Tìm hiểu một số đặc trưng của nhiên liệu hạt nhân và xác định độ giàu bằng phương pháp gamma

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------ ĐẶNG ĐÌNH NGỌC TÌM HIỂU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ GIÀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP GAMMA LUẬN VĂN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -

ĐẶNG ĐÌNH NGỌC

TÌM HIỂU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ GIÀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP

GAMMA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -

ĐẶNG ĐÌNH NGỌC

TÌM HIỂU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ GIÀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP

GAMMA

Chuyên ngành : Vật lý nguyên tử

Mã số : 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bùi Văn Loát

Hà Nội - 2016

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS.Bùi Văn Loát là người hướng dẫn khoa học đã giúp đỡ, chỉ bảo tận tình cho em trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo tại Bộ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Phòng Sau đại học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và thực hiện bản luận văn

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình và bạn bè đã thường xuyên động viên, khuyến khích và dành mọi điều kiện có thể được để em hoàn thành luận văn này

Hà nội, ngày 11 tháng 12 năm 2015

Học viên

Đặng Đình Ngọc

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TÊN VIẾT TẮT 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN 9

1.1 Một số đặc trưng cơ bản của Urani 9 1.2 Nhiên liệu Urani Error! Bookmark not defined 1.3 Đặc điểm thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhân Error! Bookmark not

defined

1.3.2 Đặc trưng bức xạ đối với thanh nhiên liệu Error! Bookmark not

defined

b Sự thay đổi cấu trúc viên gốm nhiên liệu Error! Bookmark not defined.

c Quá trình mỏi và rão hóa vật liệu Error! Bookmark not defined.

1.4.Các phương pháp phân tích nhiên liệu hạt nhân Urani Error! Bookmark

not defined

1.4.1 Phương pháp phân tích phá hủy mẫu Error! Bookmark not defined 1.4.2 Phương pháp phân tích không phá hủy mẫu (NDA) Error! Bookmark

not defined.

c Phương pháp phổ kế gamma và kỹ thuật chuẩn trong Error! Bookmark not

defined.

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG URANI Error! Bookmark not defined.

2.1 Phổ kế gamma bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết Error! Bookmark not

defined

2.1.1 Hệ phổ kế gamma bán dẫn Error! Bookmark not defined 2.1.2 Phân tích phổ gamma Error! Bookmark not defined.

2.2 Phương pháp xác định hàm lượng urani sử dụng phổ kế gamma Error!

Bookmark not defined

2.2.1 Cơ sở của phương pháp phổ gamma Error! Bookmark not defined 2.2.2 Mối liên hệ giữa tỉ số khối lượng và tỉ số hoạt độ Error! Bookmark not

defined.

2.2.3 Các vạch phổ dùng để xác định tỷ số hoạt độ các đồng vị Urani Error!

Bookmark not defined.

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ Error! Bookmark not defined.

3.1 Đo phổ gamma của các mẫu nhiên liệu hạt nhân được làm giàu thấp Error! Bookmark not defined 3.3 Đánh giá sai số và kết quả thực nghiệm Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 10

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TÊN VIẾT TẮT

HPGe - High purity Gemanium detector- Đầu dò bán dẫn gecmani siêu tinh khiết BEGe - Broad Energy Germaniumdetector - Đầu dò bán dẫn gecmani siêu tinh khiết dải rộng

FWHM - Full Width at Half Maximum, độ rộng nửa chiều cao của đỉnh, còn gọi là

độ phân giải năng lượng

EU – Enriched Uranium, Urani đã được làm giàu

DU – Depleted Uranium, Urani nghèo

Iγ - Gamma ray intensity, cường độ bức xạ tia gamma, còn được gọi là xác suất

phát xạ

ICPMS - Inductively coupled plasma mass spectrometry, khối phổ kế cảm ứng

Plasma

NDA – Non Destructive Analysis, phân tích không phá hủy mẫu

ADC – Analog to Digital Converter, bộ biến đổi tương tự số

MCA – Multichannel Analyzer, phân tích biên độ nhiều kênh

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Chuỗi phân rã 238 U - 206 Pb

Hình 1.2: Chuỗi phân rã 235 U - 207 Pb

Hình 1.3: Thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ- Châu Âu

Hình 1.4: Bóthanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ- Châu Âu

Hình 1.5: Thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000

Hình 1.6: Các khuyết tật trong mạng lưới làm thay đổi tích chất vật liệu

Hình 1.7: Phân bố nhiệt độ giữa nhiên liệu và chất làm mát phụ thuộc công suất

nhiệt tuyến tính

Hình 1.8: Sự thay đổi vi cấu trúc nhiên liệu UO 2 phụ thuộc nhiệt độ và độ cháy nhiên liệu

Hình 1.9: Sự biến đổi hình dạng viên gốm và vỏ thanh nhiên liệu trong lò phản

ứng

Hình 1.10: Ảnh hưởng của nhiên liệu tới vỏ bọc tại các giai đoạn khác nhau trong

lò phản ứng VVER

Hình 1.11: Thanh và bó thanh nhiên liệu có thể bị cong vênh trong lò phản ứng Hình 2.1.Hệ phổ kế gamma BEGE tại Bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý

Hình 2.2 Detetor bán dẫn HPGe model GLP-10180/07 (ORTEC) tinh thể mỏng tại

Viện Đồng vị phóng xạ Hungari

Hình 3.1: Phổ gamma mẫu U0.7 với thời gian đo 171650,5 giây

Hình 3.2: Phổ gamma mẫu U4.46 với thời gian đo 74281,64 giây

Hình 3.3:Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của hàm f(E) vào năng lượng của các tia

gamma đặc trưng phát ra từ đồng vị U235 của nguồn U0.7

Hình 3.4: Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của hàm f(E) vào năng lượng của các tia

gamma đặc trưng phát ra từ đồng vị U235 của nguồn U.4

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Chuỗi phân rã 238 U - 206 Pb

Bảng 1.2: Chuỗi phân rã 235 U- 207 Pb

Bảng 2.1: Các vạch phổ được có thể sử dụng để xác định tỉ lệ hoạt độ

Bảng 3.1 Bảng số liệu kết quả xử lý đối với mẫu U0.7 thời gian đo 171650,5 giây Bảng 3.2.Bảng số liệu kết quả xử lý đối với mẫu U4.46 thời gian đo 74281,46 giây Bảng 3.3.Bảng kết quả xác định hàm lượng Urani trong mẫu U0.7

Bảng 3.4.Bảng kết quả xác định hàm lượng Urani trong mẫu U.4

MỞ ĐẦU

Công nghiệp năng lượng nói chung và năng lượng hạt nhân nói riêng có vai trò quan trọng trong sự phát triển của các quốc gia Đối với Việt Nam việc phát triển năng lượng trong giai đoạn hiện nay được ưu tiên hàng đầu, do sự cạn kiện dần các nguồn năng lượng truyền thống như nhiệt điện, thủy điện, năng lượng hạt nhân trở thành giải pháp lựa chọn phù hợp hơn cả

Urani là một loại nhiên liệu quan trọng trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân.Các thông tin đầy đủ về loại vật liệu này luôn thực sự cần thiết Các số liệu về thành phần, hàm lượng các đồng vị, các tạp chất hóa học, tuổi nhiên liệu, có ý nghĩa quan trọng trong quá trình sử dụng cũng như công tác quản lý, an ninh, an toàn hạt nhân Dựa trên đặc tính phân rã tự nhiên của các đồng vị trong chuỗi urani, hàm lượng của vật liệu urani

có thể xác định thông qua việc đo tỷ số hoạt độ của các đồng vị phóng xạ này

Để xác định các đặc trưng của nhiên liệu urani, có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng như phân tích phá hủy mẫu, thường sử dụng các khối phổ kế hấp thụ nguyên tử, khối phổ kế cảm ứng plasma (ICP-MS), phổ kế anpha, và phương pháp không phá hủy mẫu (NDA) chủ yếu sử dụng phổ kế gamma độ phân giải năng lượng cao Mỗi phương pháp trên đều có những lợi thế và mặt hạn chế riêng, bổ sung lẫn nhau Tùy thuộc vào mục đích và điều kiện nghiên cứu và đặc điểm của từng loại

Phương pháp xác định các đặc trưng của vật liệu hạt nhân sử dụng phổ kế gamma bán dẫn được ứng dụng phổ biến, với ưu điểm không cần phá mẫu, quy trình thực nghiệm không quá phức tạp, tuy nhiên đòi hỏi kỹ năng phân tích xử lý số liệu khá phức tạp và tinh tế

Luận văn với đề tài: “Xác định một số đặc trưng của nhiên liệu hạt nhân và xác

định độ giàu bằng phương pháp gamma” Trình bày một số nội dung cơ bản về nhiên

liệu hạt nhân urani, các phương pháp phân tích hàm lượng urani, tập trung nghiên cứu phương pháp phân tích urani sử dụng phổ kế gamma

Về bố cục, ngoài các phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận văn được chia thành 3 chương sau:

Chương 1: Tổng quan về các đặc trưng cơ bản của nhiên liệu hạt nhân

Chương 2: Phương pháp xác định hàm lượngUrani sử dụng phổ kế gamma

Chương 3: Thực nghiệm và kết quả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA NHIÊN LIỆU

HẠT NHÂN 1.1 Một số đặc trưng cơ bản của Urani

Dựa trên cơ sở sử dụng năng lượng được giải phóng sau phản ứng phân hạch của một số đồng vị nặng, qua quá trình chuyển hóa sẽ thu được điện năng phục vụ cho nhu cầu của con người Trong các nguyên tố hóa học, không phải đồng vị nặng nào cũng có thể được sử dụng để làm nhiên liệu hạt nhân Có những nguyên tố rất nặng nhưng lại không có cơ chế phân hạch tự phát và ngược lại, có những nguyên tố có khả năng phân hạch tự phát và giải phóng một lượng năng lượng rất lớn, nhưng hàm lượng trong tự nhiên lại quá thấp, dẫn đễn chi phí xử lý rất cao và đòi hỏi công nghệ rất phức tạp Urani

và Thori là hai nguyên tố phóng xạ được quan tâm một cách đặc biệt.Hai nguyên tố này

là những loại nhiên liệu quan trọng của ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân Tuy nhiên, hiện nay Urani được lựa chọn là nhiên liệu hạt nhân lý tưởng để phục vụ con người.Việc tìm hiểu, nghiên cứu, phân tích về nguyên tố urani là một điều hết sức cần thiết trong quá trình sử dụng và khai thác nhiên liệu hạt nhân

Đặc điểm hóa học, Urani là nguyên tố kim loại màu xám bạc, bị oxit hóa trong không khí tạo thành một lớp màu đen thuộc nhóm Actini, có số nguyên tử là 92 trong bảng tuần hoàn, được kí hiệu là U Hiện nay người ta đã phát hiện được 23 đồng vị Urani khác, nhưng phổ biến nhất là các đồng vị 238

U và 235U Tất cả đồng vị của urani đều không bền và có tính phóng xạ yếu Urani tự nhiên có 3 đồng vị là: 234U (0,0055% ); 235U (0,720% ) và 238U ( 99,2745%) Urani có mặt trong tự nhiên với nồng độ thấp khoảng 10 -4

% trong đất, đá và nước

Về đặc điểm phóng xạ, urani phân rã rất chậm phát ra các hạt anpha Chu kỳ bán

rã của 238U là khoảng 4,47 tỉ năm và của 235U là 704 triệu năm, do đó nó được sử dụng để xác định tuổi của Trái Đất

Hiện tại, các ứng dụng của urani chỉ dựa trên các tính chất hạt nhân của nó.235U là đồng vị duy nhất, tồn tại trong tự nhiên, có khả năng phân hạch một cách

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

[1] Ngô Quang Huy,“Kỹ thuật ghi đo phóng xạ ứng dụng trong nghiên cứu môi trường”NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội -2013

[2] Bùi Văn Loát, “Thống kê và xử lý số liệu thực nghiệm hạt nhân”, Hà Nội- 2010 [3] Nguyễn Văn Đỗ, “Phương pháp phân tích hạt nhân”, NXB Đại học Quốc Gia Hà

Nội - 2005

Tài liệu tiếng Anh

[4] P Martin and G Hancock “Routine analysis of naturally occurring radionuclides

in environmental samples by alpha-particle spectrometry” Supervising Scientist

Report 180 Australia, 2004

[5] Tam.Ng.C et al., “Characterization of uranium-bearing malerial by passive non- destructive gamma spectrometry”, Procce of the 7th

Confere On Nucl And Part Phys 11-15 Nov 2009, Sham El- Sheikh, Egypt, 413-423

[6] C.T Nguyen, J Zsigrai, “Gamma-spectrometric uranium age-dating using intrisic efficiency calibration”, Nucl Instr And Meth B 243 (2006) 187

[7] A Luca, “Experimental Determination of the Uranium Enrichment Ratio”, Rom

Journ Phys, Vol 53, No 1-2, P35 -39, Bucharest, 2008

[8] Y.Nir- El "Isotopic analysis of uranium in U 2 O 3 by passive gamma-ray