Thạc Sĩ Nghiên cứu phản ứng hạt nhân (p, n) trên bia nặng phục vụ cho thiết kế bia trong lò phản ứng điều kh

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành: Vật Lý Nguyên tử và Hạt nhân
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Năm - 2011

MỤC LỤC ( Luận văn dài 132 trang )
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục


Bảng các chữ viết tắt vi
Danh mục các bảng viii
Danh mục các hình vẽ ix
Mở đầu 1
Chương 1 Tổng quan 13
1.1 Những nghiên cứu trên thế giới về phản ứng (p, n) 13
1.2 Giới thiệu thư viện dữ liệu hạt nhân JENDL 25
1.2.1. File tổng quát 25
1.2.2. File đặc biệt 27
1.2.3. Thư viện dữ liệu năng lượng cao JENDL (JENDL-HE) 28
1.2.4. Cấu trúc của JENDL-HE-2007 28


Chương 2 Mô hình bia đồng nhất 29
2.1 Một số các công thức tính toán 29
2.1.1. Công thức tính tiết diện phản ứng 29
2.1.2. Công thức tính số neutron và hiệu suất sinh neutron 30
2.1.3. Chương trình MATLAB 31
2.1.4. Dữ liệu của thư viện JENDL-HE 31
2.1.5. Xây dựng chương trình tính toán 32
2.2 Một số kết quả 33
2.2.1. Bề dày bia 33
2.2.2. Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên các bia nặng 34
2.2.3. Số neutron sinh ra theo phân bố góc 39
2.2.4. Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên các bia nặng 43
2.2.5. Phân bố góc của neutron 47
2.2.6. Hiệu suất neutron 50
2.3 Kết luận 52


Chương 3 Mô hình màn chắn trên bia 53
3.1 Mô hình tính 53
3.2 Các bước tính toán 56
3.2.1. Năng lượng mất mát của chùm proton tới 56
3.2.2. Sự suy giảm của cường độ dòng proton 58
3.2.3. Số neutron sinh ra 60
3.2.4. So sánh hiệu suất sinh neutron với công trình khác 63
3.2.5. Sử dụng mô hình màn chắn trên bia tính số neutron sinh ra phân bố ở các góc
3.2.6. So sánh số neutron sinh ra được phân bố ở các góc giữa mô hình đồng nhất và mô hình màn chắn
3.3 Kết luận 69
Kết luận chung 71
Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo 72
Danh mục các công trình 74
Tài liệu tham khảo 76
Phụ lục 86

DANH MỤC CÁC BẢNG
1 1.1 Các phiên bản của JENDL 26
2 1.2 Các File dữ liệu JENDL đặc biệt 27
3 1.3 Lĩnh vực ứng dụng của dữ liệu hạt nhân năng lượng cao 28
4 2.1 Quãng chạy tự do trung bình của proton Rp và bề dày các bia U, Pb, Au, W được chọn trong vùng năng lượng
bắn phá của proton từ 0.5 GeV đến 3 GeV
5 2.2 Loại bia dùng cho ADS và năng lượng dòng proton tương ứng
6 2.3 Số neutron sinh ra phân bố ở vùng phía sau các bia (mô hình đồng nhất)
7 2.4 Hiệu suất sinh neutron từ bia 208Pb với năng lượng proton tới là 1,0 GeV
8 3.1 Cường độ dòng proton, số neutron sinh ra, bia 238U dày với Ep=1,5GeV56
9 3.2 Độ mất mát năng lượng riêng của proton khi xuyên qua bia 206Pb, 208Pb, 197Au, 238U, 184W
10 3.3 Số neutron sinh ra phân bố ở góc 1800 phía sau bia 67
11 3.4 Đánh giá sự sai biệt về số neutron sinh ra theo phân bố góc với năng lượng proton 1,5 GeV giữa hai mô hình đồng nhất và màn chắn (số neutron x1018)
12 3.5 Đánh giá sự sai biệt về số neutron sinh ra theo năng lượng proton giữa hai mô hình đồng nhất và màn chắn (số neutron x1018)
13 3.6 Bảng so sánh các thông số cần thiết để lựa chọn bia 70



DANH MỤC HÌNH VẼ
1 Tiêu thụ năng lượng hạt nhân tính bình quân theo đầu người ở một số nước trên thế giới trong năm 20033
2 Mô hình một nhà máy hủy thải phóng xạ vận hành bởi ADS 8 3 2.1 Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên bia 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb bề dày d  Rp 35
2.2 Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên bia 180W, 182W, 184W, 186W bề dày d  Rp
2.3 Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên 197Au dày d  Rp 36 6 2.4 Số neutron sinh từ phản ứng (p, n) trên 238U, 235U dày d  Rp
2.5 Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 180W, 182W, 184W, 186W, 238U, 235U, 197Au dày d  Rp
2.6 Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên bia 238U, 235U, 206Pb, 186W, 197Au, bề dày bia d  Rp với năng lượng của proton tới là 0,5 GeV
2.7 Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên bia 238U, 235U, 206Pb, 186W, 197Au, bề dày bia d  Rp với năng lượng của proton tới là 0,6 GeV
2.8 Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên 206Pb, 238U, 235U, 186W, 197Au bề dày d  Rp năng lượng Ep= 0,7 GeV
2.9 Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên 206Pb, 238U, 235U, 186W, 197Au bề dày d  Rp năng lượng Ep= 0,8 GeV
2.10 Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên 206Pb, 238U, 235U, 186W, 197Au bề dày d  Rp năng lượng Ep= 1,0 GeV
2.11 Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên 206Pb, 238U, 235U, 186W, 197Au bề dày d  Rp năng lượng Ep= 1,5 GeV
2.12 Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên 206Pb, 238U, 235U, 186W, 197Au bề dày d  Rp năng lượng Ep= 2,0 GeV
2.13 Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên 206Pb, 238U, 235U, 186W, 197Au bề dày d  Rp năng lượng Ep= 3,0 GeV
2.14 Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 206Pb với năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 3,0 GeV
2.15 Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 238U với năng lượng bắn phá của proton từ 0.5 GeV đến 3 GeV
2.16 Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 235U với năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 3,0 GeV
2.17 Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 186W với năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 3,0 GeV
2.18 Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 197Au với năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 3,0 GeV
2.19 So sánh tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) giữa tài liệu [10] (hình b) và kết quả của luận án hình (a)
2.20 Phân bố góc của neutron sinh ra trên bia 206Pb với năng lượng của proton từ 0,5GeV đến 1,5 GeV
2.21 Phân bố góc của neutron trên bia 238U với Ep = 0,5 ư1,5 GeV 48
2.22 Phân bố góc của neutron trên bia 238U với Ep= 0,5 ư1,5 GeV 49
2.23 Phân bố góc của neutron sinh ra trên bia 197Au với năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV
2.24 Phân bố góc của neutron với Ep= 800 MeV trên bia 208Pb 50
2.25 Hiệu suất sinh neutron trên bia 208Pb ở mô hình bia đồng nhất và mô hình của Sara T.Mongelli et al. [39]
3.1 Mô hình màn chắn trên bia – Screening effect model 53
3.2 Độ mất mát năng lượng riêng của proton trên các bia 206Pb, 57 238U, 197Au, 186W
3.3 Độ suy giảm của chùm proton trong bia 206Pb, 238U, 197Au, 186W với Ep= 0,5 GeV, Ip=25 mA
3.4 Độ suy giảm của chùm proton trong bia 206Pb, 238U, 197Au,
186W với năng lượng proton tới là 0,8 GeV, cường độ dòng máy gia tốc I = 25 mA
3.5 Độ suy giảm của chùm proton trong bia 206Pb, 238U, 197Au, 186W với năng lượng proton tới là 1,0 GeV, cường độ dòng
máy gia tốc I = 25 mA
3.6 Độ suy giảm của chùm proton trong bia 206Pb, 238U, 197Au, 186W với năng lượng proton tới là 1,5 GeV, cường độ dòng
máy gia tốc I = 25 mA
3.7 So sánh số neutron sinh ra trên bia 206Pb từ phản ứng hạt nhân (p, n) giữa mô hình bia đồng nhất và mô hình màn
3.8 So sánh số neutron sinh ra trên bia 238U từ phản ứng hạt nhân (p, n) giữa mô hình bia đồng nhất và mô hình màn chắn trên bia
3.9 So sánh số neutron sinh ra trên bia 186W từ phản ứng hạt nhân (p, n) giữa mô hình bia đồng nhất và mô hình màn chắn trên bia
3.10 So sánh số neutron sinh ra trên bia 197Au từ phản ứng hạt nhân (p, n) giữa mô hình bia đồng nhất và mô hình màn chắn trên bia
3.11 So sánh hiệu suất sinh neutron ở bia chì từ phản ứng hạt nhân (p, n) giữa mô hình bia đồng nhất, mô hình màn chắn
và công trình của nhóm nghiên cứu Sara T. Mongelli và cộng sự [39]
3.12 Số neutron phân bố theo góc trên 238U, 235U, 206Pb, 186W, 64 197Au với năng lượng proton 0,5 GeV tính theo mô hình màn
chắn trên bia
3.13 Số neutron sinh ra phân bố theo góc trên các bia 238U, 235U, 206Pb, 186W, 197Au với năng lượng của proton là 0,6 GeV tính
theo mô hình màn chắn trên bia
3.14 Số neutron sinh ra phân bố theo góc trên các bia 238U, 235U, 206Pb, 186W, 197Au với năng lượng của proton là 0,7 GeV tính
theo mô hình màn chắn trên bia
3.15 Số neutron sinh ra phân bố theo góc trên các bia 238U, 235U, 206Pb, 186W, 197Au với năng lượng của proton là 0,8 GeV tính
theo mô hình màn chắn trên bia
3.16 Số neutron sinh ra phân bố theo góc trên các bia 238U, 235U, 206Pb, 186W, 197Au với năng lượng của proton là 1,0 GeV tính
theo mô hình màn chắn trên bia
3.17 Số neutron sinh ra phân bố theo góc trên các bia 238U, 235U, 206Pb, 186W, 197Au với năng lượng của proton là 1,5 GeV tính
theo mô hình màn chắn trên bia


MỞ ĐẦU
1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý tưởng về một hệ thống lò phản ứng hạt nhân được điều khiển bằng máy gia tốc (Accelerator Driven System – ADS) do Carlo Rubbia – (nhà vật lý người Ý được giải Nobel vào năm 1984) đề xuất để khắc phục một số nhược điểm của lò phản ứng hạt nhân truyền thống là một trong những vấn đề thời sự trong công nghệ hạt nhân. ADS là lò phản ứng hạt nhân trong đó khối lượng nhiên liệu dùng trong
lò nhỏ hơn khối lượng tới hạn, vì thế bình thường không có phản ứng phân hạch dây chuyền xảy ra. Muốn lò hoạt động, phải có thêm một số neutron “bù”, số neutron này có được nhờ phản ứng hạt nhân (p, n).


Như vậy là lò được điều khiển và kích hoạt bằng neutron sinh ra do tương tác của chùm proton từ máy gia tốc với bia. Neutron sinh ra trên các bia do phản ứng (p, n) kể trên chính là số neutron “bù” làm cho hệ dưới tới hạn trở thành trên tới hạn. Công suất lò được điều khiển bằng máy gia tốc. Để điều khiển hoạt động lò cần thiết phải xác định được số lượng, tính chất, vị trí không gian của “neutron bù” sinh ra trong phản ứng hạt nhân (p, n). Vấn đề phức tạp nhất trong công nghệ chế tạo ADS là tạo ra một hệ điều khiển nhạy và hữu hiệu, trong đó vấn đề quan trọng nhất là tính toán và thiết kế bia để tạo ra neutron khi bia được bắn phá bởi chùm proton từ máy gia tốc.


Vì các lý do trên, nghiên cứu phản ứng hạt nhân (p, n) trên các bia khác nhau ở vùng năng lượng bắn phá khác nhau là bài toán quan trọng và cần thiết cho việc xây dựng và phát triển ADS. Hơn nữa việc tìm hiểu tính chất của neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n) trên các bia nặng cũng cho thêm nhiều thông tin mới về mặt cơ chế của phản ứng hạt nhân (p, n) trong vùng năng lượng xưa nay ít được quan tâm (0,5 ư 1,5 GeV).
Mục tiêu của luận án là góp phần vào việc giải quyết các vấn đề vừa nêu. Luận án là một nghiên cứu có hệ thống về phản ứng hạt nhân (p, n) trên các bia nặng như: 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 180W, 182W, 184W, 186W, 235U, 238U,
197Au trong vùng năng lượng bắn phá của proton là 0,5 đến 1,5 GeV với bước nhảy năng lượng (energy step) là 0,1 GeV. Vùng năng lượng được chọn từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV là vì các nghiên cứu trước đây cho biết số neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n) trong vùng
năng lượng này là nhiều nhất. Hơn nữa với công nghệ hiện nay việc chế tạo máy gia tốc trong vùng năng lượng kể trên có nhiều thuận lợi cả về kỹ thuật cũng như về kinh tế .


Luận án đã đề xuất một mô hình tính toán – mô hình màn chắn trên bia.
Mô hình này đã góp phần cải thiện độ chính xác khi tính toán. Những kết quả thu được có thể được dùng trong nghiên cứu thiết kế các hệ ADS.