0

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
___________________ PHẠM NGỌC SƠN PHÁT TRIỂN DÒNG NƠTRON NHIỆT TRÊN CƠ SỞ KÊNH NGANG
SỐ 2 CỦA LÒ PHẢN ỨNG ĐÀ LẠT VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
TRONG THỰC NGHIỆM ĐO SỐ LIỆU HẠT NHÂN CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. VƯƠNG HỮU TẤN
2. TS. MAI XUÂN TRUNG ĐÀ LẠT, THÁNG 10/2012
1 TÓM TẮT

Một hệ thiết bị dẫn dòng nơtron bằng kỹ thuật phin lọc bao gồm
hệ phin lọc, hệ chuẩn trực và cấu trúc che chắn bức xạ đã được tính
toán thiết kế, tối ưu hóa bằng kỹ thuật mô phỏng Monte-Carlo.
Toàn bộ hệ thiết bị dẫn dòng nơtron này đã được triển khai thiết kế,
chế tạo và lắp đặt thành công trên kênh nơtron số 2 của lò phản ứng
Đà lạt, để dẫn dòng nơtron nhiệt từ lò phản ứng phục vụ các thí
nghiệm nghiên cứu đo số liệu hạt nhân. Qua các kết quả khảo sát
và thử nghiệm có thể đánh giá một cách khách quan rằng dòng
nơtron nhiệt có chất lượng tốt và đã đáp ứng mục tiêu đặt ra là có
khả năng ứng dụng để đo số liệu hạt nhân và các ứng dụng khác
liên quan đến phản ứng (n, γ).


và phản ứng hạt nhân, nghiên cứu vật lý thiên văn và y học hạt nhân, [5-13].
Viện Nghiên cứu hạt nhân Kiev (Ucraina), đã phát triển các tổ hợp phin lọc
nơtron sử dụng các loại vật liệu Ni, Fe, S, B, Al, Mn, Mg, Si, Sc và các đồng vị
Cr-52, Fe-54, Fe- 56, Ni-58, Ni-60, Ni-62, Ni-64, B-10, để làm phin lọc và đã
nhận được các dòng nơtron chuẩn đơn năng 0.498, 1.772 , 1.866, 4.302, 12.67,
17.63, 24.34, 58.8, 133.3, 148.3, 275.0 và 313.7 keV. Trên cơ sở các dòng
nơtron phin lọc này, các nghiên cứu thực nghiệm về tiết diện phản ứng nơtron
4

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước:
Lò phản ứng hạt nhân Đà lạt có 4 kênh nơtron phục vụ cho các mục đích
nghiên cứu với đường kính kênh là 15,2 cm, trong đó có 3 kênh xuyên tâm và 1
kênh tiếp tuyến. Cho đến nay đã có 3 kênh ngang được đưa vào sử dụng là kênh
tiếp tuyến số 3, kênh xuyên tâm số 2 và 4. Các dòng nơtron phin lọc từ kênh
ngang số 3 và số 4 đã được đưa vào sử dụng từ những năm 1990 phục vụ các
nghiên cứu cơ bản và ứng dụng [5]. Năm 1990 kỹ thuật phin lọc nơtron được
phát triển ở lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt cho phép nhận được các chùm nơtron
chuẩn đơn năng với thông lượng từ 10
4
-10
6
n/cm
2
/s thích hợp cho các nghiên
cứu số liệu phản ứng hạt nhân với nơtron. Các dòng nơtron đơn năng cao trên
kênh ngang số 4 bao gồm: nhiệt, 54keV, 148keV đã được phát triển và đưa vào
sử dụng từ những năm 1990; và các dòng nơtron đơn năng mới 24keV, 59keV
và 133keV đã được phát triển vào năm 2008 [5]. Năm 1988 kênh tiếp tuyến số 3
được đưa vào sử dụng phục vụ hướng nghiên cứu phân tích kích hoạt nơtron
gamma tức thời (PGNAA), chụp ảnh nơtron và các thí nghiệm đo nơtron truyền

- Giảm thiểu được cấu trúc che chắn phức tạp bên ngoài kênh,
- Có cơ chế tháo lắp dễ dàng.
Hệ dẫn dòng nơtron theo thiết kế có dạng hình trụ; tổng chiều dài là 153 cm;
đường kính trong là 9,4 cm; đường kính ngoài gồm 2 phần liên kết cố định với
nhau: phần thứ nhất (hướng vào phía vành phản xạ của lò phản ứng) có chiều
dài 99,6 cm với đường kính ngoài là 15 cm khớp với đường kính trong (φ = 15,2
cm) của ống dẫn kênh 2 bằng nhôm (inner part) và phần thứ 2 có chiều dài 50,7
cm với đường kính ngoài là 20,1cm khớp với phần đường kính trong (φ = 20,3
cm) của ống dẫn kênh 2 bằng thép (outer part).
6

Mặt ngoài của hệ dẫn dòng là một vỏ bọc được chế tạo bằng vật liệu nhôm
dày 4mm; mặt trong là một ống nhôm dày 2,5 mm. Mặt đáy trong là một vành
bằng nhôm dày 3cm có dạng hình côn có tác dụng dẫn hướng, để tạo ra sự dễ
dàng trong quá trình lắp đặt, đường kính ngoài 15cm khớp với mặt ngoài bằng
ren vặn, đường kính trong là 6,5cm và chuẩn tâm cho mặt trong. Mặt đáy trong
ngoài chức năng dẫn hướng, còn có chức năng chính là tạo ra sự liên kết kín
giữa mặt trong và mặt ngoài, chốt phin lọc và ống chuẩn trực không vượt ra khỏi
hệ dẫn dòng. Mặt đáy ngoài là một vành tròn bằng nhôm dày 2,7cm, đường kính
ngoài 15cm khớp với mặt ngoài bằng ren vặn, đường kính trong là 9,4cm khớp
và chuẩn tâm cho mặt trong. Trên mặt đáy ngoài này có hai lỗ ren φ= 8mm và
khe tiện theo rãnh hình chữ L có tác dụng để tạo ra sự liên kết với thanh đẩy
trong quá trình lắp đặt hoặc tháo ra. Ngoài ra mặt đáy ngoài cũng có chức năng
tạo ra sự liên kết kín và vững chắc giữa mặt ngoài và mặt trong.
Phần không gian của hình trụ giữa các mặt trong và mặt ngoài được lấp đầy
bằng hợp chất hấp thụ nơtron SWX-277 (
chứa 1,56% Bo, 3.44x10
22
nguyên tử
Hydro/cm

ngoài
= 20,1cm, φ
giữa
= 12cm, φ
trong
= 3cm, bao gồm: 3 lớp vật liệu
chuẩn trực dọc theo chiều của dòng nơtron. Các lớp chuẩn trực được chế tạo từ
vật liệu Pb tổng chiều dài là 30cm và 5 lớp chuẩn trực chế tạo từ vật liệu
Borated + Hydrogenated Concrete (SWX-277 chứa 1.56% B) tổng chiều dài là
60 cm. Bản vẽ thiết kế ống chuẩn trực được mô tả trên Hình 2.3. Các lớp chuẩn
trực khác loại được thiết kế xen kẽ nhau. Ở vị trí cách lối ra của kênh khoảng
30cm, là khối chuẩn trực bằng thép không rỉ, dày 7cm, nặng 25kg, được thiết kế
vừa có chức năng che chắn bức xạ gamma vừa có chức năng bảo đảm kín nước
chủ động cả khi kênh mở cũng như khi kênh ở trạng thái đóng. Hình 2.3. Bản vẽ thiết kế ống chuẩn trực Nơtron và Gamma trên kênh 2 (đơn vị mm). Mô hình thiết kế tổng thể toàn bộ hệ thống dẫn dòng nơtron và chuẩn trực bên
trong kênh 2 được mô tả trên Hình 2.4. 8 Hình 2.4. Mô tả vị trí lắp đặt hệ thống dẫn dòng nơtron và kín nước vào bên trong kênh
ngang số 2. 1: Hệ dẫn dòng nơtron, 2: Các phin lọc nơtron, 3: Vỏ nhôm của hệ dẫn dòng, 4: Khối
cản chắn bức xạ bằng thép, 5: Ống chuẩn trực nơtron và gamma, 6: Các khối che chắn bức xạ gamma
và nơtron, 7: Hệ bảo đảm kín nước, 8: Khối cản xạ của kênh ngang số 2, 9: Cửa sắt của kênh ngang

phần vật liệu được thay đổi để thu được dòng nơtron đơn năng có độ sạch cao và
thông lượng đáp ứng được yêu cầu (trên 10
6
n/cm
2
/s). Số liệu ban đầu về phổ
thông lượng nơtron từ lò phản ứng (white neutron spectrum) đã được xác định
thực nghiệm tại vị trí trước phin lọc của kênh ngang số 4 của lò phản ứng hạt
nhân Đà Lạt. Các mô hình tính toán được mô tả qua các biểu thức sau [11]:

∑
−=
k
tkkkio
EdEE ))(exp(*)()(
σρφφ
, (2.1.1)

∫
∫
−
=
h
l
E
E
o
MeV
eV
o

I là cường độ tương đối (độ sạch) của đỉnh phổ đơn năng,
E
l
và E
h
là cận dưới và cận trên của đỉnh phổ năng lượng chính.
10

Kiểm tra chương trình tính toán phổ nơtron phin lọc CFNB
Chương trình tính toán các thông số vật lý của phổ nơtron phin lọc CFNB
(Calculation for Filtered Neutron Beams) đã được nghiên cứu phát triển bằng
ngôn ngữ lập trình VC++6.0. Để đưa chương trình tính toán này vào sử dụng
trong các nghiên cứu của chuyên đề, chương trình CFNB đã được kiểm tra và
hiệu lực hoá bằng cách so sánh với kết quả tính toán bằng phương pháp Monte
Carlo sử dụng chương trình MCNP5. Một số kết quả của chương trình đã được
báo cáo trong tài liệu tham khảo [16]. Từ các kết quả so sánh cho thấy rằng
chương trình CFNB có độ chính xác tốt và hoàn toàn có thể sử dụng được. Các
kết quả quả kiểm tra so sánh và sơ đồ thuật toán của chương trình được mô tả
trong các Hình 2.5-2.10.

0.0
5.0x10
-2
1.0x10
-1
1.5x10
-1
2.0x10
-1
0.0

2.0x10
2
4.0x10
2
6.0x10
2
8.0x10
2
1.0x10
3
CFNB
MCNP

Intensity (a.u)
E
n
(MeV)

Hình 2.5. Kết quả so sánh chương trình CFNB
và MCNP5 đối với đỉnh năng lượng nơtron phin
lọc 54keV
Hình 2.6. Kết quả so sánh chương trình CFNB
và MCNP5 đối với đỉnh năng lượng nơtron phin
lọc 133keV

0.0
1.0x10
-2
2.0x10
-2

-2
1.0x10
-1
1.5x10
-1
2.0x10
-1
0.0
2.0x10
3
4.0x10
3
6.0x10
3
8.0x10
3
1.0x10
4
1.2x10
4
CFNB
MCNP

Intensity (a.u)
E
n
(MeV)Hình 2.7. Kết quả so sánh chương trình CFNB

Thuật toán 1
() ()
()
.
kktk
k
dE
i
EEe
ρσ
φφ
−
∑
=
0
Tính
p
hổ thôn
g
lượn
g
neutron sau
p
hin lọc

()
EdE
φφ
∫
30000

đối của đỉn h
p
hổ đơn năn
g
I =
Ve õ đồ th ò
Hiển thò bản
g
tha
y
đổi kích thước,
mật đo ä của tổ hợp phin lọc
Đ
S
Lưu lại dư õ liệu ?
Lưu lại dư õ liệu
Đ
S
Kết thúc
1
1

7.30103
5.
30.000
10 ( 1 29,999)
t
i
Ei
−+

E
h
E
h
σ
σ
σσ
+
+
Δ= −
Δ=−
Δ
=−
Δ
=+
,
kk
E
σ
1kk=+
29,999k ≥
1kn
E
E
+
≥Hình 2.9. Sơ đồ thuật tốn của chương trình
CFNB

Trong đó:
abs
σ
: tiết diện bắt nơtron.

tds
σ
: tiết diện khuếch tán nhiệt hay tiết diện tán xạ khơng đàn hồi.

bragg
σ
: tán xạ Bragg.

Đối với một mẫu vật liệu có độ dày đủ lớn thì tán xạ Bragg có thể bỏ qua [13],
chỉ còn hai thành phần chính là
abs
σ
và
tds
σ
đóng góp vào tiết diện nơtron tồn
12

phần. Thành phần
abs
σ
là tiết diện hấp thụ nơtron tuân theo quy luật 1/v (v là vận
tốc của nơtron) và phụ thuộc vào năng lượng E của nơtron như sau [13]:

; C

>
≤
=
−
63,3
6
36
2/7
2/1
xx
xR
A
bat
sph
σ
σ
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
E
D
θ
(2.1.3)

Trong đó:
bat
σ

Thành phần
mph
σ
là tiết diện tán xạ Đa-Phonon (multi-phonon scattering), thành
phần này chiếm trọng số chủ yếu trong
tds
σ
khi năng lượng E ≥ K
B
D
θ
(K
B
là
hằng số Boltzamann). (
)
[
]
{
ECBB
Tfreemph 20
exp1
}
+
−
−=
σ

ζ
ζζϕ
là tiết diện nguyên tử tự do.
[
2
)1/( += AA
batfree
σσ
]

Các giá trị của các tham số sử dụng trong tính toán được trích dẫn từ tài liệu
tham khảo [13] và được tổng hợp trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Giá trị các tham số sử dụng trong tính toán tiết diện nơtron toàn phần đối
với một số vật liệu đơn tinh thể [13].
Vật liệu
bat
σ

(barn)
abs
σ

(barn)

0
/ vn
A
D
θ


Hình 2.11.
Đồ thị biểu diễn kết quả tính toán tiết diện nơtron toàn phần của đơn tinh
thể Silic trong vùng năng lượng từ 10
-7
eV đến 1eV. Số liệu thực nghiệm trích dẫn từ
tài liệu tham khảo [18].

14

0.1
1
10
0.0001 0.0010 0.0100 0.1000 1.0000
Năng lượng (eV)
Tiết diện nơtron toàn phần (bar
n
Số liệu tính toán
Số liệu thực nghiệm [19]

Hình 2.12. Đồ thị biểu diễn kết quả tính toán tiết diện nơtron toàn phần của đơn tinh
thể Bismuth trong vùng năng lượng từ 10
-7
eV đến 1eV. Số liệu thực nghiệm trích dẫn
từ tài liệu tham khảo [19]

Từ các kết quả so sánh cho thấy rằng có sự phù hợp tương đối tốt giữa số
liệu tính toán của chúng tôi và các giá trị thực nghiệm trích dẫn trong các tài liệu
[18,19]. Các số liệu tính toán kết hợp với số liệu trong thư viện số liệu hạt nhân
JENDL4.0 để tính toán, đánh giá phổ năng lượng và các tham số của dòng

eV
eV
Nhanh
nhiet
dEE
dEE
N
N
1
1
0
)(
)(Các kết quả tính toán tỷ số N
nhiet
/N
nhanh
và phân bố phổ năng lượng của dòng
nơtron nhiệt theo các độ dài phin lọc khác nhau được mô tả trên các Hình 2.13-
2.14.
0.E+00
1.E+09
2.E+09
3.E+09
4.E+09
5.E+09
6.E+09
0 20406080100120

500
600
700
800
0 20 40 60 80 100 120
Độ dài phin lọc (cm)
Tỷ số: Nơtron nhiệt / Nơtron nhanh
Si
Si + 2cm Bi
Si+ 4cm Bi

Hình 2.14. Kết quả tính toán phân bố của tỷ số thành phần nơtron nhiệt / nơtron nhanh theo
các độ dài phin lọc khác nhau
.

Nhận xét: Từ các kết quả tính toán tỉ số thông lượng nơtron nhiệt trên nơtron
nhanh theo chiều dài phin lọc như mô tả trên Hình 2.14. cho thấy rằng giá trị
chiều dài tốt nhất đối với phin lọc đơn tinh thể Si là 80 cm. Khi bổ sung phin lọc
phụ Bi từ 2 đến 4cm thì tỷ số nơtron nhiệt / nơtron nhanh tăng từ 420 đến 700.
17 Mô phỏng Monte Carlo
Quá trình mô phỏng Monte Carlo đã được thực hiện lặp lại nhiều lần qua
các bước thiết kế, hiệu chỉnh và tối ưu hoá. Trong nội dung này, chúng tôi tập
trung mô tả các kết quả tính toán mô phỏng đối với mô hình thiết kế đã được
chọn lựa tốt nhất để đưa vào triển khai chế tạo. Các kết quả chính được quan
tâm đánh giá là mức độ an toàn bức xạ và thông lượng dòng nơtron. Toàn bộ
thiết kế tổng thể bao gồm hệ thống dẫn dòng nơtron, hệ kín nước và các hệ che
chắn bảo đảm an toàn bức xạ để lắp đặt trên kênh ngang số 2 đã được mô hình

60Si+4Bi
40Si+4Bi
20Si+4Bi

Hình 2.15. Kết quả tính toán phân bố phổ năng lượng nơtron tương đối theo các độ dài phin
lọc khác nhau

Với độ dài phin lọc là 80cm tinh thể Si + 3cm tinh thể Bi thông lượng nơtron
nhiệt tích phân tại lối ra của kênh có thể đạt giá trị > 1x10
6
n/cm
2
/s; tỷ số Cd
>200. Với các kết quả tính toán đã mô tả trên đây, có thể nhận định rằng mô
hình thiết kế toàn bộ hệ thống dẫn dòng, chuẩn trực và che chắn bức xạ cho
kênh ngang số 2 đã đáp ứng được các mục tiêu và yêu cầu đặt ra. Hình 2.16. Mô phỏng Monte-Carlo cấu trúc hình học và vật liệu hệ thống che chắn chuẩn trực
và dẫn dòng nơtron và gamma trên kênh 2 3.0 3.2 1.8 1.2 0.8 0.5
34 3.2 2.5 4.4
0.5
34 3.2 2.5 4.4
3.0 3.2 1.8 1.2 0.8 0.5

nhanh. Hình ảnh của các phin lọc nơtron sau khi chế tạo được mô tả trên các
Hình 2.20 và 2.21.
Số lượng các phin lọc nơtron đã gia công chế tạo bao gồm:
• 3 phin lọc đơn tinh thể Silic, mỗi phin lọc có chiều dài 20cm và đường kính
là 7,5cm.
• 6 phin lọc đơn tinh thể Silic, mỗi phin lọc có chiều dài 10cm và đường kính
là 7,5cm.
• 3 phin lọc đơn tinh thể Bismuth, mỗi phin lọc có chiều dài 3cm và đường
kính là 5,0cm.
• Tất cả các phin lọc đều được gắn chuẩn trục trong vỏ bọc bằng nhôm. Giữa
phin lọc và vỏ bọc có một lớp đệm bằng chất liệu Cotong mềm để cố định
phin lọc và chống nứt hoặc vỡ phin lọc trong quá trình sử dụng.

Hình 2.20. Hình ảnh phin lọc Silic sau khi gia công
21 Hình 2.21a. Hình ảnh mô tả các phin lọc nơtron nhiệt bằng tinh thể Si sau khi chế tạo

Hình 2.21b. Hình ảnh mô tả các phin lọc nơtron nhiệt bằng tinh thể Bi sau khi chế tạo


Tia gamma 411keV từ sự phân rã
β
-
của hạt nhân Au-198 được đo bằng hệ phổ
kế đa kênh kỹ thuật số DSPEC
jr
-ORTEC sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết
HPGe 58% hiệu suất ghi tương đối. Giá trị thông lượng nơtron tại vị trí chiếu
mẫu được xác định thông qua số liệu đo hoạt độ phân rã của Au
198
và tốc độ
phản ứng bắt nơtron trong mẫu .
Các kết quả về thông lượng nơtron nhiệt, thông lượng nơtron trên nhiệt, tỷ
số R
Cd
và suất liều bức xạ trung bình ở các khoảng cách khác nhau từ hệ che
chắn bức xạ (tương ứng với các cấu hình phin lọc khác nhau) được mô tả trên
Bảng 3.1. Số liệu phân bố thông lượng nơtron nhiệt theo tiết diện ngang của
dòng nơtron đã được xác định theo chiều thẳng đứng qua tâm của dòng nơtron
(theo truc toạ độ Y) và theo chiều ngang qua tâm của dòng nơtron (theo trục toạ
X); khoảng cách giữa các điểm khảo sát là 5mm; kết quả được mô tả trên các
Bảng 3.3-3.4 và trên các Hình 3.2-3.3. Số liệu phân bố thông lượng nơtron nhiệt
24

dọc theo chiều của kênh đã được xác định tại các vị trí trên trục xuyên tâm của
dòng nơtron (theo trục tọa độ Z); các vị trí khảo sát cách nhau 40 cm; kết quả
xác định được mô tả trên Bảng 3.3 và Hình 3.4.
Bảng 3.1. Kết quả đo thực nghiệm thông lượng nơtron nhiệt, tỉ số Cadmi tại vị trí chiếu mẫu
đối với các cấu hình phin lọc khác nhau
TT Cấu hình phin lọc Thông lượng

Φ = 3cm
2 80cm Si + 3cm Bi
(Single Crystal)
1.02
×10
6

± 0.14%
2.82×10
2

± 0.96%
230 Hình trụ
Φ = 3cm
3 40cm Si + 9cm Bi
(Single Crystal)
1.51
×10
6
± 1.57%
4.85
×10
2
± 1.45%
128
Hình cone
Φ
1
= 5.0cm
Φ

của dòng nơtron; trục Z trùng với tâm và hướng theo phương ra của dòng ); thời điểm đo:
ngày 10 tháng 04 năm 2012.
Vị trí toạ độ (cm) TT
X Y Z
Suất liều gamma
(
μSiver/h)
Suất liều nơtron
(μSiver/h)
1
0 20 0
3.5 1.8
2
0 20 100
1.7 1.7
3
0 20 200
0.8 4.5
4
0 0 250
0.7 0.5
5
50 0 0
7.0 0.6
6
50 0 100
5.0 0.9