XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ PHỔ NƠTRON TẠI CỘT NHIỆT LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN LÔ THỊ MỸ LIÊN - 1310006 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ PHỔ NƠTRON TẠI CỘT NHIỆT LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

LÔ THỊ MỸ LIÊN - 1310006

XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ PHỔ NƠTRON TẠI CỘT NHIỆT LÒ PHẢN

ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS PHẠM NGỌC SƠN

KHÓA 2013-2018

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, con xin cảm ơn gia đình đã luôn luôn yêu thương và tạo điều kiện cho con có cơ hội học tập, mở mang tri thức Con cảm ơn ba mẹ đã luôn động viên, dìu dắt con trong suốt quá trình học tập

Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô Trường Đại học Đà Lạt,các thầy cô khoa Kỹ thuật hạt nhân đã giảng dạy, truyền đạt những kiến thức cho em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện tại Trường Đại Học Đà Lạt

Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Vật lý và Điện tử hạt nhân đã tạo điều kiện thuận lợi cho em thực tập làm khóa luận tốt nghiệp

Em xin gửi lời cảm ơn TS.Phạm Ngọc Sơn đã trực tiếp hướng dẫn em làm thực hành, chỉ dẫn, cung cấp tài liệu trong quá trình làm khoá luận

Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến toàn thể bạn bè trong lớp HNK37, những người đã cùng đồng hành trên giảng đường đại học, nghiên cứu trao đổi kiến thức

Em xin chân thành cảm ơn!

Lâm Đồng, tháng 12 năm 2017

LÔ THỊ MỸ LIÊN

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2

I GIỚI THIỆU LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT 2

1 Mô tả tổng quan lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 2

2 Cấu trúc lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 2

2.1 Cấu trúc vùng hoạt 2

2.2 Cấu trúc các thanh điều khiển và các thanh nhiên liệu 5

2.3 Cấu trúc che chắn và thùng lò phản ứng 5

II PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 7

1 Giới thiệu phương pháp kích hoạt nơtron 7

1.1 Nguyên lý của phương pháp kích hoạt nơtron 7

1.2 Phương trình kích hoạt nơtron 8

2 Các thông số nơtron lò phản ứng 9

2.1 Hệ số α 9

2.2 Hệ số f 9

2.3 Thông lượng nơtron 9

3 Các phương pháp xác định các thông số phổ nơtron 11

3.1 Phương pháp xác định hệ số α 11

3.1.1 Phương pháp bọc Cadmi đa lá dò 11

3.1.2 Phương pháp tỉ số Cadmi cho đa lá dò 13

3.1.3 Phương pháp đa lá dò chiếu trần 13

3.2 Phương pháp xác định hệ số f 14

3.2.1 Phương pháp tỉ số cadmi 14

3.2.2 Phương pháp ba lá dò chiếu trần 15

3.3 Phương pháp xác định thông lượng nơtron nhiệt, nơtron trên nhiệt 15

4 Các phần mềm tính toán thông số phổ nơtron 16

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ĐO PHỔ NƠTRON 17

1 Quy trình thực nghiệm 17

1.1 Chuẩn bị lá dò 17

1.2 Chiếu và đo mẫu 17

1.2.1 Chiếu mẫu 17

1.2.2 Đo mẫu 17

1.3 Xử lý phổ gamma 18

1.4 Tính thông số phổ nơtron 20

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 26

1 Kết quả 26

2 Nhận xét 26

KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

LEU Low-enriched uranium Nguyên liệu có độ giàu

thấp

HEU High-enriched uranium Nguyên liệu có độ giàu

cao

Analysis Phân tích kích hoạt nơtron

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Các đặc trưng của lá dò Au và lá dò Zr 17

Bảng 2: Hiệu suất ghi của detector tại vị trí 5cm và 0cm 20

Bảng 3: Diện tích đỉnh và sai số diện tích đỉnh, tiết diện hiệu dụng đối với nơtron nhiệt, hiệu suất ghi ứng với các đỉnh năng lượng tương ứng của các lá dò 22

Bảng 4: Hoạt độ và tốc độ phản ứng đối với lá dò bọc và không bọc Cd 23

Bảng 5: Số liệu hạt nhân được sử dụng tính hệ số α 23

Bảng 6: Kết quả tính thông lượng nơtron nhiệt và nơtron trên nhiệt 26

Bảng 7: Kết quả thông lượng nơtron tổng, tỉ số f 26

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1: Sơ đồ mặt cắt đứng của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [2] 2

Hình 2: Sơ đồ mặt cắt ngang của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [2] 3

Hình 3: Cấu hình vùng hoạt làm việc với 92 bó nhiên liệu có độ làm giàu thấp [2] 4

Hình 4: Vị trí chiếu mẫu trong lò phản ứng [3] 6

Hình 5: Sơ đồ phản ứng hạt nhân với nơtron [4] 7

Hình 6: Đồ thị biểu diễn thông lượng nơtron trong lò phản ứng hạt nhân [5] 11

Hình 7: Tổng quan phần mềm k0-IAEA [3] 16

Hình 8: Hệ phổ kế gamma HPGE-DSPEC 18

Hình 9: Đỉnh gamma của lá dò Au 19

Hình 10: Đỉnh gamma của lá dò Zr 19

Hình 11: Đồ thị hiệu suất ghi theo năng lượng tại vị trí 5cm đến detector 21

Hình 12: Đồ thị hiệu suất ghi theo năng lượng tại vị trí 0cm đến detector 21

Hình 13: Kết quả tính hệ số anpha 24

LỜI MỞ ĐẦU

Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được khôi phục và mở rộng từ công suất 250

kW lên 500 kW và đã được chính thức đưa vào vận hành khai thác từ ngày 20/03/1984 Sau khi hoạt động lại, có rất nhiều nghiên cứu về lò, đặc biệt là các nghiên cứu về các thông số tĩnh và động học lò, thủy nhiệt, phổ năng lượng nơtron, Bên cạnh các hướng nghiên cứu này, các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết nhằm khai thác hiệu quả lò phản ứng nghiện cứu này

Thông lượng, phân bố thông lượng và phổ nơtron trong Lò phản ứng là một trong các thông số rất quan trọng Xác định các thông số phổ nơtron có vai trò quan trọng trong các nghiên cứu ứng dụng và nghiên cứu cơ bản tại các vị trí chiếu xạ Các giá trị mật độ thông lượng thu được được dùng để hiệu chuẩn của các kênh thực nghiệm

Mục đích của khóa luận là đo thực nghiệm phổ thông lượng nơtron tại cột nhiệt của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt Và để xác định được các thông số phổ nơtron, phương pháp kích hoạt lá dò được áp dụng trong nghiên cứu này Phương pháp này có ưu điểm là chính xác cao, và có khả năng đo tại các vị trí chiếu mẫu mà không thể lắp đặt các đầu dò tại vị trí chiếu

Cấu trúc khóa luận được trình bày thành ba chương như sau:

Chương 1: Tổng quan lý thuyết: Giới thiệu lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt và

về phương pháp kích hoạt nơtron; Tiếp cận phương pháp tính toán các thông số phổ như thông lượng nơtron nhiệt, nơtron trên nhiệt, hệ số lệch phổ α và tỉ số f

Chương 2: Thực nghiệm đo phổ nơtron

Chương 3: Kết quả thực nghiệm: Trình bày kết quả tính thông số phổ nơtron

tại Cột nhiệt, đưa ra nhận xét

quả lò phản ứng Hiện nay

Việt Nam Hằng năm, lò ho

t nhân Đà Lạt là lò phản ứng nghiên cứu đượ

t 250 kW lên 500 kW và đã được chính thức đưa vào v20/03/1984 Lò phản ứng hoạt động cho các mục đích nhưhân tích kích hoạt nơtron; sản xuất đồng vị phóng x

ng được nạp các bó nhiên liệu LEU (nhiên li

u LEU thuộc loại VVR-M2, với hỗn hợp UO2-Al độ giàu 19

ng nhôm Sau khi hoạt động lại, có nhiều ứng d

u về các thông số tĩnh và động học lò, thủy nhi

ứu ứng dụng, thực nghiệm và lý thuyết nhằm khai thác hinay, Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là lò phản

ò hoạt động trung bình khoảng 1300 giờ, để th[1]

u LEU (nhiên liệu có độ giàu

ản ứng hạt nhân Đà Lạt [2]

5-Kênh ngang hướng tâm

7-Kênh ngang tiếp tuyến

9-Cột nhiệt

11-Tường bê tông bảo vệ

2- Vành phản xạ graphite 4- Các ống dẫn nước của hệ thống làm ngu

6- Kênh thực nghiệm nằm ngang 8- Nắp thép dày 20 cm

ồ mặt cắt ngang của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

2-Vành phản xạ graphite 4-Kênh ngang hướng tâm

8-Bể chứa nhiên liệu đ10-Cửa cột nhiệt

beryllium hay các kênh chi

khiển Các khối beryllium có cùng kích thư

nhiên liệu Nhiều ô mạng ngo

được đặt các khối beryllium t

vòng 5 beryllium ngoài cùng (vành ngoài) có hình d

a lò phản ứng có dạng hình trụ với chiều cao 60 cm và đư

2 cm Bên trong vùng hoạt (Hình 3) theo chiều th

ối beryllium, các ống dẫn các thanh điều khi

p thanh nhiên liệu và thanh điều khiển được đếm vớ

ố thứ nhất chỉ thứ tự hàng được tăng theo từĐông sang Tây và số thứ hai cũng tăng theo thứ tự từng đơn v

n Nam Trong đó, có 114 ô dùng để đặt các bó nhiên liberyllium hay các kênh chiếu xạ và 7 ô còn lại để đặt các ống dẫn các thanh đi

i beryllium có cùng kích thước và dạng hình học giố

ng ngoại vi của vùng hoạt khi không có các bó nhiên li

i beryllium tạo thành vành phản xạ nơtron bổ sung Bên cberyllium ngoài cùng (vành ngoài) có hình dạng răng cưa và đư

n xạ graphit tạo thêm một vành phản xạ Vành ph

ư vùng hoạt được đặt trong một vỏ nhôm có hình tr

ng trong vùng hoạt dùng để đặt các ống nhôm theo chi

ng kính bên trong là 33 mm nhằm định vị các thanh điề

n các thanh điều khiển đều có nước bên trong và phần dư

t khi không có các bó nhiên liệu

sung Bên cạnh đó,

ng răng cưa và được đặt giữa

Vành phản xạ nhôm có hình trụ có vị trí

ng nhôm theo chiều thẳng

ều khiển Tất cả

n dưới có các lỗ

khoan để nước thoát ra ngoài khi thanh điều khiển di chuyển xuống phía dưới 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 nơtron ở tâm, 12 thanh beryllium xung quanh Bẫy, kênh khô 7-1, 13-2 và kênh ướt 1-4 từ tháng 12/2011 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

2.2 Cấu trúc các thanh điều khiển và các thanh nhiên liệu

Trong vùng hoạt đặt 7 thanh điều khiển, trong đó có hai thanh sự cố AZ, 4 thanh bù trừ KC và một thanh điều khiển tự động AR, 6 thanh AZ và KC làm từ vật liệu Carbua Bo hấp thụ mạnh nơtron nhiệt, còn thanh AR làm từ thép không rỉ Các thanh sự cố AZ chịu trách nhiệm tắt lò khi có sự cố Các thanh KC bảo đảm bù trừ

độ phản ứng dự trữ của lò trong quá trình làm việc, bù trừ sự cháy nhiên liệu và hiệu ứng nhiễm độc, hiệu ứng nhiệt độ, Thanh AR dùng để điều khiển tự động, giữ công suất lò ở mức cho trước Ngoài các bó nhiên liệu còn đặt các thanh Berili

và khối Berili nhằm tạo thêm một lớp phản xạ nơtron bổ sung [2]

2.3 Cấu trúc che chắn và thùng lò phản ứng

Kết cấu bê tông cốt thép 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 [2]

Bể chứa các bó nhiên liệu đã cháy có chiều rộng 2.46 m, chiều dài 2.74 m và sâu 3.66 m 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 cấu trúc di chuyển được để thực hiện các thao tác bên trong lò phản ứng

2.4 Các vị trí chiếu m

Hình

Hiện nay, lò phản

hoạt, Mâm quay, Cột nhi

kênh ngang xuyên tâm Trong đó, Mâm quay, kênh 7

sử dụng cho mục đích kích ho

- Mâm quay: Nằm

cho các phép chiếu dài (>1 gi

gói thích hợp vào container chuyên d

Hình 4: Vị trí chiếu mẫu trong lò phản ứng [3]

n ứng có 9 kênh chiếu mẫu: Bẫy nơtron tại trung tâm vùng

t nhiệt, kênh 1-4, kênh 7-1, kênh 13-2, kênh ngangkênh ngang xuyên tâm Trong đó, Mâm quay, kênh 7-1, kênh 13-2, C

c đích kích hoạt nơtron và được giới thiệu ở phần dướ

m ở vành phản xạ, có 40 hốc chiếu, là vị trí chi

u dài (>1 giờ) Vì là kênh ướt nên mẫu được chiếu ph

p vào container chuyên dụng cho việc chiếu mẫu tại Mâm quay

1 và Kênh 13-2: Là hai kênh khô được nối với hệ

p cho việc chiếu mẫu trong thời gian từ vài giây đ

trí có độ nhiệt hóa nơtron tốt nhất, được k

u khí nén dùng cho các phép chiếu kích hoạt lặp vòng và nghiên c

i trung tâm vùng

2, kênh ngang tiết tuyến và

2, Cột nhiệt được

ới đây [2]: trí chiếu ướt dùng

u phải được bao

i Mâm quay

chuyển mẫu tự vài giây đến vài chục

c kết nối với hệ

p vòng và nghiên cứu vật

II PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

1 Giới thiệu phương pháp kích hoạt nơtron

1.1 Nguyên lý của phương pháp kích hoạt nơtron

Cơ sở của phương pháp kích hoạt nơtron là trên cơ sở phản ứng hạt nhân của các đồng vị bia với nơtron từ kênh chiếu của lò phản ứng hạt nhân Hình 5 cho thấy

mô hình tổng quát của phương pháp kích hoạt nơtron đối với một hạt nhân bia cho trước: phản ứng hạt nhân thường quan tâm nhiều nhất là phản ứng (n, ) với một hạt nhân X (nhân bia) hấp thụ một nơtron sẽ tạo ra một nhân phóng xạ có cùng số Z nhưng khối lượng nguyên tử tăng lên một đơn vị và phát ra bức xạ gamma đặc trưng [5]:

Z A

A : số khối nguyên tố bia

Z : số hiệu nguyên tử của hạt nhân bia

Ký hiệu () trong quá trình biểu diễn cho hạt nhân hợp phần ở giai đoạn trung gian

Hình 5: Sơ đồ phản ứng hạt nhân với nơtron [4]

1.2 Phương trình kích hoạt nơtron

Hoạt độ của các hạt nhân hình thành trong phản ứng kích hoạt (n,) được đo bằng hệ phổ kế gamma với detector HPGe, thì mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng (R)

và số đếm (Np ) thu được tại đỉnh năng lượng toàn phần như sau [5]:

A N

W C D S t N

I G G

R

p A

m p

e e th

p

D S I G G

A

W N t

A – khối lượng nguyên tử của nguyên tố bia,

0 – tiết diện nơtron tại vận tốc 2200 m.s-1,

th – thông lượng nơtron nhiệt,

e – thông lượng nơtron trên nhiệt,

I0()– tiết diện tích phân cộng hưởng cho phổ 1/E1+,

Gth – hệ số hiệu chỉnh cho việc tự che chắn nơtron nhiệt,

Ge – hệ số hiệu chỉnh cho việc tự che chắn nơtron trên nhiệt,

S = 1 – exp(-ti), ti – thời gian chiếu,  - hằng số phân rã,

D = exp(-td), td – thời gian phân rã,

C = [1 – exp(-tm)]/( tm),

γ - cường độ tuyệt đối của tia gamma được đo,

p – hiệu suất ghi tại đỉnh năng lượng toàn phần

2 Các thông số nơtron lò phản ứng

Mỗi vị trí chiếu xạ trong lò phản ứng đặc trưng bởi các thông số phổ nơtron tại vị trí đó như hệ số lệch phổ α, tỉ số thông lượng nơtron nhiệt và nơtron trên nhiệt

2.1 Hệ số α

Hệ số  biểu diễn cho độ lệch phổ nơtron trên nhiệt khỏi quy luật 1/E được

mô tả bằng dạng gần đúng 1/E1+, có giá trị âm hoặc dương trong khoảng [-1,1] phụ thuộc vào từng loại lò phản ứng, vật liệu và cấu hình xung quanh vị trí chiếu Giá trị

 được dùng để tính Q0→Q0(α) trong phương trình cơ bản

Có 3 phương pháp thực nghiệm xác định hệ số , các phương pháp này sẽ được trình bày ở mục 3.1:

- Phương pháp bọc Cadmi cho đa lá dò

- Phương pháp tỉ số Cadmi cho đa lá dò

ϕ thông lượng nơtron nhiệt

ϕ thông lượng nơtron trên nhiệt

Các phương pháp xác định tỉ số f sẽ được trình bày ở mục 3.2

2.3 Thông lượng nơtron

Nơtron trong lò phản ứng chủ yếu là nơtron nhanh (hoặc nơtron phân hạch) được tạo ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân Các nơtron này được làm chậm trong

khoảng 10-15 s do va chạm với chất nhiệt hoá và cuối cùng bị nhiệt hóa thành nơtron nhiệt Nơtron sinh ra trong lò phản ứng có năng lượng trong khoảng 0 đến

20 MeV Trong khoảng năng lượng này nơtron tương tác với vật chất khác nhau trong các miền năng lượng khác nhau Vì vậy, người ta chia phổ nơtron trong lò phản ứng ra làm 3 vùng năng lượng

+ Đặc điểm của các nơtron nhiệt: có năng lượng En trong khoảng 0 < En< 0.55eV, các nơtron chuyển động ở trạng thái cân bằng nhiệt với các phân tử môi trường Trong vùng này mật độ nơtron phụ thuộc vào năng lượng theo phân bố Maxwell-Boltzmann [5]:

E e kT

n E

2 ) (





(1.5)

Trong đó: = ∫ ( ) là mật độ nơtrơn toàn phần

k = 8.61x10-5 eV/K là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ môi trường Ở nhiệt

độ phòng thí nghiệm T = 293.60K thì v = 2200 m/s và năng lượng nơtron nhiệt bằng ET = 0.0253 eV

+ Đặc điểm của các nơtron trung gian (nơtron trên nhiệt): có năng lượng En

trong khoảng 0.55 eV < En< 100 keV, các nơtron trong vùng năng lượng này được gọi là nơtron trên nhiệt, ở vùng này tiết diện tương tác của nơtron với vật chất có dạng cộng hưởng Do đó, miền năng lượng này còn gọi là miền cộng hưởng Một cách lý tưởng, phân bố thông lượng nơtron trên nhiệt tỉ lệ nghịch với năng lượng nơtron E [5]

Trong đó,  ( ) - thông lượng nơtron trên nhiệt vi phân theo năng lượng E, và

 thông lượng nơtron tích phân trên nhiệt theo quy ước Nhưng trong thực tế sự phụ thuộc này thường được biểu diễn theo dạng [5]: