BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
___________________ TRẦN TUẤN ANH
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẤU HÌNH CHE CHẮN PHÓNG XẠ
CHO KÊNH NƠTRON PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU CƠ BẢN VÀ
ỨNG DỤNG TẠI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. VƯƠNG HỮU TẤN
2. TS. PHẠM ĐÌNH KHANG
ĐÀ LẠT – 2012
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 3
CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG KÊNH NƠTRON SỐ 3 4
1.1. Tổng quan kênh nơtron số 3 4
1.1.1. Phần cấu trúc bên trong tường bảo vệ sinh học lò phản ứng 4
1.1.2. Phần cấu trúc bên ngoài tường bảo vệ sinh học lò phản ứng 5
1.2. Các đặc trưng cơ bản của KS3 6
1.3. Một số vấn đề tồn tại và biện pháp khắc phục 9

các kênh ngang của lò phản ứng phục vụ các nghiên cứu vật lý cơ bản và đào tạo
cán bộ là một định hướng khai thác lò không thể thiếu. Những kết quả nghiên
cứu khoa học và đào tạo thu được trong thời gian qua được thể hiện qua số lượng
các đề tài nghiên cứu khoa học đã được triển khai, số lượng học viên cao học và
nghiên cứu sinh đã được đào tạo và số lượng các công trình nghiên cứu đã công
bố. Các kết quả trên góp phần khẳng định lĩnh vực nghiên cứu khai thác các
dòng nơtron từ các kênh ngang của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là một lĩnh vực
nghiên cứu hiệu quả, không thể thiếu và cần được đầu tư chiều sâu.
Các hoạt động nghiên cứu trên KS3 chủ yếu là nghiên cứu số liệu và cấu
trúc hạt nhân sử dụng hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng và thực tập
vật lý nơtron cho sinh viên các trường đại học [4, 6]. Tuy nhiên không gian bố trí
thí nghiệm tại KS3 chật hẹp nên rất khó khăn trong việc bố trí thí nghiệm do đó
cần phải tiến hành quy hoạch lại KS3 theo hướng hiệu quả, an toàn thuận tiện
nhằm khai thác tối đa các trang thiết bị hiện có, tiến hành đồng thời nhiều thí
nghiệm khi lò hoạt động để nâng cao khả năng nghiên cứu. Để thực hiện việc
này cần phải có các tính toán đưa ra một cấu hình che chắn phóng xạ cho hệ thiết
bị nghiên cứu mới trong trường hợp tháo dỡ toàn bộ tường bao che chắn phóng
xạ bằng bê tông và gỗ hiện tại nhằm mở rộng không gian thí nghiệm đảm bảo về
mặt an toàn bức xạ và an toàn hạt nhân, tính thẩm mỹ phục vụ nghiên cứu cơ
bản, ứng dụng và đào tạo.

4
CHƯƠNG 1
HIỆN TRẠNG KÊNH NƠTRON SỐ 3
1.1. Tổng quan kênh nơtron số 3
Kênh nơtron số 3 (KS3) của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được mở và
đưa vào sử dụng từ những năm 90 của thế kỷ truớc. Thời gian đầu kênh được sử
dụng cho mục đích chụp ảnh nơtron và phân tích kích hoạt nơtron gamma tức
thời (PGNAA). Để đảm bảo an toàn bức xạ cho người sử dụng, khu vực bên
ngoài kênh được che chắn bằng vách tường bê tông, chỉ còn lại một lối đi hẹp

khối chuẩn trực bằng chì để giảm các phông gamma từ vùng hoạt và gamma phát
ra từ các vật liệu che chắn.
- Khối cản xạ là một hộp vuông bằng thép được đặt chìm vào mặt ngoài
của tường bê tông bảo vệ của Lò phản ứng. Khối này có kích thước 23 x 23cm
và dày 11,4cm được làm từ các lá thép dày 6,3mm và chứa đầy chì có thể chuyển
động theo thanh hướng ngang về một bên mở ra lối thao tác đến kênh ngang.
Khối cản xạ có tác dụng làm giảm áp lực nước trong trường hợp rò rỉ nước từ

5
thùng lò ra kênh và che chắn phóng xạ khi đóng kênh. Tuy nhiên trong quá trình
xây dựng kênh từ giai đoạn trước, khối cản xạ đã được tháo ra và thay thế bởi
một khối parafin pha Boron và chì để che chắn phóng xạ từ dòng nơtron. Việc
đưa lại khối cản xạ theo đúng cấu trúc cũ cũng sẽ được thực hiện trong tính toán
này.
Sơ đồ cấu trúc bên trong KS3 được chỉ ra ở Hình 1.1.

Hình 1.1: Cấu trúc bên trong KS3
1.1.2. Phần cấu trúc bên ngoài tường bảo vệ sinh học lò phản ứng gồm:
- Cửa kênh là một tấm sắt được chế tạo từ thép dày 9,5mm và được dát
chì dày 3,2cm để tăng cường che chắn bức xạ. Cửa được gắn trên bản lề, ở phía
trên cửa có vành đệm bằng cao su và bảy cái ép gien cho phép ép kín cửa để


ra

N
ước vào/ra

80 mm

1500 mm

Chì

P
araphin
-
BKhông khí

khÝ

H
2
O
Bê tông
Si
Bơm điện
Thùng nước cất
Chuẩn trực 12mm
3,6m
Bàn làm vi
ệc

Tường bao che chắn
C
ửa k
ênh

Hệ che chắn
phóng xạ cho hệ
(n, 2γ)
Hệ chắn dòng nơtron
3

6

10



7

Bảng 1.1: Suất liều nơtron (D
n
) và gamma (D
g
) trong trường hợp kênh mở và kênh
đóng
Vị
trí
D
n
(µSv/h) D
g
(µSv/h)
0,5m 1m 1,5m 0,5m 1m 1,5m
Mở Đóng Mở Đóng Mở Đóng Mở Đóng Mở Đóng Mở Đóng
1
0.60 0.2 0.57 0.2 0.57 0.2 1.47 0.7 1.03 0.7 1.17 0.7
2
0.80 0.3 0.67 0.3 0.93 0.3 1.33 1.1 1.73 0.9 1.43 0.8
3
0.93 0.2 0.87 0.2 0.93 0.2 5.03 3.7 4.37 3.5 4.43 3.5
4
1.63 0.4 2.00 0.4 1.63 0.4 8.63 3.1 9.77 3.8 10.13 5.4
5
1.23 0.3 1.50 0.3 1.53 0.3 7.17 3.0 7.80 2.5 8.97 4.5
6
1.23 0.4 0.80 0.4 1.03 0.4 9.10 2.0 5.93 1.5 9.07 2.5

2
2.5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Vị trí
Suất liều nơtron (
µ
µ
µ
µ
Sv/h)
Kênh mở
Kênh đóng

Hình 1.4: Phân bố suất liều nơtron trong trường hợp kênh mở và kênh đóng ở độ cao
1m

8
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Vị trí
Suất liều gamma (
µ
µ
µ

g
) trong trường hợp có và không che chắn chì
Độ
cao
D
g
(µSv/h)
Khe hở CN Vị trí 11 Vị trí 12
Không chì Có chì Không chì Có chì Không chì Có chì
0.5m

15.5 3.7 15.6 2.8 2.2 1.2
1m 32.1 3.9 24.1 3.6 2.6 1.4
1.5m

45.8 5.0 24.5 4.3 3.1 1.5
1.3. Một số vấn đề tồn tại và biện pháp khắc phục
Trong quá trình làm thực nghiệm trên KS3 đã xuất hiện một số vấn đề
sau:
1. Cần thiết phải đưa lại khối cản xạ vào cửa kênh theo đúng cấu trúc của lò
TRIGA MARK nhằm bảo đảm an toàn bức xạ và an toàn hạt nhân trong
trường hợp sự cố rò rỉ nước từ thùng lò ra kênh nơtron.
2. Do giới hạn của tường che chắn xung quanh kênh nên không gian để tiến
hành thí nghiệm rất chật chội, không thuận tiện cho việc bố trí hai hoặc ba
detector đồng thời, đặc biệt khi đổ nitơ hoặc cần di chuyển các detector.
3. Khó khăn khi bố trí đồng thời hai thí nghiệm cùng lúc để tiết kiệm thời
gian đo đạc như nghiên cứu phân rã gamma nối tầng, đo truyền qua, đo
phổ nơtron,…
4. Cửa kênh phải mở thường xuyên khi tiến hành thí nghiệm nên không đảm
bảo đuợc yêu cầu an toàn hạt nhân khi lò có sự cố rò rỉ nước qua các kênh

11
CHƯƠNG 2
TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG MONTE CARLO
Mô phỏng cấu hình che chắn phóng xạ được thực hiện bằng chương trình
MCNP nhằm xác định suất liều nơtron và gamma tại 51 vị trí như nêu trên. Các
kết quả tính toán là cơ sở để người làm thực nghiệm đưa ra được cấu hình che
chắn phóng xạ tối ưu cho hệ thiết bị điện tử và khu vực làm việc đảm bảo tiêu
chuẩn an toàn bức xạ. Mô hình tính toán gồm 02 mô hình: Mô hình tính toán cho
cấu hình che chắn phóng xạ hiện tại (validation chương trình tính toán) và mô
hình tính toán cho cấu hình che chắn phóng xạ mới trong trường hợp tháo dỡ
tường bao che chắn tại KS3.
2.1. Tính toán suất liều nơtron và gamma cho cấu hình che chắn phóng xạ
hiện tại
2.1.1. Mô hình tính toán:
- Hệ dẫn dòng nơtron: là một ống thép với hai phần đường kính 203mm
dài 1650mm và đường kính 152mm dài 1500mm được nối với nhau. Phần nhỏ
của ống thép được đặt tại hốc trụ rỗng trong vành phản xạ, phần còn lại kết thúc
tại mặt ngoài tường bêtông bảo vệ sinh học của lò phản ứng. Kênh này cho dòng
nơtron với phông gamma từ vùng hoạt thấp nhất.
- Phin lọc Silic 50cm: được bố trí sau hệ đóng mở dòng nơtron. Silic có
tác dụng nhiệt hóa nơtron nhanh thành nơtron nhiệt. Chiều dài phin lọc 50cm là
kích thước tối ưu để thông lượng nơtron nhiệt và tỉ số Cadmi là lớn nhất.
- Hệ chuẩn trực dòng nơtron: kính ngoài 203mm dài 300mm được làm
bằng parafin pha Boron, Li, Cd [5] là các vật liệu có tiết diện hấp thụ nơtron lớn
có tác dụng tạo dòng nơtron đường kính 1,2cm và 2,5cm (tùy thuộc từng cấu
hình thực nghiệm), ngoài ra còn có các khối chuẩn trực bằng chì để giảm các
phông gamma từ vùng hoạt và gamma phát ra từ các vật liệu che chắn.
- Hệ che chắn phóng xạ cho hệ phổ kế (n, 2
γ
): gồm hai buồng chì kích

7 0.84 1.1 0.97 0.9 1.14 0.87
8 1.04 1.73 1.08 1.6 1.33 1.63
9 1.05 1.67 1.21 1.63 1.39 1.6
10 0.99 1.67 1.19 1.73 1.35 1.7
11 0.19 0.6 0.23 0.7 0.26 0.63
12 0.08 0.13 0.09 0.23 0.1 0.2
13 0.14 0.2 0.17 0.23 0.19 0.23
14 0.14 0.23 0.16 0.23 0.18 0.23
Phin lọc
Silic
Hệ chắn
dòng
nơtron
Buồng chì
che chắn
detector
Vị trí bàn
làm việc
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

MCNP
Exp

Hình 2.2: So sánh phân bố suất liều nơtron ở độ cao 1m
Bảng 2.2: Suất liều gamma tính toán và đo thực nghiệm
Vị trí
Độ cao 0.5 m Độ cao 1 m Độ cao 1.5 m
MCNP Exp MCNP Exp MCNP Exp
1 2.26 1.47 2.19 1.03 2.64 1.17
2 2.27 1.33 2.52 1.73 2.85 1.43
3 5.9 5.03 8.49 4.37 9.36 4.43
4 9.01 8.63 8.53 9.77 6.83 10.13
5 3.89 7.17 3.27 7.8 2.53 8.97
6 2.87 9.1 2.31 5.93 2.32 9.07
7 5.19 6.83 5.47 5.77 6.27 8.43
8 11.65 13.37 15.84 13.03 14.82 14
9 17.25 19 25.04 12.03 23.53 16.87
10 23.8 22.17 28.51 26.33 26.12 23.2
11 19.09 15.57 24.94 24.1 27.3 24.5
12 5.44 2.23 6.56 2.63 7.75 3.13
13 4.87 0.81 5.86 1.01 6.92 0.79
14 4.65 0.63 5.59 0.58 6.32 0.63
15 2.03 0.52 1.74 0.52 1.95 0.49
16 1.33 0.51 1.33 0.53 1.49 0.6
17 3.53 0.65 3.66 0.67 4.01 0.54 14
0
5

vậy không thể bố trí che chắn phóng xạ ở khoảng không gian này.
+ Vị trí 11 (ngoài tường bao): do ảnh hưởng của phông phóng xạ
từ khe hở 2cm ở cột nhiệt. (xem Bảng 1.2).
Kết quả tính toán phù hợp với kết quả thực nghiệm khẳng định rằng trên
cơ sở cấu hình che chắn phóng xạ hiện tại có thể xây dựng mô hình tính toán cho
cấu hình che chắn thí nghiệm mới trong trường hợp tháo dỡ tường bao tại KS3.
Tuy nhiên trong cấu hình mới cần phải tính toán che chắn bổ sung các vị trí ảnh
hưởng nhằm đảm bảo an toàn bức xạ.
2.2. Tính toán suất liều nơtron và gamma cho cấu hình che chắn phóng xạ
mới
2.2.1. Mô hình tính toán
- Hệ dẫn dòng nơtron: tương tự cấu hình cũ
- Phin lọc Silic 50cm: tương tự cấu hình cũ
- Hệ chuẩn trực dòng nơtron: gồm ba khối parafin pha B
4
C có kích thước
tương tự nhau với khối trụ đường kính ngoài 203mm dài 300mm, trên thân khối
trụ này gia công hai lỗ để đặt ống dẫn nước từ hệ đóng mở dòng nơtron. Một

15
khối trụ nhỏ hơn với đường kính ngoài 100mm, đường kính trong 30mm, dài
300mm được đúc bằng parafin pha B
4
C mật độ cao có tác dụng dẫn dòng nơtron
ra ngoài kênh. Các khối chuẩn trực này còn có tác dụng làm giảm liều phóng xạ
từ vùng hoạt ra cửa kênh
- Khối cản xạ: là một hộp vuông bằng thép được đặt chìm vào mặt ngoài
của tường bê tông bảo vệ của Lò phản ứng. Khối này có kích thước 23 x 23cm
và dày 11,4cm được làm từ các lá thép dày 6,3mm và chứa đầy chì có thể chuyển
động theo thanh hướng ngang về một bên mở ra lối thao tác đến kênh ngang.

- Hệ chắn dòng nơtron: là khối chì đường kính 36cm, dài 33cm bao
quanh khối parafin+B
4
C đường kính 22,6cm, dài 25cm được lắp trên một chân
đế có thể di chuyển được trên ray dẫn hướng. Hệ này có tác dụng chắn toàn bộ
dòng nơtron từ kênh đi ra
Hình 2.4 là mô hình tính toán cho cấu hình che chắn phóng xạ và bố trí thí
nghiệm mới tại KS3 trong trường hợp tháo dỡ tường bao. 16

Hình 2.4: Sơ đồ hệ che chắn phóng xạ mới trên KS3
2.2.2. Kết quả tính toán
Phân bố suất liều nơtron và gamma được chỉ ra ở Bảng 2.3, Bảng 2.4 và
Hình 2.5, Hình 2.6.
Bảng 2.3: Bảng so sánh suất liều nơtron tính toán cho 2 cấu hình mới và cũ
Vị trí
Độ cao 0.5 m Độ cao 1 m Độ cao 1.5 m
CH mới CH cũ CH mới CH cũ CH mới CH cũ
1
0.39 0.84 0.84 0.76 0.39 0.42
2
0.44 0.66 0.69 0.92 0.08 0.71
3
0.37 0.53 0.22 0.65 0.35 0.69
4
0.14 2.29 0.22 2.67 0.34 2.42
5
0.23 1.49 0.50 1.77 0.51 2.17

5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Hệ che
chắn phóng
xạ bổ sung
KS4
Cột nhiệt

17
15
0.66 0.20 0.15 0.22 0.20 0.23
16
0.36 0.20 0.86 0.22 1.05 0.22
17
0.26 0.35 0.49 0.40 0.51 0.41

0
0.5
1

10 1.67 23.80 4.56 28.51 6.04 26.12
11 6.27 19.09 9.08 24.94 11.26 27.30
12 5.17 5.44 6.41 6.56 6.72 7.75
13 4.42 4.87 6.83 5.86 5.06 6.92
14 5.62 4.65 5.90 5.59 4.13 6.32
15 1.82 2.03 2.67 1.74 3.02 1.95
16 2.88 1.33 3.64 1.33 5.12 1.49
17 2.06 3.53 1.47 3.66 3.28 4.01

18

0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Vị trí
Suất liều gamma (
µ
µ
µ
µ
Sv/h)
CH mới
CH cũ

Hình 2.6: So sánh phân bố suất liều gamma tính toán

3.1.Hình 3.1: Cấu trúc cửa kênh khi lắp lại khối cản xạ

3.1.2. Thiết kế cấu hình che chắn kín nước
Cửa kênh KS3 hiện tại được thay bằng một tấm thép có kích thước 61,3 x
40,4cm, dày 10mm được vít chặt vào cửa kênh. Giữa cửa kênh và tấm thép
có một đệm cao su có tác dụng làm kín nước. Tại vị trí tâm dòng trên tấm
thép gia công một lỗ tròn đường kính 10cm và đặt một nắp nhôm đường kính
6cm, dài 8cm, dày 2mm có đệm cao su và các đai ốc để bắt chặt vào tấm thép

20
cửa kênh, có tác dụng để nơtron đi qua nhưng vẫn đảm bảo kín nước trong
trường hợp kênh bị rò rỉ nước từ thùng lò (xem Hình 3.2 và 3.3).

Hình 3.2: Kích thước nắp nhôm kín nước

Hình 3.3: Hệ che chắn kín nước với cửa sổ nhôm dày 2mm

Sự suy giảm thông lượng nơtron khi đi qua bề dày lớp nhôm và suất liều
nơtron và gamma đóng góp trong trường hợp nơtron tương tác với cửa sổ
nhôm được tính toán bằng chương trình MCNP4C2. Kết quả trên Hình 3.4 và
Hình 3.5 chỉ ra rằng với bề dày lớp nhôm 2mm thông lượng nơtron nhiệt
giảm khoảng 2% và suất liều nơtron và gamma do tán xạ nơtron với nắp
nhôm đóng góp vào phông phóng xạ tại vị trí bàn làm việc của KS3 là

21
3,5µSv/h và 0,2µSv/h tương ứng. Vì vậy cần phải có che chắn bổ sung trước
cửa kênh nhằm giảm suất liều cho toàn khu vực thí nghiệm.

µ
µ
µ
µ
Sv/h)
Dp-thermal
Dn-thermal

Hình 3.5: Suất liều nơtron và gamma đóng góp vào phông phóng xạ

3.1.3. Thiết kế hệ che chắn phóng xạ bổ sung
Trong trường hợp lắp lại khối cản xạ vào cửa kênh thì một phần không gian
trong lòng cửa kênh không được che chắn phóng xạ, do đó cần phải tiến hành che
chắn bổ sung trước cửa kênh để giảm liều phóng xạ. Hệ che chắn phóng xạ bổ sung
trước bao gồm hai lớp: lớp thứ nhất là khối parafin pha B
4
C kích thước 47 x 53 x
13cm có tác dụng che chắn nơtron từ kênh và khối chì kích thước 57 x 63 x 18cm có
tác dụng che chắn gamma tán xạ trước cửa kênh. Tại vị trí tâm dòng nơtron trên hệ
che chắn phóng xạ đặt một chuẩn trực đường kính 3cm để tạo dòng nơtron đến mẫu
chiếu. Hệ này có thể di chuyển ra xa cửa kênh trên một ray dẫn hướng để người làm

22
thực nghiệm có thể thay đổi phin lọc hoặc thay đổi cấu trúc bên trong lòng kênh.
Hình 3.6 là hệ che chắn phóng xạ trước cửa KS3.

Hình 3.6: Hệ che chắn phóng xạ bổ sung trước cửa kênh (chì và parafin+B
4
C)
3.1.4. Thiết kế cấu hình che chắn phóng xạ và bố trí hệ đo đa mục đích

đế có thể di chuyển được trên ray dẫn hướng. Hệ này có tác dụng chắn toàn bộ
dòng nơtron từ kênh đi ra (Hình 3.9).

Hình 3.9: Hệ chắn dòng nơtron

24
3.1.6. Thiết kế ray dẫn hướng cho toàn hệ
Ray dẫn hướng toàn hệ được làm bằng các thép có chiều dài 2m, cao
84cm, rộng 57cm có tác dụng giúp bàn di chuyển buồng chì và hệ chắn dòng
nơtron di chuyển dễ dàng, thuận tiện trong thao tác thay phin lọc và thay đổi các
chuẩn trực trong kênh (Hình 3.10).

Hình 3.10: Ray dẫn hướng toàn hệ

25Hình 3.11: Toàn cảnh hệ che chắn phóng xạ mới tại KS3 sau khi tháo dỡ tường bao