Xác định phân bố thông lượng neutron trong bẫy neutron của lò phản ứng hạt nhân đà lạt

Mục lục: CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT. 1.1. Mô tả tổng quan Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 1.2. Giới thiệu về cấu trúc Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 1.2.1. Bố trí vùng hoạt 1.2.2. Cấu trúc che chắn và thùng lò phản ứng 1.2.3. Giới thiệu bẫy neutron CHƯƠNG 2: ĐO THÔNG LƯỢNG VÀ PHÂN BỐ THÔNG LƯỢNG NEUTRON THEO CHIỀU CAO 2.1. Giới thiệu 2.2. Thông lượng neutron đối với lò phản ứng hình trụ trần 2.3. Nguyên lý đo thông lượng neutron bằng phương pháp kích hoạt lá dò. 2.3.1. Tốc độ phản ứng R 2.3.2. Tính số hạt nhân bia Ns , hệ số tự che chắn Gth 2.3.3. Tính tiết diện kích hoạt neutron nhiệt 2.3.4. Kết luận 2.4. Phương pháp đo thông lượng tuyệt đối của neutron nhiệt trong LPƯ 2.4.1. Tỉ số Cadmium và phương pháp bọc cadmium vào lá dò 2.4.2. Tính tốc độ phản ứng R từ số liệu đo đạc thực nghiệm 2.5. Phương pháp đo phân bố thông lượng neutron theo chiều cao vùng hoạt CHƯƠNG 3: ĐO PHỔ NEUTRON 3.1. Giới thiệu . 3.2. Nguyên lý của phương pháp đo phổ neutron bằng tập hợp các lá dò 3.2.1. Phương trình kích hoạt lá dò 3.2.2. Chương trình SANDBP CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THÔNG LƯỢNG VÀ PHỔ NEUTRON TRONG LPƯ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP 4.1. Giới thiệu về chương trình MCNP và phương pháp Monte Carlo 4.1.1. Phương pháp Monte Carlo 4.1.2. Chương trình MCNP 4.2. Mô hình tính toán bằng MCNP cho LPƯ Đà Lạt 4.2.1. Tổng quan 4.2.2. Mô phỏng thí nghiệm 4.3. Nguồn trong tính toán tới hạn và thông lượng 4.4. Kết quả CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO PHỔ VÀ PHÂN BỐ THÔNG LƯỢNG NEUTRON 5.1. Chuẩn bị lá dò 5.2. Chuẩn bị hệ đo. 5.3. Chiếu mẫu. 5.3. Chiếu mẫu. 5.4. Các biện pháp an toàn. 5.5. Kết quả, nhận xét và đánh giá 5.5.1. Đo thông lượng tuyệt đối và phân bố thông lượng tại bẫy 5.5.2. Đo phổ neutron KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ - VẬT LÝ KỸ THUẬT

BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN-KĨ THUẬT HẠT NHÂN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ - VẬT LÝ KỸ THUẬT

BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN-KĨ THUẬT HẠT NHÂN

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT 2

1.1 Mô tả tổng quan Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 2

1.2 Giới thiệu về cấu trúc Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 4

1.2.1 Bố trí vùng hoạt 4

1.2.2 Cấu trúc che chắn và thùng lò phản ứng 6

1.2.3 Giới thiệu bẫy neutron 7

CHƯƠNG 2: ĐO THÔNG LƯỢNG VÀ PHÂN BỐ THÔNG LƯỢNG NEUTRON THEO CHIỀU CAO 11

2.1 Giới thiệu 11

2.2 Thông lượng neutron đối với lò phản ứng hình trụ trần 11

2.3 Nguyên lý đo thông lượng neutron bằng phương pháp kích hoạt lá dò 13

2.3.1 Tốc độ phản ứng R 14

2.3.2 Tính số hạt nhân bia N s, hệ số tự che chắn G th 15

2.3.3 Tính tiết diện kích hoạt neutron nhiệt 15

2.3.4 Kết luận 17

2.4 Phương pháp đo thông lượng tuyệt đối của neutron nhiệt trong LPƯ 17

2.4.1 Tỉ số Cadmium và phương pháp bọc cadmium vào lá dò 18

2.4.2 Tính tốc độ phản ứng R từ số liệu đo đạc thực nghiệm 19

2.5 Phương pháp đo phân bố thông lượng neutron theo chiều cao vùng hoạt 22

CHƯƠNG 3: ĐO PHỔ NEUTRON 24

3.1 Giới thiệu 24

3.2 Nguyên lý của phương pháp đo phổ neutron bằng tập hợp các lá dò 25

3.2.1 Phương trình kích hoạt lá dò 25

3.2.2 Chương trình SANDBP 28

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THÔNG LƯỢNG VÀ PHỔ NEUTRON TRONG LPƯ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP 30

4.1 Giới thiệu về chương trình MCNP và phương pháp Monte Carlo 30

4.1.1 Phương pháp Monte Carlo 30

4.1.2 Chương trình MCNP 31

4.2 Mô hình tính toán bằng MCNP cho LPƯ Đà Lạt 32

4.2.1 Tổng quan 32

4.2.2 Mô phỏng thí nghiệm 35

4.3 Nguồn trong tính toán tới hạn và thông lượng 37

4.4 Kết quả 37

CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO PHỔ VÀ PHÂN BỐ THÔNG LƯỢNG NEUTRON 40

5.1 Chuẩn bị lá dò 40

5.2 Chuẩn bị hệ đo 42

5.3 Chiếu mẫu 43

5.4 Các biện pháp an toàn 43

5.5 Kết quả, nhận xét và đánh giá 43

5.5.1 Đo thông lượng tuyệt đối và phân bố thông lượng tại bẫy 43

5.5.2 Đo phổ neutron 45

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤ LỤC 1: INPUT MCNP MÔ TẢ BẪY NEUTRON TRONG LÒ PHẢN ỨNG 52

PHỤ LỤC 2: INPUT CHO CHƯƠNG TRÌNH SANDBP 55

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.3: Cấu hình vùng hoạt làm việc với 92 bó nhiên liệu có độ làm giàu thấp 10

Hi ̀nh 2.1: Sơ đồ phân rã của Au-198 18

Hi ̀nh 2.2: Tiết diện vi mô tổng của Dy, Au và Cd theo năng lượng 19

Hi ̀nh 2.3: Sơ đồ phân rã của Lu-177 22

Hi ̀nh 3.1: Phổ năng lượng neutron điển hình trong vùng hoạt LPƯ 25

Hình 4.1: Lịch sử ngẫu nhiên của neutron khi đi vào một tấm vật liệu có khả năng phân hạch 30

Hình 4.2: Mô hình thanh điều khiển, bẫy neutron, nhiên liệu, kênh khí nén 7-1 theo mặt cắt ngang 34

Hình 4.3: Mô hình vùng hoạt chi tiết, toàn bộ mô hình theo chiều thẳng đứng và cắt ngang 35

Hình 4.4: Mô phỏng bẫy neutron theo mặt cắt ngang bằng chương trình MCNP 36

Hình 4.5: Mô phỏng bẫy neutron theo mặt cắt đứng bằng chương trình MCNP 36

Hi ̀nh 5.1: Các loại giá giữ mẫu 41

Hi ̀nh 5.2: Quy trình rửa lá dò bằng cồn 41

Hi ̀nh 5.3: Các lá dò đã được dán vào giá 42

Hi ̀nh 5.4: Hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe 42

Hình 5.5: Đồ thị phân bố thông lượng neutron theo chiều cao 44

Hình 5.6: Đường biểu diễn phổ neutron theo mức năng lượng trong vùng hoạt 48

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: Thành phần vật liệu sử dụng trong tính toán (2930k) 33

Bảng 4.2: Phân bố thông lượng neutron theo chiều cao 38

Bảng 4.3: Kết quả tính phổ neutron bằng MCNP 39

Bảng 5.1 Các loại lá dò và phản ứng hạt nhân được sử dụng 40

Bảng 5.2: Phân bố thông lượng theo chiều cao tại bẫy 44

Bảng 5.3: Kết quả đo thông lượng tuyệt đối tại bẫy 45

Bảng 5.6: Kết quả tính tốc độ phản ứng của các lá dò sau kích hoạt 46

Bảng 5.7: Kết quả thu được từ chương trình SANDBP 47

PHẦN MỞ ĐẦU

Thông lượng, phân bố thông lượng và phổ neutron trong Lò phản ứng (LPƯ) là một trong các thông số rất quan trọng Các giá trị mật độ thông lượng thu được được dùng để hiệu chuẩn của các kênh thực nghiệm, đánh giá công suất tuyệt đối, phân bố công suất trong vùng hoạt, xác định các điểm công suất cực đại và tính toán cháy nhiên liệu Nó cũng quan trọng để người sử dụng lò phản ứng biết mật độ thông lượng nhiệt tại các vị trí chiếu xạ

Mục đích của khoá luận là đo thực nghiệm phân bố thông lượng, thông lượng tuyệt đối và phổ neutron trong vùng hoạt Lò phản ứng (cụ thể là tại bẫy neutron) bằng phương pháp kích hoạt lá dò Phương pháp này có ưu điểm là chính xác, và có khả năng đo tại các vị trí nhỏ mà không thể đưa các đầu dò vào Song song với đo thực nghiệm, còn có tính toán mô phỏng bằng chương trình MCNP

Đối tượng thực hiện của khoá luận là bẫy neutron thuộc vùng hoạt của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy thuộc bộ phận Trung tâm Lò phản ứng, thuộc Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt; cùng với quý thầy cô tại

bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý – Vật lý kỹ thuật, trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện cho em có thể hoàn thành khoá luận này

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT.

1.1 Mô tả tổng quan Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là lò phản ứng nghiên cứu loại bể bơi (pool-type reactors; là loại lò phản ứng mà vùng hoạt được nhúng chìm hoàn toàn trong bể nước, phía trên để hở) với công suất danh định 500 kW, làm chậm neutron và làm mát bể

lò bằng nước nhẹ Lò phản ứng được sử dụng như một nguồn neutron cho các mục đích:

(1) Nghiên cứu và đào tạo;

(2) Phân tích kích hoạt neutron;

(3) Sản xuất đồng vị phóng xạ

Từ ngày 24/11/2011, lò phản ứng được nạp các bó nhiên liệu LEU (nhiên liệu có

độ giàu thấp) để khởi động vật lý Nhiên liệu LEU thuộc loại VVR-M2, với hỗn hợp

UO2-Al độ giàu 19,75% U-235 và có vỏ bọc bằng nhôm Khối lượng U-235 trong mỗi bó nhiên liệu LEU khoảng 50g, nằm trong ba thanh nhiên liệu đồng trục, thanh nhiên liệu ngoài cùng có hình lục giác và hai thanh nhiên liệu bên trong có dạng hình trụ Mỗi thanh nhiên liệu có 3 lớp, lớp nhiên liệu ở giữa có độ dày 0,94 mm, được bọc bằng 2 lớp vỏ bên ngoài là hợp kim nhôm với độ dày mỗi lớp là 0,78 mm Khoảng không gian giữa các thanh nhiên liệu có độ rộng khoảng 25-30 mm được dùng cho nước lưu thông Tổng chiều dài toàn bó nhiên liệu là 865 mm, còn độ dài phần có chứa nhiên liệu khoảng 600 mm Các bó nhiên liệu được định vị trong vùng hoạt nhờ một mâm xoi lỗ dạng lưới tam giác Các khối beryllium, các ống nhôm thẳng đứng

để chứa các thanh điều khiển và các kênh chiếu xạ thí nghiệm cũng được định vị trên mâm xoi lỗ này Vành phản xạ neutron làm bằng graphite và các khối beryllium Cả vùng hoạt của lò phản ứng và vành phản xạ graphite được đặt trong bể lò

Việc bảo vệ và điều khiển lò phản ứng được thực hiện nhờ 7 thanh điều khiển, trong đó 6 thanh (gồm 2 thanh an toàn và 4 thanh bù trừ) làm bằng carbua-bor (B4C)

có vỏ bọc bằng thép không rỉ, và 01 thanh điều khiển tự động làm bằng thép không

rỉ Mỗi thanh điều khiển được treo bằng cáp nối với động cơ điện Các thanh điều khiển chuyển động theo chiều thẳng đứng trong các ống nhôm xuyên qua vùng hoạt của lò Các thanh an toàn và bù trừ (nếu đã được kéo lên một phần) có thể rơi tự do vào trong vùng hoạt trong thời gian nhỏ hơn 1 giây dưới tác dụng của trọng lực để dập tắt phản ứng dây chuyền Chiều dài phần hấp thụ của các thanh điều khiển là 650

mm đủ để lấp hoàn toàn chiều cao làm việc của vùng hoạt lò phản ứng

Một số các kênh chiếu xạ thí nghiệm có mặt bên trong và xung quanh vùng hoạt, bao gồm 2 kênh chiếu xạ ướt và 2 kênh chiếu xạ khô (gắn với các hệ chuyển mẫu khí nén) theo chiều thẳng đứng, một mâm quay có 40 hốc chiếu tại vành phản xạ graphite,

01 cột nhiệt bằng graphite và 4 kênh ngang dẫn dòng neutron

Bể lò có dạng hình trụ làm bằng nhôm, được bao bọc xung quanh bằng tường bê tông và bên trong thùng lò được đổ đầy nước đã khử khoáng Tường bê tông và nước trong bể lò còn được dùng như là các vật liệu bảo vệ sinh học Chất lượng nước trong

bể lò được duy trì nhờ hệ thống các phin lọc bằng cách một phần nước làm mát vòng

sơ cấp (vòng I) được trích ra và đi qua hệ thống các phin lọc cơ học và phin lọc trao đổi ion Nước đã được khử khoáng, để cung cấp cho bể lò, được chuẩn bị từ nguồn nước cấp của thành phố nhờ hệ thống xử lý và cung cấp nước

Lò phản ứng có thể hoạt động với nhiều mức công suất khác nhau và cực đại danh định là 500 kW, không hoạt động ở chế độ xung Tại trạng thái ổn định với mức công suất cực đại, thông lượng trung bình của neutron nhiệt trong vùng hoạt của lò khoảng 4.1012 neutron/cm2s

Việc làm mát vùng hoạt được duy trì bằng cơ chế đối lưu tự nhiên Một ống hình trụ, gọi là giếng hút, được lắp bên trên vùng hoạt lò phản ứng để tăng cường lưu lượng nước qua vùng hoạt nhờ hiệu ứng “ống hút” Nước bể lò tại đáy vùng hoạt, bị nung nóng do nhiệt phát ra trong vùng hoạt (do phân hạch, nhiệt hóa neutron và phân rã của các sản phẩm phân hạch) và đi lên phía trên vùng hoạt Nước nóng vào giếng hút, sau đó thoát ra khỏi giếng hút và trộn với nước trong bể lò Để giữ nhiệt độ của nước

bể lò tại lối vào vùng hoạt thấp hơn giới hạn vận hành, nước nóng của bể lò được lấy

ra từ phía trên của vùng hoạt và tuần hoàn chảy qua hệ tải nhiệt (hệ thống làm mát sơ cấp) Nhiệt được tải đi nhờ hệ thống làm mát thứ cấp Bình trao đổi nhiệt lấy nhiệt của nước làm mát vòng sơ cấp nhờ hệ làm mát thứ cấp, từ đây nhiệt được đưa ra ngoài môi trường nhờ quạt gió của tháp làm mát

Hiện tại, Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là lò phản ứng duy nhất ở Việt Nam Hằng năm, lò hoạt động trung bình khoảng 1300 giờ, để thực hiện cho ba mục đích chính nêu trên Ngoài ra, lò cũng tiếp nhận các đoàn sinh viên thực tập và khách tham quan dưới sự hướng dẫn của các nhân viên Viện NCHN

1.2 Giới thiệu về cấu trúc Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

1.2.1 Bố trí vùng hoạt

Vùng hoạt của lò phản ứng có dạng hình trụ với chiều cao 60 cm và đường kính cực đại là 44,2 cm Bên trong vùng hoạt (Hình 1.3) theo chiều thẳng đứng đặt các bó nhiên liệu, các khối beryllium, các ống dẫn các thanh điều khiển và các kênh chiếu

xạ, tất cả đều được cố định bằng hai tấm được khoan lỗ (mâm xoi lỗ) ở dưới đáy vùng hoạt Vùng hoạt được đặt bên trong một thùng nhôm và được treo lên bằng một giá

đỡ, đáy của vùng hoạt cách đáy của thùng lò khoảng 60 cm Phía dưới của vùng hoạt

có một cơ cấu đỡ nhằm loại trừ nguy cơ vùng hoạt bị rơi xuống dưới thấp hơn vùng

có khả năng hấp thụ neutron của thanh điều khiển

Mỗi mâm xoi có 121 lỗ để đặt các thiết bị, có dạng lưới tam giác với kích thước

35 mm Các ô được đếm với hai số nguyên (ví dụ 1-4, 13-2, v.v ) số thứ nhất chỉ thứ

tự hàng được tăng theo từng đơn vị theo hướng từ Đông sang Tây và số thứ hai cũng tăng theo thứ tự từng đơn vị theo hướng từ Bắc đến Nam 114 trong số các ô này dùng

để đặt các bó nhiên liệu, các khối beryllium hay các kênh chiếu xạ và 7 ô còn lại để đặt các ống dẫn các thanh điều khiển

Các khối beryllium có cùng kích thước và dạng hình học giống như các bó nhiên liệu Nhiều ô mạng ngoại vi của vùng hoạt khi không có các bó nhiên liệu được đặt các khối beryllium tạo thành vành phản xạ neutron bổ sung Bên cạnh đó, vòng

beryllium ngoài cùng (vành ngoài) có hình dạng răng cưa và được đặt giữa vùng hoạt

và vành phản xạ graphit tạo thêm một vành phản xạ Vành phản xạ beryllium này cũng như vùng hoạt được đặt trong một vỏ nhôm có hình trụ có vị trí thấp hơn giá

đỡ

Bảy ô mạng trong vùng hoạt dùng để đặt các ống nhôm theo chiều thẳng đứng với đường kính bên trong là 33 mm nhằm định vị các thanh điều khiển Phần dưới các ống chứa thanh điều khiển nằm dưới đáy của vùng hoạt và có dạng hình nón để tránh các thanh điều khiển rơi ra ngoài vùng hoạt trong trường hợp dây cáp treo bị đứt Các ống nhôm này được cố định nhờ mâm xoi lỗ dưới đáy vùng hoạt và được gắn vào giá đỡ gần trên đỉnh thùng lò Tất cả các ống dẫn các thanh điều khiển đều

có nước bên trong và phần dưới có các lỗ khoan để nước thoát ra ngoài khi thanh điều khiển di chuyển xuống phía dưới

Có một số kênh chiếu xạ theo chiều thẳng đứng trong vùng hoạt lò phản ứng Bảy

ô trung tâm trong vùng hoạt được đặt 6 khối beryllium xung quanh một hốc nước để tạo thành bẫy neutron ở tâm; một số ô mạng ở ngoại vi vùng hoạt dùng làm các kênh chiếu mẫu khô và ướt Hiện tại chỉ còn ô mạng 1-4 được dùng làm kênh chiếu mẫu ướt, còn ô mạng 13-2 là kênh khô chuyển mẫu bằng khí nén với thời gian chiếu ngắn dưới 5 giây và ô mạng 7-1 là kênh khô chiếu xạ bằng khí nén với thời gian chiếu dài trên 45 giây

Hiện nay, vùng hoạt của lò phản ứng đã được nạp tải với cấu hình làm việc như sau:92 bó nhiên liệu LEU có bẫy neutron ở tâm, 12 thanh beryllium xung quanh bẫy, kênh khô 7-1, kênh ướt tạm thời 13-2 và kênh ướt 1-4 từ tháng 12/2011 (Hình 1.3)

Từ tháng 8/2012, ô 13-2 đã được lắp đặt hệ chuyển mẫu khí nén mới

Các bó nhiên liệu và các bộ phận bên trong vùng hoạt được cố định vị trí bên trong vùng hoạt Điều này bảo đảm tính toàn vẹn của vùng hoạt trong quá trình lò phản ứng hoạt động bình thường và trong tình huống có sự cố

1.2.2 Cấu trúc che chắn và thùng lò phản ứng

Kết cấu bê tông cốt thép (Hình 1.1 và 1.2) có chiều dài 8,6 m và chiều cao tính từ sàn nhà lò khoảng 6,55 m Cấu trúc che chắn của lò phản ứng theo dạng bậc thang nên phần đáy có chiều rộng khoảng 6,69 m trong khi ở phía trên có hình bát giác với chiều rộng khoảng 3,81 m

Bể chứa các bó nhiên liệu đã cháy có chiều rộng 2,46 m, chiều dài 2,74 m và sâu 3,66m được định vị ngang ở phần đáy và có chiều cao của tường lên đến 3,76 m Một tấm thép nặng 3,6 tấn, dày 15 cm được dùng để che chắn phóng xạ bổ sung phía trên thùng lò Nắp đậy này có một số lỗ có nắp di chuyển được để thực hiện các thao tác bên trong bể lò, trong đó có một lỗ được đậy bằng kính để quan sát bên trong

bể lò Nắp đậy này có thể quay tròn bằng mô tơ điện hay bằng tay

Trên đỉnh kết cấu che chắn của lò phản ứng tạo ra một bề mặt rộng hơn nhờ bệ

đỡ bê tông cốt thép và có lan can bảo vệ xung quanh Phần bên ngoài của bệ đỡ này được thiết kế để chịu trọng tải khoảng 734 kG/m2 Một phía của bệ đỡ này, nơi gần nắp đậy của lò, có 7 động cơ của các thanh điều khiển Các động cơ cũng như dây cáp nối với các thanh điều khiển đều được che bằng một hộp thủy tinh hữu cơ trong suốt để tránh bụi và đụng chạm gây sự cố Phần bên kia, có một thùng thép không rỉ với dung tích 300 lít chứa nước đã được khử khoáng để bổ sung nước cho bể lò Vùng hoạt của lò phản ứng được đặt ở phía trên đáy của thùng nhôm mà thùng nhôm này được che chắn bằng bê-tông xung quanh Thùng nhôm được giữ lại từ lò TRIGA trước đây, có đường kính ngoài khoảng 2 m, chiều cao 6,25 m, độ dày tối thiểu 6,2 mm

Các kênh ngang, cột nhiệt và cột nhiệt hóa đâm xuyên qua thùng lò Những cấu kiện này được chia ra làm hai phần bằng một khe nhỏ tại phía ngoài của thùng lò Phần bên trong của những cấu kiện này được hàn với thùng lò, còn phần bên ngoài của các cấu kiện này được hàn với lớp bê-tông che chắn cùng theo trục nằm ngang giống như phần bên trong Khe hở giữa phần bên ngoài và bên trong của các cấu kiện

dùng để ngăn ngừa lực ép do giãn nở về nhiệt của thùng nhôm trong khi lò phản ứng hoạt động

Thùng lò và các cấu kiện ở trên không bị thấm nước nhờ những ống nối hàn Để bảo vệ ăn mòn, bên ngoài thùng lò được phủ một lớp nhựa đường nóng với lớp nỉ gia

cố thêm

Thùng lò chứa nước đã được khử khoáng với mức nước cao 6,2 m, như vậy lớp nước che chắn phía trên vùng hoạt cao khoảng 5 m Nước trong bể lò cũng được xem

là chất tải nhiệt, chất làm chậm cũng như là các lớp phản xạ ở trên và dưới vùng hoạt

Bể lò cũng có thể xem là rào chắn thứ hai (sau lớp rào chắn thứ nhất là vỏ bọc nhiên liệu) ngăn không cho các sản phẩm phân hạch có phóng xạ giải phóng ra bên ngoài

1.2.3 Giới thiệu bẫy neutron

Bẫy neutron ở tâm vùng hoạt dạng hình trụ có hốc nước ở giữa, xung quanh là các khối beryllium Bẫy neutron được sử dụng là một kênh chiếu xạ có thông lượng neutron nhiệt cực đại Đường kính trong của bẫy là 65 mm với khối lượng nước ở bên trong khoảng 2050 cm3 Một ống nhôm được đặt ở bên trong bẫy để giữ các mẫu chiếu xạ có đường kính 42 mm Equation Chapter 2 Section 1

[3

Hình 1.3: Cấu hình vùng hoạt làm việc với 92 bó nhiên liệu có độ làm giàu thấp [2]

CHƯƠNG 2: ĐO THÔNG LƯỢNG VÀ PHÂN BỐ THÔNG LƯỢNG

NEUTRON THEO CHIỀU CAO.

2.1 Giới thiệu

Việc đo phân bố mật độ thông lượng neutron nhiệt trong vùng hoạt rất quan trọng

Vì phân bố mật độ thông lượng tỷ lệ thuận với công suất, ta có thể xác định công suất

lò phản ứng bằng cách đo phân bố mật độ thông lượng tương đối trong lò phản ứng

và mật độ thông lượng tuyệt đối ở một vị trí nhất định của lò phản ứng So với buồng ion hóa hoặc buồng phân hạch, các lá dò kích hoạt dùng để đo neutron bằng cách đo hoạt độ phóng xạ thì không nhạy với tia gamma và có thể được sử dụng ở những nơi

mà các đầu dò khác không thể được sử dụng vì kích thước nhỏ của chúng

2.2 Thông lượng neutron đối với lò phản ứng hình trụ trần

Xem xét một lò phản ứng nhanh tới hạn chứa hỗn hợp đồng nhất nhiên liệu và chất làm nguội Giả sử rằng lò phản ứng bao gồm một vùng duy nhất và không có bề

mặt bao phủ cũng không có vành phản xạ Hệ như vậy được gọi là lò phản ứng trần

Lò phản ứng này được mô tả trong tính toán một nhóm với phương trình khuếch tán một nhóm phụ thuộc thời gian:

Trong đó: D (cm) là hệ số khuếch tán; a (barn) là tiết diện hấp thụ vĩ mô;  (cm/s)

là tốc độ neutron; s là mật độ nguồn (ví dụ số neutron phát ra/cm3.s) Để xác định s

đặt f là tiết diện phân hạch của nhiên liệu và  là số neutron sinh ra trong một phân hạch Khi đó s  f

Xét trường hợp trạng thái lò phản ứng không phụ thuộc thời gian, do đó sự cân bằng giữa nguồn với sự hấp thụ và rò neutron luôn tồn tại (vế phải (2.1) bằng không)

Để đảm bảo cho sự cân bằng này, ta nhân số hạng nguồn với thừa số 1 k, k là hằng

số chưa biết Nếu số hạng nguồn quá nhỏ thì k 1, ngược lại nếu số hạng nguồn quá lớn thì k 1 Phương trình (2.1) trở thành:

k B

2.3 Nguyên lý đo thông lượng neutron bằng phương pháp kích hoạt lá dò

Gọi v là vận tốc của neutron, thông lượng của neutron  (n/cm2.s) được định nghĩa như sau:

Trong đó: n r (n/cm2) là mật độ neutron tại một điểm theo vector vị trí r

Hạt nhân được chiếu xạ bằng chùm neutron đa phần sẽ trở thành hạt nhân phóng

xạ Tốc độ phản ứng trong suốt quá trình chiếu xạ đối với toàn dải năng lượng của neutron được tính như sau:

 (barn) - Tiết diện bắt neutron tại năng lượng E của hạt nhân bia

E - Năng lượng của neutron

 - Tổng tiết diện bắt neutron nhiệt của hạt nhân bia

Từ công thức (2.15), ta có được công thức tính thông lượng neutron nhiệt theo tốc độ phản ứng như sau:

.

th

a th s

R N

( , ) ( ) (1 T)

A T  A T e R e e (2.20) Hay, ta có thể tính R nếu biết được hằng số phân rã của hạt nhân hợp phần sau chiếu xạ  , thời gian chiếu xạ T và thời gian chờ rã sau chiếu xạ  :

2.3.2 Tính số hạt nhân bia N s, hệ số tự che chắn G th

Số hạt nhân bia được tính theo công thức sau:

A s

m N G N

G - Tỉ lệ pha của nguyên tố trong lá dò

Trong trường hợp độ dày của lá dò không thể bỏ qua, do sự hấp thụ neutron, thông lượng trung bình th sample, trong lá dò sẽ thấp hơn thông lượng trung bình trên bề mặt

th

 Tỷ số của chúng gọi là hệ số tự che chắn G:

,

th sample th

2.3.3 Tính tiết diện kích hoạt neutron nhiệt

Trong dải năng lượng neutron nhiệt, phân bố vận tốc của neutron tuân theo phân

bố Maxwell-Boltzmann và hàm mật độ neutron theo vận tốc sẽ là:

T - nhiệt độ tuyệt đối của môi trường

Vận tốc có xác suất lớn nhất v0 (m/s) theo phân bố Maxwell-Boltzmann được tính như sau:

0

2

n

kT v

m

Ở nhiệt độ phòng, T 0 293 K (20oC), v 0 2200 m/s, do đó E0 k T  0.0025 eV Vận tốc trung bình của neutron nhiệt theo phân bố Maxwell-Boltzmann:

0

1( )n

n n

T T

T T

T - nhiệt độ tuyệt đối của neutron

Tóm lại, từ (2.28), (2.29), ta có tiết diện kích hoạt tương ứng với vận tốc trung bình v act. trong trường hợp tiết diện tuân theo quy luật 1 vvà nhiệt độ neutron T n cho bởi:

0 0.

2.4 Phương pháp đo thông lượng tuyệt đối của neutron nhiệt trong LPƯ

Để tiến hành việc đo thông lượng neutron nhiệt trong lò phản ứng, ta sử dụng lá

dò vàng do phản ứng bắt neutron nhiệt/trên nhiệt của 197Au như sau:

197 198 198

79Au n( , )  79Au 80Hg, ,

2.4.1 Tỉ số Cadmium và phương pháp bọc cadmium vào lá dò

Chiếu xạ lá dò ở vị trí có thông lượng trên nhiệt đáng kể hoặc tiết diện kích hoạt trên nhiệt của lá dò đáng kể so với tiết diện kích hoạt nhiệt, khi đó một phần của hoạt

độ là từ neutron trên nhiệt Do đó phải tách sự đóng góp của thông lượng neutron trên nhiệt vào hoạt độ Điều này có thể thực hiện vì tiết diện hấp thụ của cadmium (Cd) rất lớn đối với neutron nhiệt và không đáng kể với neutron trên nhiệt (Hình 2.2) Nếu

lá dò được được bọc Cd có độ dày thích hợp, khi đó neutron nhiệt sẽ bị hấp thụ hoàn toàn bởi vỏ bọc Cd và hoạt độ lá dò được tạo ra chỉ bởi neutron trên nhiệt có năng lượng trên khoảng 0,4 đến 0,7 eV tùy thuộc vào độ dày của vỏ bọc Cd Hoạt độ tạo

ra bởi neutron nhiệt đơn giản được xác định bằng cách đồng thời chiếu hai lá dò giống nhau, một để trần và một được bọc Cd:

A - hoạt độ của lá dò bọc cadmium

Tỷ số Cd được định nghĩa là tỷ số hoạt độ của lá dò trần và bọc Cd, và từ (2.32),

ta có:

Hi ̀nh 2.1: Sơ đồ phân rã của 198Au [7]

Trong đó: A epi - hoạt độ của neutron trên nhiệt

Trong trường hợp vật liệu lá dò có tiết diện kích hoạt tuân theo quy luật 1/v, giá trị của R Cd rất lớn, do đó, theo (2.33), tỷ lệ hoạt độ tạo ra bởi neutron trên nhiệt trong

trong lá dò có thể được bỏ qua

Trong khoảng năng lượng neutron nhiệt, tiết diện kích hoạt của 197

Au theo quy

luật 1/v nhưng có một số đỉnh cộng hưởng Sử dụng một lá dò trần và một bọc Cd,

nếu giả thiết các điều kiện chiếu xạ hoàn toàn giống nhau, thông lượng neutron nhiệt được tính toán từ các hệ thức (2.31) và (2.32) như sau:

0 0,

m (g) - khối lượng lá dò vàng được bọc cadmium

2.4.2 Tính tốc độ phản ứng R từ số liệu đo đạc thực nghiệm

Nhắc lại công thức tính tốc độ phản ứng (2.21):

Hình 2.2: Tiết diện vi mô tổng của Dy, Au và Cd theo năng lượng [4]

neutron

Để có được R, ta phải xác định được hoạt độ của lá dò A T( , )

Để đo được hoạt độ, ta sẽ sử dụng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò là chất bán dẫn HPGe và bộ phân tích & xử lý xung đa kênh Do hạt nhân phóng xạ sẽ phát ra tia gamma đặc trưng nên cuối cùng, ta thu được kết quả đo là diện tích đỉnh năng lượng

P của các hạt nhân đã xảy ra phản ứng bắt neutron

Hoạt độ lá dò được viết lại như sau:

( , )( , )

Trong đó: I T( , ) - cường độ của tia gamma mà ta đang quan tâm phát ra từ quá trình

phân rã hạt nhân sau khi bị kích hoạt

 - Hiệu suất ghi nhận của đầu dò (detector)

 - Hệ số phân nhánh đỉnh gamma đang quan tâm (hay còn gọi là xác suất phát ra tia gamma có năng lượng tương ứng của hạt nhân phóng xạ) Hiển nhiên, cường độ I T( , ) chính là tổng số đếm chia cho thời gian đo:

,

( , )( , )

t - thời gian đo thực (T_live ghi trên máy đo)

Tuy nhiên, trong trường hợp thời gian bán huỷ của đồng vị phóng xạ được đem

đo đủ ngắn để xảy ra sự phân rã trong quá trình đo, làm cho kết quả đo diện tích đỉnh

sẽ ít hơn so với giá trị thực của nó Do đó, ta phải tính lại cường độ I T( , ) như sau:

Do có sự đóng góp của thời gian chết nên diện tích đỉnh (tổng số đếm) ta đọc được trên máy đo thực chất là tổng số đếm ghi nhận được trong thời gian t m eff,

(T_live), nhưng số hạt nhân phân rã lại tính theo thời gian đo thực t m (T_real) Nếu

P là tổng số đếm ghi trên máy đo, ta có tổng số đếm ghi nhận được trong thời gian

đo thực t m sẽ là: PP D P(1 D), 1 m eff,

m

D t t (%) là thời gian chết ghi trên máy

đo D có ý nghĩa là cứ 100 số đếm được ghi nhận thì sẽ có D số đếm bị mất Vậy cuối cùng ta có tổng số đếm ghi nhận được từ lúc bắt đầu đo đến lúc kết thúc đo:

, 0

m t

Trong đó:P - diện tích đỉnh (tổng số đếm) đọc được trên máy đo

I - cường độ của tia gamma

m

t - thời gian đo thực (T_real)

,

m eff

t - thời gian đo (T_live)

 - hằng số phân rã của hạt nhân phóng xạ

Tính tích phân trên, ta được:

Vậy cuối cùng, từ công thức (2.24), (2.35), (2.39) ta có được công thức tính tốc

độ phản ứng sau khi xử lý số liệu như sau:

( , ) (1 m) .(1 ) .

T - Thời gian chiếu xạ trong lò

 - Thời gian chờ rã sau khi chiếu xạ

(hay còn gọi là thời gian làm nguội t c)

G – tỉ lệ pha của nguyên tố trong lá dò

2.5 Phương pháp đo phân bố thông lượng neutron theo chiều cao vùng hoạt

Để đo được phân bố thông lượng neutron nhiệt theo chiều cao vùng hoạt, ta sử dụng lá dò 176Lu Sau đây là phản ứng của 176Lu với neutron:

71Lu n( , )  71Lu 72Hf,  ,

Hi ̀nh 2.3: Sơ đồ phân rã của 177Lu [7]

Vì ở phần này, ta sẽ đo phân bố thông lượng theo thang tương đối (thông lượng tại vị trí lớn nhất bằng 1), nên theo công thức (2.31), th ~A T( , ) , và theo công thức, (2.21),A T( , ) ~ R Do vậy, ta sẽ tiến hành lập tỉ số so sánh các giá trị R i tương ứng với các lá dò Lu-176 được đặt ở các vị trí có độ cao khác nhau

Công thức (2.40) có thể được viết lại như sau:

,

1 1 m 1

m

t P

Từ công thức (2.41), ta thấy trong điều kiện cùng một thời gian chiếu xạ T; các

lá dò có bản chất giống nhau và được cắt rất mỏng (G  th 1, ,N A A,  , giống nhau); đồng thời khi đo các lá dò trong hệ phổ kế HPGe, ta đặt các lá dò ở cùng một

vị trí khoảng cách đến cửa sổ detector ( giống nhau); và chu kỳ bán rã của Lu-177

1 2 6, 647 m

T  d t , nên ta không quan tâm đến quá trình phân rã xảy ra trong thời gian

đo, tính theo công thức (2.36) Cuối cùng, ta tính hệ số Rlà tốc độ đếm tương đối như sau:

,

.m eff

P e R

m t



Lần lượt lấy tỉ số giữa các giá trị R i tương ứng với các lá dò Lu-176 với giá trị

R lớn nhất, ta được phân bố thông lượng neutron nhiệt theo chiều cao vùng hoạt Equation Chapter (Next) Section 1

CHƯƠNG 3: ĐO PHỔ NEUTRON

3.1 Giới thiệu

Phổ neutron là một thông số quan trọng cho việc sử dụng và khai thác LPƯ Do vậy, phổ neutron tại một số vị trí quan trọng phải được xác định khi cấu hình làm việc thay đổi nhằm khẳng định khả năng sử dụng và khai thác LPƯ Đồng thời, việc xác định phổ neutron cũng được dùng để đánh giá độ chính xác của các phương pháp tính toán và các thư viện số liệu khác nhau được sử dụng trong tính toán Phương pháp kích hoạt lá dò là thích hợp cho việc đánh giá phương pháp tính toán cho đặc trưng của phổ thông lượng neutron, bằng cách cho phép so sánh trực tiếp với thực nghiệm Đánh giá này là cần thiết để cung cấp độ tin cậy cho các tính toán được yêu cầu ở những vị trí mà không không thể thực hiện được (như do nhiệt độ cao, khả năng tiếp cận, hoặc giới hạn không gian)

Phân bố năng lượng neutron trong vùng hoạt LPƯ được chia thành ba vùng năng lượng: vùng năng lượng nhanh (thông lượng nhanh f), vùng năng lượng trên nhiệt (thông lượng trên nhiệt epi), và vùng năng lượng nhiệt mô tả neutron cân bằng nhiệt (thông lượng nhiệt th ) Hình 3.1 cho thấy phân bố năng lượng điển hình của neutron

phân hạch

Trong đó th, epi vàth đại diện cho mật độ thông lượng trong vùng năng lượng

nhiệt, trên nhiệt và nhanh (E th < 0,2 eV, 0,2 eV < E ep <2 MeV, E f > 2 MeV) tương ứng Vùng nhanh và nhiệt được mô tả thông qua phân phối MaxwellBoltzmann, và vùng trên nhiệt đặc trưng bởi phân bố 1/E

Một trong những phương pháp đo phổ neutron được sử dụng rộng rãi đó là sử dụng một hệ gồm nhiều lá dò có các tiết diện bắt neutron lớn tại các vùng nhiệt, trên nhiệt và nhanh Việc kết hợp giữa kết quả đo kích hoạt lá dò và kết quả tính toán được thực hiện nhằm mục đích mở rộng dạng phổ thông lượng neutron trên toàn dải năng lượng, nâng mức độ tin cậy trong việc đo phổ neutron bằng cách kích hoạt lá dò, đánh giá các phương pháp tính toán cho phổ thông lượng