm B Sarer, M.E Korkmaz, M.Gunay, A.Aydin nghiên cứu nguồn neutron được tạo ra từ phản ứng (p, n) của hệ thống ADS Hệ thống được 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 và muon trên 1 proton tới được bỏ qua vì do thông lượng hạt thấp Thông lượng neutron 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 đi vào 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 bia cũng như chưa đề cập đến hiệu ứng hấp thụ neutron của urani nếu dùng urani làm bia

Hiện tượng proton khi đi qua các lớp bia bị mất năng lượng, bị lệch khỏi hướng ban đầu, bị giảm cường độ là hiện tượng ai cũng biết, nhưng các tính toán trước đây đều coi cường độ dòng proton và năng lượng của proton là không đổi trong suốt quá trình tương tác của proton lên bia Điều này chỉ đúng khi 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 các lớp mỏng và tính số neutron sinh ra trên từng lớp, số neutron sinh ra trên cả khối bia là tổng số neutron sinh ra trên các lớp bia mỏng rõ ràng là phù hợp với hiện tượng thật của quá trình vật lý Đây là bước đầu xây dựng mô hình sao cho phù hợp hơn với hiện tượng vật lý thật.

Ngoài ra trong luận án, bề dày bia được chọn bằng quãng chạy trung bình của proton ứng với từng năng lượng bắn phá của proton trên từng loại 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 liệu của nhiều bia, trong đó việc lựa chọn bề dày bia tính bằng chiều dài quãng chạy 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 hai được 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



Trang 17

Tiết diện vi phân được tính theo công thức:

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 trị năng 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

p

2

E , E μ, f E , E μ, f E E E

dE

j dσ d.

N.N N

Trang 19

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 trung bình 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 vẽ 2.5, việc nên chọn loại bia nào tương ứng với năng lượng dòng proton cỡ bao nhiêu

để thu được số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) là nhiều nhất được viết trong 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 bia204Pb, 206Pb, 207Pb,

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

d  R p

Trang 20

H 2.6: Số neutron sinh ra theo phân

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

bố góc trên bia 204Pb, 238U, 235U,

186W, 197Au bề dày d=Rp, với năng

lượng proton là 0,7 GeV

Trang 21

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

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 , với năng 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

Trang 22

- Phương án thứ nhất nên bố trí thêm các thanh phản xạ để tận dụng số neutron 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 từ 0,5 đến 2,0 GeV thì bia cho số neutron ít nhất ở góc 1800 (vùng phía sau bia) là bia 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 năng lượng cỡ từ 0,5 GeV đến 2,0 GeV thì sử dụng bia 235U là tốt cho ADS (Bảng 2.2).

Khi năng lượng tới của proton là 3,0 GeV thì nên dùng bia 186W, vì trong vùng năng lượng này có ít số neutron sinh ra ở vùng phía sau bia 186W (Bảng 2.2).

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu phản ứng (p, n) trên nhiều bia nặng phục 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 bia khác nhau thu được từ bài toán tính tiết diện vi phân sẽ giúp giải quyết bài toán chuyển đổi các đồng vị dài ngày thành các đồng vị ngắn ngày phục vụ cho ADS.

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 bia206Pb,238U, 235U, 186W,

197Au:

H 2.14: Tiết diện vi phân của phản

ứng (p, n) trên 206Pb, năng lượng

proton 0,5 GeV đến 3,0 GeV

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

Trang 23

ứng (p, n) trên 197Au năng lượng

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

Nghiên cứu nhiều bia và nhiều đồng vị được trình bày trong phần phụ lục của luận 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 bắn phá khác nhau của proton, nghĩa là tiết diện lớn ở miền năng lượng nhỏ và rất 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 có năng lượng nằm trong khoảng từ 0 đến 15 MeV Với trường neutron thu được này thì đây là các bia tốt sử dụng cho ADS để chuyển đổi các đồng vị dài 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)

Trang 24

So sánh hình 2.19a và 2.19b, dáng điệu cho thấy tương đối giống nhau.

2.2.4 Phân bố góc của neutron

2.2.4.1 Phân bố góc của neutron sinh ra trên các bia

Các đồ thị trong hình 2.20 cho thấy các neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n) có khuynh hướng bay về phía trước.

Ví dụ trên đồ thị ứng với proton tới có năng lượng 0,5 GeV, đường biểu diễn là đường chứa những điểm tròn màu vàng trong hình 2.20, ta nhận thấy:

Tiết diện sinh neutron ở góc 00 là 16,8677 barn/sr

Tiết diện sinh neutron ở góc 1800 là 6,8385 barn/sr

Điều đó có nghĩa là khi năng lượng bắn phá của proton là 0,5 GeV, tiết diện sinh neutron ở góc 00 lớn hơn tiết diện sinh neutron ở góc 1800 là khoảng 2,5 lần.

Tương tự như vậy, xét ở năng lượng 0,6; 0,7, …;1,5 GeV, cũng thu được tiết diện sinh neutron ở góc 00 lớn hơn góc 1800 trung bình là khoảng 2,5 lần.

H 2.20 Phân bố góc của neutron

sinh ra trên206Pb năng lượng proton

0,5 GeV đến 1,5 GeV

sinh ra trên 238U năng lượng proton 0,5 GeV đến 1,5 GeV

Xét cho các bia 238U, 197Au, 186W cũng thu được cùng quy luật như bia 206Pb như được trình bày ở các hình 2.21, 2.22, 2.23.

Những hạt bay ra phía sau bia là những hạt mất đi vì chúng sẽ không tham gia phân hạch duy trì hoạt động của lò phản ứng ADS Vì vậy, từ nhận xét này, nên đặt thêm các thanh phản xạ ở vùng phía sau bia để tận dụng hết nguồn neutron sinh ra, nâng cao công suất của lò phản ứng ADS.

Trang 25

sinh ra trên 186W, năng lượng

sinh ra trên 197Au năng lượng proton 0,5 GeV đến 1,5 GeV

2.2.4.2 So sánh với công trình khác

Hình 2.24 Phân bố góc của neutron với Ep= 0,8 MeV trên bia 208Pb

Từ hình vẽ 2.24a là kết quả của nhóm tác giả Sarkar và Maitreyee Nandy

có thể nhận thấy:

 Có sự khác biệt lớn về dáng điệu và giá trị tuyệt đối giữa hai mô hình SDM (Statistical Decay Model) và QMD (Quantum Molecular Dynamics):

+ Mô hình QMD chứng tỏ hiện tượng phát hạt về phía trước

+ Mô hình SDM cho thấy sự phân bố góc của hạt gần như đẳng hướng đối với hướng của proton tới

 Dáng điệu của đường cong trong kết quả thu được của luận án khá giống với mô hình QMD Sự khác biệt về giá trị tuyệt đối, có thể giải thích đó là

do trong tính toán đã không kể đến một số các hiệu ứng như hiệu ứng tán

Trang 26

xạ, hiệu ứng màn chắn…mà ảnh hưởng của những hiệu ứng này đã dẫn đến sai khác lớn về giá trị tuyệt đối (hình 2.24b).

2.2.5 Hiệu suất neutron

Hiệu suất neutron là tỷ số giữa số neutron sinh ra với một proton tới (Nn/Np) trong phản ứng hạt nhân (p, n).

So sánh hiệu suất sinh neutron giữa kết quả của mô hình bia đồng nhất và kết quả của nhóm tác giả Sara T Mongelli et al [39]:

Kết quả so sánh giữa hai mô hình rất khác nhau (hình 2.25) và bảng 2.4 trình bày trong luận án) Lý do là vì mô hình bia đồng nhất được xây dựng với giả thiết là năng lượng và cường độ dòng proton không thay đổi trong quá trình tương tác với hạt nhân bia Thực tế điều này không thể xảy ra, năng lượng và cường độ dòng hạt sẽ giảm dần trong quá trình tương tác với hạt nhân bia Vì vậy mô hình bia đồng nhất không cho giá trị chính xác về số neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n) Mô hình bia đồng nhất xác định phân bố năng lượng của neutron, phân bố góc của neutron khá chính xác

2.2.6 Kết luận

- Mô hình bia đồng nhất đã xác định phổ neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n) theo phân bố năng lượng và theo phân bố góc (dạng phổ thu được rất phù hợp với các công trình khác đã công bố trên thế giới: hình 2.19 và hình 2.24)

- Mô hình bia đồng nhất chưa cho kết quả tốt về độ chính xác khi tính đến hiệu suất neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n) trên các bia nặng (hình 2.25).

- Trong các tính toán thông thường người ta coi proton là chùm hạt song song

có năng lượng và cường độ dòng hạt không đổi trong suốt quá trình tương tác với bia Điều này chỉ đúng với bia rất mỏng Trường hợp bia dày như bia của ADS thì khi tương tác với bia, các proton sẽ có thể bị lệch khỏi hướng ban đầu (tán xạ), bị suy giảm về năng lượng và cường độ Để phù hợp với bức tranh vật

lý, chúng tôi chia bia ra thành các lớp mỏng và tính số neutron sinh ra trên từng

Hình 2.25: Hiệu suất neutron trên bia chì ở mô hình bia đồng nhất và

mô hình của Sara T Mongelli et al [39]

Trang 27

lớp bia mỏng Số neutron sinh ra cho cả khối bia là tổng neutron sinh ra trên tất

cả các lớp bia mỏng này Mô hình này được gọi là mô hình màn chắn trên bia

Mô hình màn chắn trên bia sẽ được nghiên cứu và trình bày trong chương kế tiếp.

đi trong khối vật chất Mô hình này được gọi là mô hình bia đồng nhất.

Mô hình bia đồng nhất được đặt ra như một giả thuyết, để từ đó đi tìm phân bố năng lượng, phân bố góc của neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p,n) Mô hình bia đồng nhất đã tỏ ra rất có hiệu quả trong bài toán xác định phổ neutron.

Tuy nhiên bức tranh vật lý thực tế không đơn giản như giả thuyết của mô hình bia đồng nhất Khi đi xuyên qua vật chất, các hạt tương tác với các nguyên

tử môi trường làm mất mát đi một phần năng lượng và đồng thời cường độ của chùm hạt cũng bị suy giảm do cơ chế truyền qua này Vì vậy mô hình màn chắn trên bia – screening effect model được đề ra nhằm nâng cao tính chính xác cho

mô hình bia đồng nhất Năng lượng mất mát của chùm hạt tới và độ suy giảm của cường độ chùm hạt sẽ được tính trên từng lớp bia mỏng của khối bia được cắt thành nhiều lớp Số neutron sinh ra khi chùm proton tương tác với các hạt nhân bia cũng sẽ được xác định trên từng lớp vật liệu mỏng đó Như vậy số lượng neutron sinh ra khi chùm proton tương tác với cả khối bia chính là tổng của số neutron sinh ra trên tất cả các lớp bia mỏng.

_

Chúng tôi quan niệm rằng chùm proton đi vào bia là chùm hạt song song

có dạng hình trụ và đã bỏ qua không tính đến hiệu ứng tán xạ của proton trên

Trang 28

bia, điều này sẽ có thể dẫn đến xuất hiện sai số Chính vì vậy mà Luận án đã đề

cập đến “hiệu ứng màn chắn” với mục đích chia nhỏ bia thành nhiều lớp mỏng

Các tính toán thực hiện trên từng lớp bia mỏng sẽ phù hợp hơn với hiện tượng

thật của quá trình vật lý Các hiệu ứng chưa xét đến trên các lớp bia mỏng sẽ

gây nên sai số nhỏ có thể chấp nhận được.

Ngoài ra chương trình tính toán của luận án được xây dựng dựa trên cơ sở

dữ liệu của thư viện hạt nhân năng lượng cao JENDL Khi tính toán trên mỗi

lớp bia, ứng với từng năng lượng tới của proton, các số liệu hạt nhân như tiết

diện hiệu dụng (σ), hiệu suất phát neutron (y), phân bố góc của neutron sinh ra

(cosθ) đều có được từ thư viện hạt nhân JENDL-HE Vì vậy có thể nói mô hình

màn chắn là bước mở đầu của việc nghiên cứu tính toán bia cho ADS nhưng đã

thể hiện được một ý nghĩa vật lý logic và thông qua JENDL-HE kết quả thu

được của luận án có thể tin cậy

Trong mô hình màn chắn, luận án chia bia thành các lớp theo bước nhảy

năng lượng của thư viện JENDL và các giá trị của σ hiệu dụng được cung cấp

từ thư viện hạt nhân năng lượng cao JENDL:

3.2 Các bước tính toán

3.2.1 Năng lượng mất mát của chùm proton

3.2.1.1 Công thức Bethe Bloch

0

2 2

2 2 e ion

β β 1 I

β c 2m ln 4

e β

nz c m

4π dx

• ne: mật độ electron trong vật liệu bia

• me: khối lượng electron

• I: thế ion hóa môi trường

• e: điện tích electron (1,6 ×10-19 C )

• z: số điện tích của hạt tới, đối với proton z = 1

3.2.1.2 Năng lượng mất mát của proton trên bia 206Pb, 197Au, 238U, 184W

Hình 3.2 Độ mất năng lượng của proton trên các bia 206Pb, 197Au, 238U, 184W

Trang 29

3.2.2 Sự suy giảm của cường độ dòng proton

3.2.2.1 Công thức tính độ suy giảm của cường độ dòng proton

 N .dexp

N

Np  0   (3.2)

Np: cường độ dòng proton sau khi qua bề dày d của bia (hạt/s)

N0: cường độ dòng proton ban đầu (hạt/s)

N: mật độ hạt nhân trong bia (hạt/cm3)

: tiết diện hiệu dụng ứng với mỗi năng lượng tới của chùm proton (barn/MeV) d: bề dày bia (cm)

Tất cả các tính toán ở cả hai mô hình bia đồng nhất và mô hình màn chắn trên bia là nhằm phục vụ cho ADS, do đó cường độ dòng của máy gia tốc được sử dụng là 25 mA

3.2.2.2 Độ suy giảm của cường độ dòng proton trên các bia 206Pb, 238U,

186W, 197Au

H 3.3 Độ suy giảm của chùm

proton trong bia 206Pb, 238U, 197Au,

186W với Ep=0,5GeV, Ip=25 mA

H 3.6 Độ suy giảm của chùm proton

trong bia 206Pb, 238U, 197Au, 186W với

Trang 30

3.2.3.2 Số neutron sinh ra trên bia 238U, 197Au– So sánh với mô hình bia đồng nhất

Từ Hình 3.7 đến hình 3.10 là kết quả số neutron sinh ra tính cho hai mô hình bia đồng nhất và mô hình màn chắn trên bia 186W, 206Pb, 238U, 197Au với năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 3,0 GeV, cường độ dòng proton

từ máy gia tốc là 25 mA và bề dày bia tính theo quãng chạy trung bình của proton (d  R p) ứng với năng lượng proton bắn phá bia.

Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trong mô hình màn chắn không tăng nhiều nữa khi năng lượng bắn phá của proton lên đến cỡ khoảng 1,5 GeV.

Có thể giải thích điều này như sau: với năng lượng bắn phá đủ lớn (trên 1,5 GeV) proton sẽ tương tác trực tiếp với các proton và neutron của hạt nhân bia (gọi chung là các nuclon) xác xuất sinh ra các hạt sơ cấp µ, π, sẽ tăng lên Năng lượng tăng lên sẽ tiêu tốn trên các kênh này ngày càng chiếm ưu thế

p

R

Trang 31

Do đó số neutron sinh ra lúc này sẽ tăng lên rất chậm Vì vậy mà từ năng lượng bắn phá của proton là 1,5 GeV trở lên thì thấy số neutron không tăng nhiều nữa.

Khảo sát này cho thấy trong công nghệ ADS chỉ cần có các máy gia tốc proton với năng lượng từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV là đủ

Khi có tính đến hiệu ứng màn chắn, số neutron thu được ở mô hình màn chắn trên bia giảm đi so với mô hình bia đồng nhất một lượng rất đáng kể Ví

dụ đối với bia 206Pb độ sai khác về số neutron thu được giữa hai mô hình trung bình tính ở vùng năng lượng bắn phá của proton 0,5 GeV là khoảng 35,8% (số neutron thu được ở mô hình bia đồng nhất là 2,97.1018neutron/s và số neutron thu được ở mô hình màn chắn là 1,91.1018 neutron/s), ở bia 238U là khoảng 27,6% nhưng ở bia 186W và bia 197Au độ sai khác lên đến khoảng 39,8% và 40,3%

3.2.4 So sánh hiệu suất sinh neutron giữa mô hình bia đồng nhất – mô hình màn chắn trên bia với các công trình khác

Ở hình 3.11, khi áp dụng mô hình màn chắn trên bia, chúng tôi thu được hiệu suất sinh neutron tương đối gần với kết quả của nhóm nghiên cứu Sara T Mongelli và các cộng sự Từ kết quả so sánh này cũng có thể thấy mô hình màn chắn đã được cải thiện về độ chính xác tốt hơn so với mô hình bia đồng nhất

3.2.5 Sử dụng mô hình màn chắn trên bia tính số neutron sinh ra phân bố theo góc trên bia 206Pb, 238U, 235U, 186W, 197Au

a) Ep = 0,5 và 0,6 GeV

Xác định số neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n) theo phân bố góc trên các loại bia giúp ta nhận biết được phân bố không gian của neutron sinh ra

để sắp xếp nhiên liệu, thiết kế bia trong ADS tận dụng hết neutron sinh ra.

Số neutron sinh ra theo phân bố góc được tính với mô hình màn chắn và bề dày các bia được chọn bằng quãng chạy trung bình của proton trong từng loại bia đang xét ứng với năng lượng bắn phá bia của chùm proton tới là 0,5 và 0,6 GeV được biểu diễn trên hình 3.12 và 3.13

Hình 3.11 So sánh hiệu suất sinh neutron ở bia 208Pb từ phản ứng

hạt nhân (p,n) giữa mô hình bia đồng nhất, mô hình màn chắn và của Sara T Mongelli và cộng sự [39]

Trang 32

H.3.12 Số neutron sinh ra phân bố ở

Hình 3.12 cho thấy khi proton bắn phá có năng lượng 0,5 GeV, số neutron sinh ra ở góc 1800 trên bia 186W là nhiều nhất (0,65.1018 neutron/s) và số neutron sinh ra ít nhất ở góc 1800 là đối với bia 235U (0,31.1018 neutron/s).

Khi tăng năng lượng bắn phá của proton lên đến 0,6 GeV (hình 3.13), số lượng neutron thu được phân bố ở các góc cũng tăng lên Lúc này số neutron sinh ra ở góc 1800 cũng tăng lên và bia có số neutron sinh ra ở góc 1800 ít nhất cũng vẫn là bia 235U (0,46.1018 neutron/s) Xét ở các vùng năng lượng khác đều thấy có cùng quy luật.

b) Ep = 0,7 và 0,8 GeV

H 3.14. : Số neutron phân bố theo

góc, với Ep = 0,7 GeV ở mô hình màn

chắn

H 3.15 Số neutron phân bố theo

góc, với Ep = 0,8 GeV ở mô hình màn chắn

c) Ep = 1,0 và 1,5 GeV

p p p

R d

mA 25 I

GeV 6 , 0 E

R

p p p

R d

mA 25 I

GeV 7 , 0 E



p p p

R d

mA 25 I

GeV 8 , 0 E



Trang 33

H 3.16. : Số neutron phân bố theo

góc, với Ep = 1,0 GeV ở mô hình màn

chắn

H 3.17 Số neutron phân bố theo góc,

với Ep = 1,5 GeV ở mô hình màn chắn

Trong khảo sát này khi tính với mô hình màn chắn trên bia thì 235U cho số neutron sinh ra ở góc 1800 là ít nhất ở hầu hết trong vùng năng lượng quan tâm

từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV Tuy nhiên để chọn bia cho ADS còn phải xét rất nhiều yếu tố khác cũng như phải tính thêm các hiệu ứng khác nữa.

Bia được chọn cho số neutron sinh ra ít nhất ở góc 1800 trong vùng năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV được liệt kê trong bảng 3.3.

Bảng 3.3: Số neutron sinh ra phân bố ở góc 1800 (phía sau bia)

Với khảo sát của luận án thì sử dụng bia 235U làm bia cho ADS là tốt nhất trong hầu hết các vùng năng lượng từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV.

3.2.6 So sánh số neutron sinh ra được phân bố theo góc giữa mô hình bia đồng nhất và mô hình màn chắn trên bia

Phân bố không gian của neutron trong lò phản ứng ADS rất quan trọng Dựa vào phân bố này người ta có thể sắp xếp nhiên liệu để sử dụng nguồn neutron sinh ra cho thật hiệu quả và công suất của lò được nâng cao.

Ep(GeV) Bia Bề dày bia được chọn

p

R

Số neutron ít nhất sinh ra ở góc 1800 (hạt)

R d

mA 25 I

GeV 0 , 1 E



p p p

R d

mA 25 I

GeV 5 , 1 E



Trang 34

Bảng 3.4 trình bày kết quả đánh giá sự sai biệt theo phần trăm của số neutron sinh ra theo phân bố góc giữa mô hình bia đồng nhất và mô hình màn chắn trên bia khi năng lượng bắn phá bia của proton là 1,5 GeV, cường độ dòng hạt là 25 mA và bề dày bia được chọn bằng quãng chạy trung bình của proton trong các bia 238U, 235U, 206Pb, 186W, 197Au.

Bảng 3.4: Đánh giá sự sai biệt về số neutron sinh ra theo phân bố góc với

Ep= 1,5 GeV giữa hai mô hình đồng nhất và màn chắn (số neutron x1018)

3.3 Kết luận

- Mô hình màn chắn trên bia đã có cải thiện được độ chính xác trong việc tính

số neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n)

- Từ nghiên cứu có thể đưa ra một đề nghị chọn bia cho ADS như sau:

Trang 35

Bảng 3.6: Bảng so sánh một số các thông số cần thiết để lựa chọn bia:

Bia

Ep = 1,5 GeV

Số neutron sinh ra theo Ep(hạt/s)

Số neutron sinh ra

ở góc 1800 (hạt/s)

Nhiệt độ nóng chảy (0C)

Qua nghiên cứu này 238U là bia tốt nhất được đề nghị cho hệ thống ADS, bởi vì:

- Bia 238U cho số neutron sinh ra khá cao: 8,1.1018 neutron/s, nhiệt độ nóng chảy của urani là 11320C đủ để bia có thể chịu đựng được môi trường khắc nghiệt trong vùng hoạt, số neutron sinh ra ở vùng góc 1800 tương đối thấp khi so sánh với bia 186W Với cấu tạo của ADS, rất khó khăn để bố trí thêm những thanh phản xạ như đã đề nghị để tận dụng tất cả các “neutron bù” bay

ra phía sau bia, vì vậy nên chọn bia cho số hạt bay ra phía sau ít nhất.

- Bia 186W cho số neutron lớn: 7,3.1018 neutron/s, nhiệt độ nóng chảy rất cao

34000C nhưng số neutron sinh ra phía sau bia nhiều nhất (4,7.1018 neutron/s) trong ba loại bia đang xét.

- Bia 206Pb cho số neutron sinh ra ở vùng góc 1800 là thấp nhất (3,2.1018neutron/s), nhưng số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) không nhiều và nhiệt nóng chảy rất thấp 327,50C Tuy nhiên có thể chọn 206Pb làm bia cho ADS nhưng với một sự cải tiến như sau: sử dụng chì lỏng (lợi dụng tính chất nóng chảy thấp của chì) vừa làm bia sinh neutron vừa làm chất tải nhiệt cho ADS thực hiện quá trình đối lưu tự nhiên Với phương pháp này việc thay bia là không cần thiết nữa, giảm đi nhiều phức tạp cho hệ thống ADS.

KẾT LUẬN CHUNG

Hiện nay công nghệ năng lượng hạt nhân đang đứng trước những thách thức lớn Sau các sự cố ở Three Mile Island (Pennsylvania – 1979), Chernobyl (Ukraine – 1986) và đặc biệt sau thảm họa ở Fukushima (Nhật Bản – 2011), giới bảo vệ môi trường đã rất phản đối việc sử dụng nguồn năng lượng này Chính phủ ở nhiều nước đã buộc phải tuyên bố ngừng hoặc giảm dần việc sử dụng năng lượng hạt nhân Do đó các nhà nghiên cứu về công nghệ hạt nhân phải phát triển được công nghệ sao cho an toàn tuyệt đối để các sự cố vừa nêu ở trên không bao giờ xảy ra nữa.

ADS đang là một phương án có khả năng đáp ứng các đòi hỏi trên Việc nghiên cứu ADS nói chung và bia cho ADS nói riêng càng trở nên cấp thiết và quan trọng Trong Luận án này, chúng tôi mới chỉ đề cập đến phản ứng (p, n) trên một số loại bia trong vùng năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 ÷ 1,5 GeV

mà chưa nghiên cứu đến hình dạng và kích thước bia cũng như các hiệu ứng tán

xạ của proton khi đi qua bia (yếu tố này sẽ phụ thuộc vào hình dạng và kích thước bia), hiệu ứng bức xạ hãm, các phản ứng hạt nhân khác như (p, e), (p, µ),

p

R

d 

Trang 36

(p, π),….trong vùng năng lượng nói trên Đây sẽ là các hướng nghiên cứu sắp tới của nhóm Trong điều kiện hết sức khó khăn về nhiều mặt, Luận án đã thu được một số kết quả chính như sau:

1) Bằng các tính toán, Luận án đã thu được các số liệu về phản ứng hạt nhân

(p, n) trên các bia 238U, 235U, 208Pb, 207Pb, 208Pb, 204Pb, 186W, 184W, 182W, 180W,

197Au ở vùng năng lượng bắn phá từ 0,5 ÷ 1,5 GeV Số liệu này gồm:

- Phân bố năng lượng của neutron sinh ra trên các bia 238U, 235U, 208Pb, 207Pb,

208Pb, 204Pb, 186W, 184W, 182W, 180W, 197Au, 62Ni, 61Ni, 60Ni, 58Ni, 51V

- Phân bố góc của neutron thu được từ mô hình bia đồng nhất, tính trên các bia204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 180W, 182W, 184W, 186W, 235U, 235U, 197Au.

Đây có thể là tài liệu tham khảo cho những ai nghiên cứu về phản ứng (p, n), đặc biệt cho những nhà nghiên cứu và chế tạo bia cho ADS.

2) Luận án đã đưa ra mô hình màn chắn trên bia (screening effect model) và đã

thực hiện tính toán dựa vào mô hình này cho hàng loạt các bia 204Pb, 206Pb,

207Pb, 208Pb, 180W, 182W, 184W, 186W, 235U, 235U, 197Au trong vùng năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 ÷ 1,5 GeV, bộ số liệu này gồm có:

- Hiệu suất sinh neutron trên các bia 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 180W, 182W,

Đây chính là các đóng góp mới của Luận án.

* Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo

Như đã nói ở trên, nhiều vấn đề còn chưa được đặt ra trong Luận án như ảnh hưởng hình dạng của bia lên phản ứng (p, n), bia được chọn có dạng hình trụ với bề rộng chùm proton sinh ra từ máy gia tốc là r = 4 cm, chiều dài d của bia bằng quãng chạy tự do của proton trong vật liệu Đây là cách lựa chọn theo thông lệ tính toán phản ứng (p, n) cho ADS [38] Nhưng cách lựa chọn này tất nhiên không phải là duy nhất Việc tính toán phản ứng (p, n) cho các bia có hình dạng khác nhau, kích thước khác nhau chính là một hướng nghiên cứu cần được tiếp tục.

Ngoài ra hiểu được tính chất của neutron sinh ra trong các phản ứng (p, n) của ADS sẽ giúp chúng ta có thể giải quyết được bài toán hủy thải phóng xạ bằng ADS Đây cũng là bài toán quan trọng mà chúng tôi đang hướng tới.

Cuối cùng xin nói rằng nghiên cứu ADS là vấn đề thời sự trong khoa học,

là bài toán tổng hợp của nhiều ngành nghề từ Vật lý Hạt nhân đến Kỹ thuật Lò phản ứng, từ Chế tạo Vật liệu đến Truyền Tải nhiệt … Do đó chúng tôi rất muốn có sự hợp tác với các chuyên gia từ các Viện Nghiên cứu và Trường Đại học trong nước Nghiên cứu ADS cũng đòi hỏi phải có các hợp tác quốc tế để

có số liệu thực nghiệm và các phần mềm tính toán hiện đại Bên cạnh những cố

Trang 37

gắng của bản thân, chúng tôi mong mỏi các Cơ quan Nhà nước hỗ trợ cho nhóm nghiên cứu trong công việc này

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

1. Nguyen Thi Ai Thu, Nguyen Mong Giao, Huynh Thi Xuan Tham (2010) “Studying angular distribution of neutron for (p, n) reaction from 0.5 GeV to 1.5 GeV on some heavy targets 238U, 206Pb, 197Au, 186W”

- IAEA - ICTP- IC/2010/064-Trieste- Italy-2010, pp.1-12 ;

- International Symposium on Nuclear Symmetry Energy (NuSYM10) –

RIKEN Nishina Center, Japan, July 26-28, 2010

2. Nguyen Mong Giao, Le Thi Thanh Truc, Nguyen Thi Ai Thu (2010),

“Screening effect in (p, n) reactions on heavy element targets 206Pb, 238U,

184W, 197Au”, ICTP – IC/2010/057–Trieste- Italy-2010, pp.1-12.

3. Nguyen Thi Ai Thu, Nguyen Mong Giao, Chau Van Tao, Tran Thanh Dung (2010), “A study of neutron production in proton reactions with heavy targets”,

- The 8th National Conference on Nuclear Science and Technology, NhaTrang 20-22, November 2009.

- Nuclear Science and Technology-ISSN 1810-5408, No 2,(2009)

trang 42-49

- ICTP – IC/2010/056, - Trieste-Italy-2010, pp.1-7

4. Nguyen Thi Ai Thu (2010) “ Angular distribution of neutrons from (p, n) reactions on heavy element targets U, Pb, 186W

74

206 82

238

effect” Proceedings of Topical Conference on Nuclear Physics , High Energy and Astrophysics organized by Vietnam Physical Society, Vietnam Nuclear Society and Vietnam Astronomical Society at Hanoi University of Technology and Science, Hanoi 9-11, November 2010, pp.116-120.

5. Nguyen Mong Giao, Chau Van Tao, Tu Thanh Danh, Nguyen Thi Ai Thu (2008), “Ability to transmute long lived fission fragments of Accelerator Driven Systems”,

The 6th Scientific Conference, organized by University of Science –

VietNam National University Ho Chi Minh City , November 14th 2008.

6. Nguyen Mong Giao, Nguyen Lam Thu Trang, Nguyen Thi Ai Thu (2010), “The first step in studying the influence of gamma radiation on magnetic properties of CoFe2O4 nano-particles”,

IAEA - ICTP- IC/2010/065-Trieste-Italy-2010, pp1-6.

Trang 38

Chương 1 TỔNG QUAN1.1 Những nghiên cứu trên thế giới về phản ứng (p, n)

Tháng 11 năm 1958, phản ứng hạt nhân (p, n) được nghiên cứu bởi các tác giả G F Bogdanov, N.A Vlasov, S.P Kalinin, B.V Rybakov và V.A Sidorov [25] với phương pháp tính thời gian bay của neutron Mục tiêu của bài toán nghiên cứu

là tìm tiết diện neutron Phản ứng 6Li + p và 7Li + p được khảo sát ở năng lượng

9 MeV Năng lượng của phản ứng 6Li(p, n)6Be là 5,2 MeV; bề rộng mức của trạng thái cơ bản trong 6Be là Γ < 0,3 MeV và tiết diện được đo ở các góc 00, 150, 300,

600, 1200

Năm 1995, M.A Lone và P.Y Wong [53] đã công bố việc tính hiệu suất neutron cho phản ứng với bia chì gây ra ở năng lượng của proton từ 0,4 đến 2 GeV Tính toán được thực hiện với code LAHET/MCNP sử dụng mô hình Intranuclear-cascade-evaporation của Bertini [27] đã cho thấy thành công trong việc mô tả quy trình của phản ứng phát tán Độ lệch là 20% giữa hiệu suất neutron tính từ mô hình này so với hiệu suất neutron đo được trên bia chì ở mức năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 đến 1,5GeV

Tháng 7 năm 1995, trong nghiên cứu phát triển code phục vụ cho tính toán phản ứng hạt nhân, nhóm gồm các thành viên là Nobuaki Yoshizawa, Kenji Ishibashi, Hiroshi Takada [59] đã công bố trên tạp chí của Nuclear Science and Technology công trình phát triển code vận chuyển năng lượng cao HETC-3STEP có thể áp dụng cho việc nghiên cứu phản ứng hạt nhân với năng lượng bắn phá trên

20 MeV Phổ phát neutron gây ra bởi proton được tính bằng mô hình 3 bước: quy trình dòng thác, tiền cân bằng và bay hơi Với tính toán tiền cân bằng thì mô hình kích thích được chấp nhận Phép tính toán 3 bước cũng có thể áp dụng cho tính toán năng lượng tới cao hơn như trong tính toán 2 bước HECT – 3STEP tiên đoán chính xác phản ứng hạt nhân và tính toán vận chuyển hạt đồng thời code này cũng rất hữu ích cho mục đích phát triển hệ thống máy gia tốc trong dải năng lượng rộng

Trang 39

Năm 1997, Kenji Ishibashi và cộng sự [44] tính tiết diện vi phân kép từ phản ứng gây bởi proton năng lượng 0.8, 1.5, 3 GeV trên các bia C, Al, Fe, In, Pb bằng thực hiện thí nghiệm đo thời gian bay của neutron với quãng chạy 1 m và tiết diện đạt được với độ phân giải năng lượng tốt hơn 8% ở những vùng năng lượng của neutron dưới 100 MeV.

Cũng trong năm này, ở Pháp, S Menard và cộng sự [69] đã giới thiệu mô hình tính phân bố năng lượng và tính số neutron trong tương tác của proton năng lượng cao với bia dày Công thức dE/dx được đề nghị của Cugnon về sự mất mát năng lượng của proton trong vật chất và theo giả thiết này năng lượng bị tiêu hao trở thành nhiệt Mô hình đã cung cấp một sự hiểu biết vật lý của các code đối với phản ứng phát tán chuẩn

Năm 1999, X.Ledoux và cộng sự [88] đã báo cáo phép đo tiết diện vi phân đạt được ở dải góc rộng từ 00 đến 1600 với năng lượng chùm proton bắn phá là 0,8; 1,2; 1,6 GeV trên bia chì dày 2 cm Phổ năng lượng neutron được đo bởi kết hợp hai

kỹ thuật thực nghiệm được mô tả chi tiết trong công trình [20], [22] Những kết quả được so sánh với các tính toán thực hiện với code vận chuyển năng lượng cao gồm hai mô hình khác nhau: mô hình INC Cugnon (IntraNuclear Cascade Cugnon) [40], [41] so với thực nghiệm cho một sự phù hợp tốt hơn mô hình INC Bertini (IntraNuclear Bertini) [30] Nguyên nhân chính là do tiết diện nucleon-nucleon được cải thiện và có sự xử lý hiệu ứng ngăn chặn Pauli

Năm 2001, từ báo cáo hằng năm của CYRIC (Cyclotron and Radioisotope Center, Tohoku University) nhóm tác giả Kumagai K., Oribara H., Kikuchi Y., [58]

đã công bố công trình “Phản ứng 6 Li (p, n) 6 Be tại Ep = 70 MeV” với mục đích từ

việc khảo sát phân bố góc, tìm và phân tích các trạng thái xác định của hạt nhân còn lại

Cũng theo CYRIC Annual Report 2001, Kikuchi Y và cộng sự [45] đã báo

cáo “Phản ứng 12 C(p, n) 12 N ở E p =70 MeV: Khả năng tin cậy vào kết quả đạt được

từ sự phân tích DWBA của dữ liệu phản ứng (p, n) ở 70 MeV” Nghiên cứu này đã

Trang 40

tính tiết diện vi phân của neutron từ đó dẫn đến xác định các trạng thái của hạt nhân

12N

Cũng trong tháng 8 năm 2002, một nghiên cứu phục vụ y học của nhóm

Thomas N Massey và cộng sự [83] đã được công bố Một hệ thống thiết bị được

phát triển để đo phổ năng lượng của neutron dưới 1 MeV Việc sử dụng phổ neutron

được hiệu chỉnh cho phép đo phổ neutron từ 0,07 đến 14 MeV Phân bố góc và phổ

năng lượng neutron được tính từ phản ứng Be(d, n) và Be(p, n) Phản ứng Be(p, n)

được nghiên cứu phục vụ cho y học Sử dụng phương pháp này để sản xuất neutron

năng lượng dưới 200 keV cho liệu pháp bắt neutron của Boron (BNCT – Boron

Neutron Capture Therapy) [43], [67] Phép đo phổ của phản ứng Be(p,n) sử dụng

cùng phương pháp thực nghiệm đã được công bố trong công trình [87]

Năm 2002, nhóm tác giả U Jahnke, M Enke, D Filges, J Galin [84] ở Đức

đã làm thực nghiệm khảo sát nguồn neutron sinh ra từ chùm proton năng lượng từ

0,4 đến 2,5 GeV trên các khối bia dày như Pb, Hg và W Kết quả hiệu suất neutron

thu được từ thí nghiệm là 21 neutron/proton đối với bia Pb và Hg và

23 neutron/proton đối với bia W khi bắn phá với chùm proton năng lượng 1 GeV

Kết quả này rất phù hợp với các thực nghiệm khác Đồng thời khi so sánh với mô

hình tính toán của A Letourneau và cộng sự [3], với D Filges và cộng sự [17] thì

thấy có sự phù hợp tốt

Và cũng trong năm này, V Henzl và nhóm cộng tác [86] đã cho ra đời công

trình chuyển đổi 129I bằng neutron năng lượng cao tạo ra từ phản ứng gây bởi proton

với bia kim loại nặng Một nghiên cứu về hiệu suất của những đồng vị iod sống

ngắn được tạo ra từ sự chuyển đổi của những đồng vị iod sống dài có trong thải

phóng xạ của lò phản ứng hạt nhân Sự chuyển đổi được gây ra bởi neutron năng

lượng cao từ bia chì với chùm proton năng lượng 1,3 và 2,5 GeV Hiệu suất được

xác định bởi việc phân tích phổ gamma của các đồng vị được tạo ra Sự phân bố

không gian của neutron năng lượng cao xung quanh bia được xác định bằng phương

pháp kích hoạt Tất cả những kết quả thực nghiệm được so sánh với phương pháp

mô phỏng Monte Carlo từ code LAHET [68]

Định dạng
Số trang	132
Dung lượng	2,29 MB

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

Số neutron sinh ra trên bia 238U