BÀI GIẢNG kỹ THUẬT hạt NHÂN

Kỹ thuật hạt nhân là ngành kỹ thuật tập trung vào các ứng dụng của các quá trình phân hạch, nhiệt hạch, cùng với những hiện tượng vật lý hạ nguyên tử dựa trên những nguyên lý cơ bản nhất của vật lý hạt nhân. Đối với chuyên ngành phân hạch, kỹ thuật hạt nhân bao gồm luôn các vấn đề về thiết kế và bảo trì những hệ thống và chi tiết như lò phản ứng hạt nhân, nhà máy điện hạt nhân, hay thậm chí là vũ khí hạt nhân. Ngành này còn nghiên cứu về y học hạt nhân, và nhiều ứng dụng khác ví dụ như quá trình bức xạ ion hóa, an toàn hạt nhân, lưu chuyển nhiệt, chu kỳ nhiên liệu hạt nhân, cùng với những kỹ thuật như xử lý chất thải hạt nhân và những vấn đề về phổ biến vũ khí hạt nhân.

Trang 1

Bài giảng

KỸ THUẬT HẠT NHÂN

Biên soạn: ThS Trần Quốc Lâm

Trang 2

C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP

Chuẩn bị 3.2 Ứng dụng các nguồn bức xạ gamma, nơtron có hoạt độ lớn 3.2.1 Phương pháp chụp ảnh bức xạ dùng tia gamma

Trang 3

3.2.4 Các ứng dụng của kỹ thuật nơtron trong NCS

 Ứng dụng phương pháp INAA trong NCS

Trang 4

3.1 Phóng xạ nhân tạo

Phương pháp kích hoạt

Dùng máy gia tốc

Chiếu xạ bởi nơtron trong lò phản ứng

31P(n, γ)32P, đồng vị nhân tạo 32P phóng xạ bêta

với T = 14,3 ngày

59Co (n, γ)60Co, đồng vị phóng xạ nhân tạo 60Co

phóng xạ bêta và gamma với T = 5,3 năm.

Các phản ứng (n, p) cũng được sử dụng để tạo các

đồng vị

14N(n,p)14C

32S(n,p)32P

Trang 5

σ là tiết diện hấp thụ n của hạt nhân bia, tính theo barn

f là độ phổ cập của đồng vị chịu kích hoạt, tính theo %

M là khối lượng nguyên tử của bia, tính theo g

Trang 6

Trang 7

3.2 Ứng dụng các nguồn bức xạ gamma, nơtron có hoạt độ lớn

3.2.1 Phương pháp chụp ảnh bức xạ dùng tia

gamma

Côban 60Co

Đồng vị này phát ra bức xạ gamma với năng lượng

1,17 và 1,33 MeV Chu kỳ bán rã 5,3 năm để trở thành

60Ni

Để tạo được 60Co người ta đã thực hiện phản ứng

59Co(n,γ)60Co trong lò Tiết diện phản ứng chỉ bằng 30b

Do đó thời gian chiếu xạ nơtron trong lò tương đối dài:

Chẳng hạn, chiếu bởi nơtron thông lượng 1011n/cm2.s

trong thời gian chừng 1 năm thì đạt được khoảng 1/8

hoạt độ bão hoà, tức là cỡ 0,1 Ci/g

Trang 8

MeV và 1,223 MeV Bức xạ β- năng lượng 0,525

MeV sinh ra trong quá trình phân rã β- của 182Ta

Sau 4 tuần chiếu xạ nơtron với thông lượng 1011

n/cm2.s vào 181Ta thì thu được 182Ta với hoạt độ

0,033 Ci/g.

Trang 9

3.2.1 Phương pháp chụp ảnh bức xạ dùng tia

gamma

Đồng vị iridium 192Ir

Phản ứng 191Ir (n,γ) 192Ir có tiết diện tương đối

lớn, 269b, đã được ứng dụng để chế tạo 192Ir Đồng

vị này có chu kỳ bán rã 74 ngày, phát bức xạ gamma trong dải năng lượng từ 0,136 đến 0,613 MeV nhưng chủ yếu là 0,32 và 0,47 MeV và các hạt β- với năng lượng 0,66 MeV Chiếu xạ 191Ir trong lò với thông

lượng 1011 n/cm2.s, sau 4 tuần thì đạt được 192Ir với hoạt độ 0,46 Ci/g.

Trang 10

3.2.1 Phương pháp chụp ảnh bức xạ

dùng tia gamma

Sử dụng 137Cs: phát bức xạ gamma 662keV

Các nguồn đồng vị phóng xạ dùng trong chụp ảnh gamma có hoạt độ từ một vài Ci đến một vài kCi Chúng được bảo vệ trong các container bằng chì, có cửa sổ và chỉ mở khi cần chụp ảnh.

Trang 11

dùng tia gamma

Nguyên lý: Chiếu một chùm gamma vào vật liệu cần kiểm tra Tuỳ theo tính chất, hình dạng, vị trí của khuyết tật mà cường độ chùm bức xạ gamma thứ cấp thay đổi

 Các bước: Bố trí; Hấp thụ; Tạo ảnh; Xử lý ảnh; Đọc ảnh

Trang 12

dùng tia gamma

Ứng dụng: chế tạo sản suất, xây dựng

Ưu điểm:

Thông tin thu được biểu diễn tường minh bằng

hình ảnh có thể ghi lại, do đó vừa có thể nhận biết tức thời hoặc ở lúc xa hiện trường.

Hiệu quả cao với vật liệu mỏng và cả đối tượng lớn.

Nhạy với bất kỳ vật liệu nào.

Trang 13

Cần phòng xử lý ảnh, máy phân tích phim và khó

tự động hóa đối với hệ NDT truyền thống.

Không nhạy với hư hỏng bề mặt.

Không chỉ rõ chiều sâu của chỗ hỏng nằm dưới

bề mặt

Trang 14

3.2.2 Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma trong hệ thống kiểm soát hoạt nhân (NCS)

Các hệ thống công nghệ sử dụng đồng vị phóng xạ phục vụ công việc đo đạc, kiểm soát

và điều khiển các quy trình công nghệ hay các nhà máy công nghiệp được gọi chung là

hệ thống kiểm soát điều khiển hạt nhân

Theo nguyên lí, có hai loại hệ NCS: Kỹ thuật đánh dấu và hấp thụ bức xạ

Trang 15

 Nguyên lý:

 Các trường hợp áp dụng kỹ thuật này:

 Bề dày lớp vật chất là hằng số, thì sự suy giảm cường độ

của chùm tia gamma sẽ cung cấp thông tin về mật độ của lớp vật chất đó

 Mật độ phân bố bên trong của lớp vật chất là không đổi thì

sự suy giảm của chùm tia gamma sẽ cung cấp thông tin về độ dày của lớp vật chất

 Đo mức ở các thùng chứa chất lỏng, nhiên liệu

 Các nguồn gamma sử dụng trong kỹ thuật này là các nguồn đồng vị thuộc loại nguồn kín Một số nguồn đồng vị phóng xạ

thường dùng là: Co-60, Cs-137, Ir-192, Am-241.

0 exp( )

I  I  x

Trang 16

Trang 17

Ứng dụng đo mật độ của đất đá:

Thực tế người ta dùng các tia gamma có năng lượng từ

600 keV đến 1500 keV

Hai đồng vị thường được sử dụng trong kỹ thuật đo mật

độ bằng phương pháp gamma truyền qua:

 Đồng vị 137Cs cho các tia gamma năng lượng 662keV, có chu kỳ bán rã là 30 năm và

 Đồng vị 60Co cho các tia gamma năng lượng 1170 và

1330 keV (trung bình là 1250 keV), có chu kỳ bán rã là 5,3 năm là

Trang 18

Biểu thức tính sai số

0 0

c m c

Trang 19

Xác định mật độ đất đá trong điều kiện hiện trường

Trang 20

Xác định mật độ bằng gamma tán xạ

Trang 21

Xác định mật độ bằng gamma tán xạ

1/2 '

Trang 22

Ứng dụng đo mức

Mục đích khác nhau như sau:

Chuẩn hóa hệ thống và lắp đặt thiết bị

Kiểm tra hay theo dõi mức của nguyên liệu bên trong

các thùng hay bể chứa nhiên liệu hay nguyên liệu

Cung cấp thông tin để nhận biết hay dự đoán các sai

hỏng có thể xảy ra bên trong hệ thống

Kiểm tra và hiệu chỉnh điều kiện hoạt động ở một số

nhà máy

Trang 23

Ứng dụng đo mức

Ưu điểm

Không làm ảnh hưởng đến quy trình hoạt động của nhà máy và không gặp khó khăn đối với các trường hợp như nhiệt độ cao, hóa chất có tính độc và tính ăn mòn cao,

Trang 24

Ứng dụng đo mức

Trang 25

Đo tốc độ truyền tải nguyên liệu trên băng truyền

Trang 26

3.2.3 Hệ thống kiểm soát hạt nhân dùng kỹ thuật đánh dấu

Nguyên lý của kỹ thuật này là gắn đồng vị phóng

xạ thích hợp lên dòng chảy chất lỏng hay khí của

hệ thống Các chất được đánh dấu đồng vị sẽ được phân bố trong dòng chất lỏng hay khí, chảy theo dòng chảy trong hệ thống.

Đo phân bố hoạt độ của đồng vị đánh dấu ở lối ra

Từ đó, phân tích được các thông tin về dòng chảy của chất lỏng hay khí bên trong hệ thống như: vận tốc, lưu tốc, thời gian lưu, nhiệt độ, áp suất, độ ổn định, v.v…

Trang 27

Các thông tin này sẽ được truyền về trung tâm điều khiển để đánh gía hoặc so sánh với các thông

số đã được chuẩn hóa của quy trình công nghiệp Như vậy, có thể đo kiểm tra, kiểm soát, chuẩn hóa

và điều khiển được sự hoạt động của các hệ thống

ở các nhà máy công nghiệp theo định kỳ Ví dụ: các nhà máy hoá chất, xử lý nước thải, sản xuất nhựa, tinh chế và truyền tải dầu khí, v.v…Điển hình của ứng dụng này là dùng để đo thông lượng dòng chảy

và đo phân bố thời gian lưu trong các qui trình công nghiệp.

Trang 28

Ứng dụng phương pháp đánh dấu đo thông lượng dòng chảy

Áp dụng trong các trường hợp sau:

Đo lưu lượng dòng chảy với độ chính xác cao phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau như: xác định hiệu xuất của quy trình, độ ổn định, v.v…

Cung cấp số liệu, thông tin về đặc điểm truyền dẫn chất lỏng của hệ thống giúp cho việc vận hành và điều khiển tối ưu

Kiểm tra và chuẩn hóa các thông số cũng như các chi tiết phần cứng liên quan của hệ thống

Trang 29

Điểm bơm chất đánh dấu

Hình 3.8 Cấu hình thiết bị của phép đo thông lượng dòng chảy

Khoảng cách d

t Ad

Q 

Trang 30

Một số đồng vị phóng xạ thường được sử dụng

Trang 31

Khuếch đại

và xử lý tín hiệu

Máy phân tích

1 2

Bể Detector 1 Detector 2

Trang 32

Kỹ thuật đánh dấu đồng vị phóng xạ được ứng dụng rất hiệu quả trong phân tích, xác định phân bố thời gian lưu của các bể chứa, ống dẫn chất lỏng trên các quy trình xử lý công nghiệp Từ số liệu phân bố thời gian lưu của chất lỏng, người ta có thể đánh giá được tình trạng hay các sai hỏng xảy ra bên trong bể chứa Từ đó các nhà kỹ thuật có thể kiểm soát và điều khiển được thể tích hiệu dụng tối

ưu của hệ thống một cách nhanh chóng và chính xác.

Trang 33

Do phản ứng 58Fe(n,γ)59Fe mà đồng vị bền 58Fe trở thành phóng xạ Vòng bi có tính phóng xạ này được đặt vào trong động cơ Độ hư mòn của vòng

bi xem như một hàm của các thông số vận hành và các điều kiện kỹ thuật khác nhau như loại dầu bôi trơn, nhiệt độ, tốc độ Đo hoạt độ phóng xạ của dầu bôi trơn sẽ biết được độ hư mòn của vòng bi.

Độ nhạy cao

Trang 34

Nguồn phát nơ tron phổ biến: Cf-252

Trong phản ứng (n,), có hai loại bức xạ gamma phát ra là:

gamma tức thời: phương pháp phân tích kích hoạt nơtron (PGNAA)

gamma trễ:

Trang 35

Nguồn phát nơ tron phổ biến: Cf-252

Trang 36

Ứng dụng phương

pháp INAA trong NCS

Có hiệu quả trong

công nghiệp sản xuất

bê tông, công nghiệp

khai thác và xử lý

quặng kim loại.

Dây chuyền Nguồn

nơtron

Tấm chắn bảo vệ Máy dò tia

gamma Tín hiệu phân tích

Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý của hệ phân tích kích

hoạt nơtron online và điều khiển trong công nghiệp.

Trang 37

Ứng dụng Phương pháp PGNAA

Các bước:

Nơtron nhiệt phát ra từ nguồn tương tác với các hạt nhân nguyên tử của các thành phần nguyên tố trên băng truyền và kích thích các hạt nhân này phát gamma tức thời

Các bức xạ gamma tức thời này mang thông tin đặc trưng

về năng lượng của mỗi nguyên tố

Gamma tức thời được đo bởi các detector nhấp nháy và được chuyển thành tín hiệu xung điện

Trang 38

Tín hiệu điện được khuếch đại, chuyển thành tín hiệu số và tạo thành phổ năng lượng gamma bằng các khối điện tử và máy tính

Phổ năng lượng tia gamma sẽ được phân tích và cung cấp

số liệu về phần trăm hàm lượng của các thành phần nguyên liệu hiện tại trên băng truyền

Số liệu phân tích sẽ được truyền đến trung tâm điều khiển

để có những so sánh với các thông số chuẩn và điều chỉnh cho thích hợp

Trang 39

Ưu điểm

Cung cấp các phép đo online nhằm phân tích các thành phần nguyên liệu với thời gian nhanh chóng và độ chính xác cao

Bảo đảm việc điều khiển các tham số quyết định đến chất lượng của sản phẩm

Đo và điều khiển được gần như là 100% các chỉ tiêu trong công nghiệp sản xuất

Đáp ứng được nhu cầu điều khiển đối với các quy trình có tần số cao

Trang 40

Ứng dụng nơtron trong thăm dò, tìm kiếm dầu

Trang 41

Trang 42

3.2.6 Nhà máy điện nguyên tử

Diagram of Nuclear Power Plant

Trang 43

Trang 44

nước – nước

Hình 3.20: Lò nước áp lực Thiết bị sinh hơi

Trang 45

Hình 3.21: Lò nước sôi

Trang 46

Graphite được sử dụng làm chất làm chậm, chất truyền

nhiệt trong lò phản ứng graphite có thể là nước nhẹ, nước nặng, gas, hoặc kim loại nóng chảy

Các thanh nhiên liệu được xếp trong các ống dẫn cùng các chất truyền nhiệt Bao quanh các ống dẫn là graphite Ở

nhiệt độ cao, graphite xảy ra phản ứng với không khí, do đó chất làm chậm graphite được xếp vào trong các hộp kín làm bằng kim loại Lớp bảo vệ sinh học được làm bằng bê tông dày, khí trơ Heli hoặc CO2 bơm vào bên trong lò phản ứng

Trang 47

lượng lớn (notron nhanh)

được làm giàu (15%)

liệu được làm giàu, và sắp xếp gần nhau, nên nhiệt lượng tỏa ra rất lớn, do đó công suất của loại lò phản ứng này lớn Chất truyền nhiệt phải có khả năng trao đổi nhiệt nhanh, thường là kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na và K) Cũng do sử dụng nguyên liệu là các thanh Uran được làm giàu nên mức độ an toàn cũng thấp hơn các loại lò khác

Định dạng
Số trang	47
Dung lượng	764,5 KB