Lò phản ứng thử nghiệm

Điều này có thể đạt được chỉ với nguyên tố nhiên liệu được gom lại, với lò phản ứng mà phổ neutron bao gồm chủ yếu neutron ở trạng thái cân bằng nhiệt với vật liệu lò phản ứng và chất là

KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN

-*** -

Đề tài:

GVHD: PGS.TS CHÂU VĂN TẠO GVHD: Prof SHIRAI

SVTH: NGUYỄN THỊ HỒNG CÚC

…………

TP HỒ CHÍ MINH-2010

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tại Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân, ngoài sự giảng dạy của quý Thầy

Cô trong Bộ Môn em còn được Bộ Môn tạo cơ hội cho em được học tập cùng với các giáo sư nước ngoài như Thầy Cherry, Thầy Ihatashi và Thầy E.shirai Những lần học này đã giúp em mở rộng thêm kiến thức rất nhiều Em xin chân thành cám ơn các Thầy

Cô rất nhiều!

MỤC LỤC

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 3

I Giới thiệu 4

II Các vấn đề cơ bản 5

2.1 Điều kiện tới hạn 5

2.2 Động lực học lò phản ứng 6

2.3 Tốc độ sinh nhiệt 6

III Thí nghiệm toàn bộ 7

3.1 Tốc độ phản ứng 7

3.2 Phổ neutron 9

3.3 Lò rỉ neutron 11

3.4 Những thí nghiệm tới hạn 11

3.5 Đo sự xáo trộn của lò 12

3.6 Thực nghiệm nguồn xung 12

IV Sự tương quan điển hình 13

Tài liệu tham khảo 16

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 3.1.1: Tốc độ phản ứng được quan sát trong 239Pu và 235U tương ứng với 10

Bo 8

Hình 3.1.2: Cấu trúc tinh tế của phân bố thông lượng điển hình……… 9

Hình 3.2.1: Phổ neutron điển hình……….10

Hình 4.1: Sự suy biến của 00 và (∫ ) ………14

Hình 4.2: Sự suy biến bề mặt thể loại chất……….15

LÒ PHẢN ỨNG THỬ NGHIỆM

Việc thiết kế, xây dựng và hoạt động thành công của lò phản ứng hạt nhân đòi hỏi phải biết rõ các thông tin chi tiết liên quan đến tương tác giữa các bức xạ khác nhau với vật chất Theo nguyên lý, điều này có thể đạt được từ kiến thức về nguyên tử cơ bản và các đặc tính của hạt nhân kết hợp với phân tích toán học Thực tế, ta còn cần phải biết các các tính toán tích phân Các thí nghiệm này đo lường sự kết hợp của các nguyênt tử cơ bản khác nhau và các đặc trưng của hạt nhân và sự đoán các phân tích toán học

Thông tin chi tiết yêu cầu là đo khác nhau toàn bộ và được thảo luận với những dữ liệu liên quan cộng với các mô hình toán học khác nhau

I GIỚI THIỆU:

Lò phản ứng đầu tiên đã hoạt động với uranium tự nhiên như vật liệu phân hạch Kết quả mục đích ban đầu của việc nghiên cứu vật lý của lò phản ứng đầu tiên là đảm bảo rằng một lò phản ứng có thế đạt đến trạng thái tới hạn và có thể hoạt động như một máy phát nhiệt Điều này có thể đạt được chỉ với nguyên tố nhiên liệu được gom lại, với lò phản ứng mà phổ neutron bao gồm chủ yếu neutron ở trạng thái cân bằng nhiệt với vật liệu lò phản ứng và chất làm chậm thích hợp như nước nặng hoặc graphit tinh khiết

Sự phát triển của nền công nghiệp lò phản ứng hạt nhân đòi hỏi lò phản ứng nên được thiết kế với những mục đích riêng khác nhau Ví dụ như sản xuất điện năng, chế tạo vật liệu phân hạch, đồng vị phóng xạ, hoặc neutron có cuờng độ cao Ngoài ra, còn có nhiều lựa chọn khác cho việc thiết kế lò phản ứng Mục đích của việc chế tạo nhiên liệu phân hạch như U235, U233, Pu239, và Pu241 làm cho việc thiết kế lò phản ứng đạt được nhiều hệ thống tới hạn khác nhau Ta phải đánh giá những ảnh hưởng của các vật

liệu xây dựng và làm lạnh khác nhau, các phổ neutron khác nhau, độ phân tán của nguyên tố làm nhiên liệu và việc sử dụng thorium như một nguyên liệu làm giàu

Việc thiết kế lò phản ứng tốt nhất cho mục đích cụ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố Nó phụ thuộc vào chương trình nghiên cứu vật lý lò phản ứng để cung cấp các dữ liệu vật

lý cho việc thiết kế

II CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN:

Có ba vấn đề cơ bản mà cần phải giải quyết để cung cấp cho các nhà thiết kế với các thông tin cần thiết Điều kiện để lò phản ứng tới hạn phải được đánh giá căn cứ vào thành phần và kích thước của lò, của nồng độ và cách sắp xếp các vật liệu trong lò, của nhiệt độ và công suất tại nơi mà lò phản ứng hoạt động; tất cả các điều này ảnh hưởng trong thời gian dài bởi vì sự thay đổi của loại vật liệu xuất phát từ việc bắt neutron Các đặc điềm động học của lò phản ứng và tỉ lệ sản xuất nhiệt tại tất cả các điểm trong lò phải được xem như hàm của tất cả các biến

2.1 Điều kiện tới hạn:

Điều kiện tới hạn được miêu tả bởi phương trình liên tục:

Số neutron sinh ra = số neutron hấp thụ - số neutron bị rò rỉ

Để giải phương trình này đòi hỏi phải có các dữ liệu hạt nhân cơ bản; tiết diện neutron

và số neutron sinh ra như một hàm của năng lượng cho những quá trình quan trọng Theo nguyên lý, khi ta hiểu biết tốt về tất cả các số liệu liên quan có thể làm phân bố neutron trong không gian và năng lượng để được tính toán với nhau với số neutron sinh

ra, hấp thụ và rò rỉ đối với bất cứ lò phản ứng nào Tính toán như vậy sẽ là số và cần phải có thiết bị máy tính điện tử Thực tế, các dữ liệu hoàn hảo như vậy cũng vừa chưa sẵn sàng vừa các thực nghiệm đo lường các dữ liệu hạt nhân cơ bản không chính xác với mục đích này Ví dụ, sai số 2% của số neutron sinh ra trên số neutron hấp thụ trong

U235 dẫn đến sai số của kích thước tới hạn lò phản ứng có nhiên liệu là uranium tự nhiên điển hình, chất làm chậm là graphit

Do đó, phương pháp đã chọn là để sử dụng các dữ liệu hạt nhân cơ bản đã sẵn sàng kết hợp với một số mô hình toán học đơn giản của tính chất của neutron trong lò phản ứng

và tương quan với các dự đoán từ tính chất này với các thực nghiệm bên trong Các thí nghiệm bên trong đo lường sự kết hợp của dữ liệu hạt nhân với các dự đoán từ các mô hình toán học là xác định trạng thái tới hạn được thỏa mãn

Việc xử lý các số liệu hạt nhân mà ta không biết trong mối tương quan này và để xác định các giá trị phù hợp với các kết quả thực nghiệm là việc làm thông thường Một phương pháp tính toán giả thực nghiệm được sử dụng nếu nó phù hợp với các thực nghiệm và độ tin cậy thích hợp có thể tăng thêm điều này nếu các dữ liệu hạt nhân phù hợp với các đo lường bên trong khác và các đo lường cơ bản

2.2 Động học lò phản ứng:

Động học lò phản ứng liên quan đến cường độ và phân bố neutron xảy ra khi điều kiện tới hạn không thỏa Về nguyên tắc thì vấn để được giải quyết miển là các dữ liệu cơ bản đầy đủ và thiết bị máy tính sẵn có nhưng trong thực tế cần phải có các thí nghiệm bên trong Thực nghiệm như vậy là sự theo dõi tốc độ gia tăng hay giảm của cường độ neutron trong lò phản ứng tới hạn năng lượng thấp theo sự giảm đi hay tăng thêm vật liệu hấp thụ neutron Một thực nghiệm phức tạp hơn cùng loại có thể bao gồm ảnh hưởng của thay đổi công suất và nhiệt độ theo sự thay đổi điều kiện làm lạnh như trong trường hợp thực nghiệm BORAX đã tiến hành tại U.S.A.E.C Lò thử nghiệm tại Arco

ở Idaho

2.3 Tốc độ sinh nhiệt:

Cần phải xác định sự phân bố của tốc độ sinh nhiệt trong lò phản ứng để mà cài đặt một mạch tiêu hao nhiệt độ đầy đủ Lượng nhiệt được tạo ra như kết quả của sự trao đổi của năng lượng giữa các bức xạ và các hạt năng lượng khác nhau trong lò phản ứng

và vật liệu trong lò Vì vậy, ta phải biết sự phân bố, nguồn gốc và sự hủy diệt của bức

xạ và các hạt như vậy Vấn đề này đặc biệt quan trọng nếu nhiệt độ của vật liệu lò phản

ứng phải được giới hạn và ví dụ cho điều này là sản sinh nhiệt lượng trong vành phản

xạ và che chắn Đối với lò phản ứng sản xuất năng lượng thì sự phân bố nhiệt lượng tạo ra trong lõi lò là quan trọng bởi vì điều này sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ nhiệt độ làm lạnh và cuối cùng là ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt lượng và hình thành tuabin Một lần nữa, ta cần đo lường tích phân trong buồng vật liệu thích hợp Đối với lõi lò, nguồn tạo ra nhiệt lượng chính là do các mảnh phân hạch từ nguyên tố nhiên liệu và do

đó sự phân bố phân hạch là có giá trị nhất Tuy nhiên, trong vành phản xạ và che chắn,

sự phân bố thích hợp gia tăng từ bức xạ gamma và khi nguồn gamma do bắt neutron thì vấn đề này phức tạp hơn

III THÍ NGHIỆM TOÀN BỘ:

3.1 Tốc độ phản ứng:

Ta có thể đo lường trực tiếp từ buồng lò phản ứng tốc độ phản ứng tương đối đối với bất cứ vật liệu nào mà tạo ra các sản phẩm có thể phát hiện Nếu ta biết rằng quá trình này giải thích cho toàn bộ tiết diện hấp thụ neutron và nếu một việc đo lường như vậy

là có thể thực thi với vật liệu lò phản ứng, sau đó tốc độ hấp thụ neutron tương đối có thể tính được để chèn vào phương trình điều kiện tới hạn Thực tế, hấp thụ neutron trong vật liệu với tiết diện hấp thụ 1/v có thể được đo lường bằng cách sử dụng những tấm hoặc máy đếm boron, phân hạch neutron có thể đo lường được với buồngphân hạch hoặc bằng phát hiện các sản phẩm phân hạch tứ các tấm, hấp thụ neutron trong

238

U có thể được đo lường bằng cách dò tìm 239U phân rã  với chu kì bán hủy là 23 phút hoặc dò tìm tia X 100keV từ 239Np Nói chung thì kỹ thuật tấm thì khó áp dụng nhưng chúng có một vài hiệu ứng nhiễu trong lò phản ứng

Ví dụ của loại này của thực nghiệm toàn bộ được biểu diễn trong hình 3.1.1 và hình 3.1.2 Hình 3.1.1 so với tốc độ phản ứng được quan sát trong 239Pu và 235U tương ứng với 10Bo, và tốc độ phản ứng mong muốn tính từ các dữ liệu tiết diện giả định rằng phổ neutron tuân theo phân bố Maxwell Các đo lường được làm đối với phân bố neutron

nhiệt trong khối graphit có nhiệt độ 400oC Hình 3.1.2 biểu diễn tốc độ phản ứng tương đối theo quy luật 1/v như một hàm của vị trí gần với nguyên tố nhiên liệu trung tâm trong buồng nhiên liệu lò phản ứng Điều này được gọi là cấu trúc tinh tế của phân bố thông lượng mà do tính không đồng nhất của lò phản ứng

Hình 3.1.1: Tốc độ phản ứng được quan sát trong 239Pu và 235U tương ứng với 10Bo

Hình 3.1.2: Cấu trúc tinh tế của phân bố thông lượng điển hình

Đối với thông lượng neutron đủ lớn như công suất lò phản ứng, ta có thể đo lường tốc

độ phản ứng bằng phân tích máy đo phổ hóa học hoặc máy đo phổ khối của vật liệu chiếu xạ Ví dụ, phân tích hóa học của uranium tự nhiên bị chiếu xạ sẽ xác định nồng

độ plutonium tương đối và phân bố của nó trong mẫu Phân tích máy đo phổ khối sẽ xác định hàm lượng tương đối của các đồng vị uranium và plutonium khác nhau Từ những kết quả này, ta có thể xây dựng tốc độ phản ứng trong quá trình chiếu xạ

3.2 Phổ neutron:

Tốc độ phản ứng bằng tích phân của tiết diện phản ứng và thông lượng neutron lấy trên toàn bộ không gian và năng lượng Nếu ta biết phổ neutron thì mối tương quan với lý thuyết sẽ cụ thể hơn Các đo lường gián tiếp có thể thực hiện được bằng cách sử dụng các loại detector khác nhau và quan sát tốc độ phản ứng Các đo lường trực tiếp thì tốt hơn, ít nhất trong một vài trường hợp được kiểm tra

Phổ neutron có thể xác định được bằng cách sử dụng kỹ thuật bộ chọn lọc vận tốc chuẩn để các chùm neutron được trích ra từ lò phản ứng cơ bản Một kĩ thuật khác là sử

dụng nguồn neutron từ xung thay vì nguồn neutron của lò để tránh cường độ neutron trung bình cao kết hợp với lần sau Không hay là kĩ thuật này chỉ thích hợp cho những phần của phổ neutron gần nhiệt hay neutron nhiệt và chỉ thích hợp cho những nhóm neutron phân hạch ngày càng ít hơn

Một kết quả điển hình thể hiện sự khác nhau giữa phổ neutron trong nguyên tố nhiên liệu và trong máy điều tiết nhiệt được thể hiện ở hình 3.2.1

Hình 3.2.1: Phổ neutron điển hình

Phổ neutron trong nhiên liệu  Phổ neutron trong máy điều tiết nhiệt

3.3 Lò rỉ neutron:

Sự lò rỉ neutron có thể được xác định bằng nhiều cách Hệ thống là một trong những nơi quan trọng nhất mà neutron bị lò rỉ Ví dụ, sự lò rỉ có liên quan đến tâm phản ứng, lõi cộng với lớp phủ, lõi cộng với vành phản xạ hoặc lõi cộng với vành phản xạ và lớp che chắn Liên quan đến sự giảm neutron là sự hấp thụ và sự lò rỉ, tùy thuộc vào quá trình nào đã xảy ra

Vì thế quá trình nghiên cứu xung quanh tốc độ phản ứng thì bất cứ hệ thống nào cũng phải xác định cho được sự lò rỉ neutron Thông thường quá trình này hiếm khi được tiến hành nếu như hệ thống không quá nhỏ

3.4 Những thí nghiệm tới hạn:

Một thí nghiệm điển hình là lắp ráp một lò phản ứng cơ bản mà trong đó các thông số

có thể thay đổi cho đến khi đạt được giá trị cần thiết

Mô hình thông thường là tăng kích thước của lõi phản ứng Trong các số hạng của phương trình liên tục đã được nói đến trước đó và xác định lõi phản ứng như là khảo sát hệ thống, quá trình này tương đương với sự lò rỉ neutron giảm cho đến khi điều kiện tới hạn được thỏa mãn Giải thích rõ điều kiện tới hạn được tìm thấy ở trong các số hạng của những mẫu toán học thì yêu cầu sự phân bố neutron theo vị trí và năng lượng phải được theo dõi chi tiết

Nó có thể có khả năng xác định các thông số liên quan tới sự tới hạn từ những thí nghiệm siêu tới hạn Một mô hình toán học điển hình là mô hình nhóm nhỏ, dẫn đầu là trạng thái mà neutron bị phân tán và trong một lò phản ứng thuần khiết sẽ không phụ thuộc vào năng lượng tại khoảng cách đều từ biên và sẽ thoản mản phương trình khác

Nếu như hệ thống đủ lớn thì B2 sẽ xác định kích thước tới hạn, điều kiện biên ứng dụng cho một hệ thống mà không có neutron vào từ bên ngoài Trong hệ thống siêu tới hạn

sự phân bố của một neutron có thể là do neutron từ nguồn neutron bên ngoài Sự phân

bố neutron được theo dõi liên quan đến số hạng B2 và có thể đạt đến nếu áp dụng điều kiện biên thích hợp Lắp ráp hệ đo trong lò phản ứng phụ-tới hạn thì được gọi là những thí nghiệm hàm mũ và chúng thì được ứng dụng với vai trò lớn trong chương trình nghiên cứu lò phản ứng vật lý

3.5 Đo sự xáo trộn của lò phản ứng:

Ảnh hưởng đến khả năng phản ứng nói ở trên là chất được thêm vào hay lấy ra từ việc lắp đặt năng lượng tới hạn thấp Đó là những thực nghiệm nhạy toàn bộ mà chỉ có đối với mẫu nhỏ của chất Sự hấp thụ một neutron với tiết diện hấp thụ cao thì ảnh hưởng đến việc theo dõi đo sự hấp thụ cơ bản neutron

Nhìn chung những ảnh hưởng đó có thể giảm bớt đối với phổ neutron tán xạ và sự tạo mẫu cũng quan trọng Trong trường hợp chất phân hạch những ảnh hưởng đã được xét

sẽ được giảm bởi các neutron bắt được

3.6 Thực nghiệm nguồn xung:

Trong thời gian ngắn vừa qua việc sử dụng nguồn neutron xung trong việc xác định phổ của lò phản ứng đã được thực hiện nhưng cũng có những sự đo lường bằng cách khác được thực hiện Kĩ thuật này khác với những gì đã được đề cập đến trước đó, thay

vì chú ý đến sự phân bố của neutron trong không gian ở trạng thái bền thì lần này sự phân bố neutron được quan sát trong trạng thái không bền Các thông số tương tự có thể được theo dõi và xét để đạt được với việc đo vùng khuếch tán, vùng giảm và sự truyền nhiệt từ vùng tự do trong môi trường không tái lặp Mẫu này được ứng dụng để lắp ráp lò phản ứng phụ-tới hạn

IV SỰ TƯƠNG QUAN ĐIỂN HÌNH:

Một ví dụ đặc biệt liên quan giữa sự đo lường toàn bộ và mẫu toán học thì thành lập phương pháp tính cho tấm uranium thiên nhiên có graphite năng lượng thấp vừa phải Toàn bộ thực nghiệm với lò phản ứng lắp ráp có thể Dự đoán sự thay đổi có thể xảy ra sau khi chiếu trong một thời gian dài của Uranium thiên nhiên Trong trường hợp này

sử dụng lò lắp ráp thuận tiện hơn cho chất phóng xạ cao, tuy nhiên những thí nghiệm này thường xáo trộn

 Mảnh than chì uranium thiên nhiên

 Mẫu toán học:

Hai phương trình tới hạn chuẩn là:

Lượng neutron từ U235 và U238, , thì phụ thuộc chủ yếu vào hình dáng và kích thước của nguyên tố nhiên liệu Một phần nhỏ neutron nhanh được bắt trong U238 cộng

hưởng, 1-p, được bắt thêm vào trong bởi sự biến đổi 1/v của tiết diện hấp thụ U238

Thừa số p này phụ thuộc cơ bản vào tỷ số nguyên tử trung gian U238 và ảnh hưởng toàn

bộ cộng hưởng uranium, sau đó là phụ thuộc vào hình dáng, kích thước của nguyên tố nhiên liệu Xác suất bắt neutron trong U235, U238 chiếm để hấp thụ 1/v là f L2 và là hai vùng đặc tính, vùng khếch tán và vùng giảm tách biệt, những này phụ thuộc chủ yếu vào vùng khếch tán và liên quan đến bắt neutron trong môi trường trung gian và vùng giảm trong môi trường trung gian tách biệt B2 là thừa số hình học cho tới hạn Tham số trong phương trình khác là:

 Hình 4.1 thể hiện khả năng làm khớp đạt được cho 3 nguyên tố nhiên liệu và hình 4.2 thể hiện giá trị cộng hưởng toàn phần uranium được diễn đạt trong công thức: