MỞ ĐẦU Ngày nay, nền khoa học và công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ, trong đó ngành khoa học và công nghệ hạt nhân cũng đã có những bước phát triển với những ứng dụng thiết thực trong nhiều lĩnh vực kinh tế - xã hội. Nhiều quốc gia trên thế giới đã ứng dụng khoa học kỹ thuật và công nghệ hạt nhân để cung cấp nguồn năng lượng không phát thải khí CO2, sản xuất đồng vị phóng xạ sử dụng trong Ytế và công nghiệp, phục vụ nghiên cứu môi trường, công nghiệp, nông nghiệp, y học hạt nhân. Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt có 4 kênh ngang dẫn dòng neutron từ vùng hoạt lò phản ứng nhằm cung cấp các chùm neutron tại các vị trí thực nghiệm trong không gian nhà lò để phát triển các thiết bị thực nghiệm phục vụ nghiên cứu khoa học, ứng dụng và đào tạo. Để đưa các hệ thiết bị phổ kế mới được đầu tư vào sử dụng hiệu quả, góp phần tăng cường tiềm lực về cơ sở vật chất và năng lực cán bộ, từ năm 2021 kênh ngang số 1 (No.1) của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã được lắp đặt các thiết bị cần thiết để nhận được chùm tia neutron nhiệt có thông lượng cao từ vùng hoạt của lò phản ứng, phục vụ nghiên cứu khoa học về vậy lí hạt nhân thực nghiệm, ứng dụng và đào tạo.
Để đánh giá chất lượng và khả năng ứng dụng của dòng neutron này, cần phải thực hiện việc nghiên cứu xác định thực nghiệm các thông số Vật lí neutron bao gồm: thông lượng neutron nhiệt, tỷ số Cd, phân bố thông lượng neutron theo bán kính và theo trục tâm của kênh. Phương pháp nghiên cứu được áp dụng là phương pháp kích hoạt neutron sử dụng các mẫu chuẩn kim loại tinh khiết dạng lá mỏng và sử dụng hệ phổ kế gamma đa kênh detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe. Ngoài ra các phương pháp xử lý số liệu, tính toán, mô phỏng Monte Carlo sẽ được áp dụng để đạt được mục tiêu của đề tài luận văn. Được sự đồng ý của chủ nhiệm đề tài, người hướng dẫn khoa học và Hội đồng xét duyệt đề tài luận văn thạc sĩ của Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam, tôi đã chọn nội dung nghiên cứu với tên đề tài: “Nghiên cứu xác định các thông số Vật lí neutron tại kênh ngang No.1 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt”, để làm luận văn tốt nghiệp lớp Cao Học khóa 20A, chuyên 5 ngành Vật lí nguyên tử và hạt nhân, tại cơ sở đào tạo là Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Trong lĩnh vực vật lí neutron, kỹ thuật phin lọc neutron để tạo ra dòng neutron chuẩn đơn năng là rất phức tạp và đa dạng. Mặc dù, tôi đã rất cố gắng nhưng do thời gian nghiên cứu tương đối ngắn và là lần đầu tiên tiếp cận với một chủ đề nghiên cứu thực nghiệm hoàn toàn mới nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung cũng như cách trình bày, kính mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong chương này, các nội dung được trình bày một cách tổng quan gồm tình hình nghiên cứu ở ngoài nước và trong nước về kỹ thuật phin lọc neutron, trình bày một số phương pháp nghiên cứu về phin lọc neutron. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở NGOÀI NƯỚC Lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu là một trong những nguồn neutron có thông lượng cao so với các loại nguồn neutron đồng vị hay máy gia tốc.
Đã hơn sáu mươi năm kể từ khi chùm neutron lần đầu tiên được trích xuất qua kênh ngang của lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu và đưa vào ứng dụng, các nghiên cứu này vẫn không ngừng phát triển cả về chất lượng và số lượng trong các lĩnh vực như: nghiên cứu vật liệu, chụp ảnh neutron, số liệu phản ứng hạt nhân, cấu trúc hạt nhân và đào tạo nhân lực ở nhiều nước trên thế giới thuộc tổ chức IAEA, trong đó Việt Nam là một thành viên có các chùm neutron với năng lượng đơn năng trong dải năng lượng nhiệt và trên nhiệt từ các kênh ngang của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (DNRR). Hiện nay theo thống kê của IAEA, trên toàn thế giới có 245 lò phản ứng nghiên cứu đang hoạt động tại 55 quốc gia [1]. Trong đó, Nga là quốc gia có nhiều lò phản ứng nghiên cứu đang hoạt động nhất (63), kế tiếp là Mỹ (42), và nhiều quốc gia có nền khoa hoa kỹ thuật phát triển khác như: Trung Quốc, Nhật, Pháp, Đức. Ngoài ra, có 7 lò phản ứng nghiên cứu đang được xây dựng và 11 lò phản ứng đang có kế hoạch được xây dựng tại 8 quốc gia trong đó có cả Việt Nam.
Việt Nam là một thành viên của Viện Liên hợp nghiên cứu hạt nhân Dubna nên có thể tham gia khai thác kênh neutron tại Viện nghiên cứu này, tuy nhiên việc triển khai nghiên cứu tại nước ngoài gặp khó khăn về tài chính, nhân lực cũng như khó tiếp cận đối với học viên, sinh viên và các cán bộ trẻ chưa có nhiều kinh nghiệm. Các hướng nghiên cứu chính trên các kênh neutron của lò phản ứng hạt nhân trên thế giới hiện nay chủ yếu gồm: tán xạ và nhiễu xạ neutron ứng dụng trong nghiên cứu các tính chất của vật liệu rắn, vật liệu sinh học, vật liệu polymer và vật liệu nano; chụp ảnh neutron; phân tích kích hoạt PGNAA; đo 7 số liệu hạt nhân; nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc hạt nhân; kiểm chứng mô hình vật lí hạt nhân, vật lí thiên văn; ứng dụng trong đào tạo và phát triển nguồn nhân lực về khoa học hạt nhân [2, 3]. Nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu, phát triển và ứng dụng kỹ thuật tán xạ neutron. Hiện tại có khoảng 24 cơ sở nghiên cứu có thiết bị chùm neutron đang hoạt động ở Châu Âu, trong đó có ba cơ sở lớn nhất là Institut Laue- Langevin ở Genoble với lò phản ứng thông lượng cao kể từ năm 1970 là nguồn neutron ổn định cường độ cao nhất trên thế giới; lò phản ứng hiệu suất cao FRM-II ở Garching, Đức [3] và nguồn neutron ISIS tại phòng thí nghiệm Rutherford Appleton, Anh.
Tất nhiên là các trung tâm nghiên cứu với nguồn neutron thông lượng cao cũng có ở Châu Mỹ, Châu Phi, Châu Á và Châu Đại Dương. Ngoài ra cũng có nhiều trung tâm nghiên cứu đã và đang phát triển các chùm hạt neutron và thiết bị phổ kế hạt nhân trên cơ sở kênh ngang của các lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu công suất thấp tương đương với lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, cụ thể như tại lò phản ứng nghiên cứu PULSTAR và OHIO của Mỹ [4, 5], lò phản ứng nghiên cứu TRIGA ở Vienna [6], hay lò phản ứng nghiên cứu PAVIA của Italia [7]. Thiết bị đo là phần không thể thiếu trong các nghiên cứu thực nghiệm về vật lí hạt nhân. Trong lĩnh vực này, các thiết bị thường mang tính đặc thù, ít được sản xuất thương mại và thường phải đặt hàng chế tạo riêng theo thiết kế của từng thí nghiệm.
Vì vậy, các dự án ở các trung tâm nghiên cứu lớn trên thế giới luôn có Phòng thí nghiệm nghiên cứu phát triển thiết bị để hỗ trợ cho các nghiên cứu vật lí. Một trong những phương pháp tạo dòng neutron chuẩn đơn năng cường độ mạnh hiện nay trong vùng năng lượng từ 0,4 keV đến vài trăm keV là các chùm neutron đi qua phin lọc trên cơ sở các kênh ngang của lò phản ứng hạt nhân. Kỹ thuật neutron phin lọc được giới thiệu vào năm 1968 bởi hai nhà khoa học Simpson và Muller, về khả năng sử dụng một số phin lọc để tạo dòng neutron đơn năng từ lò phản ứng, phục vụ các thí nghiệm nghiên cứu về phản ứng bắt nơtron của hạt nhân. 8 Ngày nay, kỹ thuật phin lọc neutron đã được áp dụng ở nhiều nước như Ukraina, Mỹ, Nhật, Hàn Quốc,… Tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Kiev (Ucraina), đã phát triển các tổ hợp phin lọc neutron đơn năng, với năng lượng từ 0,498 KeV đến 602,5 keV, thông lượng từ 0,13 đến 26,8.106 (n/cm2/s) và cường độ tương đối từ 89,5 đến 99%.
Tại lò phản ứng hạt nhân của Đại học Ohio (OSURR) đã phát triển các tổ hợp phin lọc neutron sử dụng các loại vật liệu Bismuth và Sapphire để làm phin lọc và đã nhận được các dòng neutron chuẩn đơn năng, với năng lượng 0,5 MeV, 0,8 MeV, 1,0 MeV, 1,5 MeV, 2,0 MeV, 3,0 MeV,… Tại Brookhaven, Mỹ, các chùm neutron phin lọc 2 keV và 24,5 keV được sử dụng để đo tiết diện bắt bức xạ và nghiên cứu cơ chế phản ứng bắt neutron. Các dòng neutron phin lọc từ lò phản ứng có ưu điểm là có thông lượng dòng cao đạt từ 105-107 n/cm2/s, có độ phân giải năng lượng cao và nền phông gamma thấp, với các thực nghiệm tán xạ neutron ứng dụng trong phân tích vật liệu là cần có nguồn neutron thông lượng cao. Tuy nhiên, thời gian chiếu mẫu tại các thiết bị neutron của các cơ sở lò phản ứng công suất lớn là rất tốn kém và mang tính ứng dụng nhiều hơn, các nguồn neutron thông lượng thấp như TRIGA 250 kW có vai trò rất quan trọng đối với các nghiên cứu cơ bản và đào tạo. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt có 4 kênh neutron phục vụ cho các mục đích nghiên cứu và đào tạo với đường kính kênh là 15,2 cm, trong đó có 3 kênh xuyên tâm và 1 kênh tiếp tuyến.
Đã có 3 kênh được đưa vào sử dụng là kênh tiếp tuyến số 3, kênh xuyên tâm số 2 và kênh xuyên tâm số 4. Các chùm neutron phin lọc từ kênh ngang số 3 và số 4 đã được đưa vào sử dụng từ những năm 1990, kênh ngang số 2 đã được đưa vào sử dụng từ năm 2012 để phục vụ các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Kỹ thuật phin lọc neutron được phát triển ở lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt cho phép nhận được các chùm neutron chuẩn đơn năng với thông lượng từ 105 đến 106 (n/cm2/s) thích hợp cho các nghiên cứu số liệu phản ứng hạt nhân. Các phương pháp như phân tích kích hoạt neutron 9 gamma tức thời (PGNAA), các thí nghiệm đo neutron truyền qua, các nghiên cứu thực nghiệm về cấu trúc và mật độ mức hạt nhân bằng phương pháp đo tổng biên độ các xung gamma trùng phùng từ phản ứng bắt neutron nhiệt đã được thực hiện tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
Việc nghiên cứu mở kênh ngang No.