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
--------------------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

XÁC ĐỊNH PHÂN BỐ THÔNG LƯỢNG NEUTRON
TRONG BẪY NEUTRON CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
ĐÀ LẠT

SVTH: Nguyễn Tống Giang
CBHD: ThS. Trần Quốc Dưỡng
CBPB: TS. Trịnh Hoa Lăng

TP. HỒ CHÍ MINH, 7 – 2016


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
--------------------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:



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 Gth ....................................15

2.3.3.

Tính tiết diện kích hoạt neutron nhiệt ...................................................15

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.
4.2.

Chương trình MCNP.............................................................................31

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

4.2.1.

Tổng quan .............................................................................................32


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
Hin
̀ h 2.1: Sơ đồ phân rã của Au-198 ........................................................................18
Hin
̀ h 2.2: Tiết diện vi mô tổng của Dy, Au và Cd theo năng lượng ........................19
Hin
̀ h 2.3: Sơ đồ phân rã của Lu-177 ........................................................................22
Hin
̀ h 3.1: Phổ năng lượng neutron điển hình trong vùng hoạt LPƯ. .......................25


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.

1


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

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
3


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.

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.

5


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

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

7


8

Hỡnh 1.1 Mt ct ng ca Lũ phn ng ht nhõn Lt [3].

8. Bể chứa nhiên
liệu

7. Vành phản xạ
Graphite

6. Vùng hoạt

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:
D2  a  s  

1 
 t

(2.1)

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:
11

 a  nf  a . f là hệ số sử dụng nhiên liệu. Đặt k  nf ,
a

gọi là hệ số nhân vô hạn. Phương trình (2.4) trở thành:
 DBg2   a  k  a  0

(2.5)

 DBg2  (k  1) a  0

(2.6)

Hay:

Đặt L2 

D
ta có:
a

 Bg2 

Đặt Bm2 

 k  1   0
L2

(2.7)

 k 1 , Vậy đối với vùng hoạt LPƯ đang tới hạn:


Trong đó: H (cm) là chiều cao ngoại suy của vùng hoạt; R (cm) là bán kính ngoại suy
của vùng hoạt; J 0 là hàm Bessel loại một bậc không và xn là lời giải bậc không thứ
n của J 0 .

Do đó, phân bố mật độ thông lượng neutron cân bằng là:
 2, 405.r 
  .z 
 cos 

 R 
 H 



 r  0 .J 0 

(2.12)

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:





 r  v.n r

(2.13)

 a.th - 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 

R
 a.th N s

(2.16)

2.3.1. Tốc độ phản ứng R
Số hạt nhân phóng xạ (N) sinh ra trong suốt quá trình kích hoạt neutron chính là
hiệu giữa tốc độ sinh ra và quá trình phân rã:
dN
 R   N (t )
dt

(2.17)

Trong đó:  (s-1) - hằng số phân rã của hạt nhân sau khi kích hoạt.
t (s) - thời gian.

Ở thời điểm ban đầu chưa có hạt nhân phóng xạ nào ( N 0  0 ), giải phương trình
vi phân (2.17), ta được:
N (t ) 

R
 (1  e t )


m N AG
A

(2.22)

Trong đó: m (g) - khối lượng mẫu.
 - độ giàu đồng vị.
A (g) - Số khối của đồng vị.

N A  6,02.1023 - hằng số Avogadro.

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 :
Gth 

 th , sample
 th

(2.23)

Kết hợp công thức (2.21), (2.22), (2.23) ta có tốc độ phản ứng trên một hạt nhân
bia:
R

A(T , ).e
1
 T


mn (g) - khối lượng của neutron.

k - hằng số Boltzmann.
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:
v0 

2kT
mn

(2.26)

Ở nhiệt độ phòng, T0  293 K (20oC), v0  2200 m/s, do đó E0  k .T  0.0025 eV.
Vận tốc trung bình của neutron nhiệt theo phân bố Maxwell-Boltzmann:
v

2



v0

(2.27)

Ta chọn các lá dò có tiết diện bắt neutron nhiệt (hay còn gọi là tiết diện kích hoạt)
tuân theo quy luật 1 v nên từ công thức (2.27), ta có:
v  0

 0 (barn) - tiết diện kích hoạt tương ứng với vận tốc v0  2200 m/s (tại

nhiệt độ T0 ).
Tn - 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 v và nhiệt độ neutron Tn cho
bởi:
 v.act (Tn )   0.act


2

T0
Tn

(2.30)

Trong đó:  0.act (barn) - tiết diện kích hoạt tương ứng với vận tốc v0  2200 m/s (tại
nhiệt độ T0 = 293 K).
2.3.4. Kết luận
Áp dụng các công thức (2.24), (2.30) vào công thức (2.16), ta được công thức
tính thông lượng neutron vùng nhiệt:
 th 

A(T , ).e 2
1  e  T


Tn 1 1

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:
Ath  Ab  ACd

(2.32)

Trong đó: Ath - hoạt độ neutron nhiệt.
Ab - hoạt độ lá dò trần.

ACd - 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:
18


RCd 

A  Aepi
Ab
A
A
 th
 1  th  RCd  1  th
ACd
Aepi
Aepi


Hin
̀ h 2.2: Tiết diện vi mô tổng của Dy, Au và Cd theo năng lượng [4].
2.4.2. Tính tốc độ phản ứng R từ số neutron
liệu đo đạc thực nghiệm
Nhắc lại công thức tính tốc độ phản ứng (2.21):

19

(2.34)