CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 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 sự phát triển của kỹ thuật nơtron phin lọc, trình bày một số ứng dụng trong thực tiễn đối với các dòng nơtron phin lọc. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở NGOÀI NƯỚC Một trong những phương pháp tạo dòng nơtron chuẩn đơn năng cường độ mạnh hiện nay trong vùng năng lượng từ 0,4 keV đến vài trăm keV là các chùm nơtron đi qua phin lọc trên cơ sở các kênh ngang của lò phản ứng hạt nhân. Kỹ thuật nơtron 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 nơtron đơn năng từ lò phản ứng, phục vụ các thí nghiệm nghiên cứu về phản ứng bắt nơtron của hạt nhân [1].
Ngày nay, kỹ thuật phin lọc nơtron 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 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,. và đã nhận được các dòng nơtron chuẩn đơn năng, với năng lượng từ 0,498 keV đến 602,5 keV, thông lượng từ 0,13 đến 26,8x106 (n/cm2.s) và cường độ tương đối từ 39,5 đến 99% [2, 3,4] Tại phòng thí nghiệm lò phản ứng hạt nhân của Đại học Ban Ohio (OSURR) đã phát triển các tổ hợp phin lọc nơtron sử dụng các loại vật liệu Bismuth và Sapphire để làm phin lọc và đã nhận được các dòng nơtron chuẩn đơn năng, với năng lượng 0,5 MeV, 0,8 MeV, 1,0 MeV, 1,5 MeV, 2,0 MeV, 3,0 MeV,…[5]. Tại Brookhaven của Mỹ, các chùm nơtron 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 nơtron [2]. Các dòng nơtron phin lọc từ lò phản ứng có ưu điểm là có thông lượng dòng cao đạt từ 105-107 n/cm2s, có độ phân giải năng lượng cao và nền phông 3 luan an gamma thấp.
Các khó khăn chính là để tạo ra các chùm nơtron có chất lượng tốt thì phần lớn các vật liệu phin lọc cần có độ giàu đồng vị cao, do đó dòng nơtron phin lọc nhiệt sử dụng các vật liệu đơn tinh thể như Silic, Berili, Bismuth được phát triển phổ biến hơn ở nhiều nước như Ai Cập, Ấn Độ, Hàn Quốc,. 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 15,2cm, trong đó có 3 kênh xuyên tâm và 1 kênh tiếp tuyến. Cho đến nay 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 dòng nơtron 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 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 105 đến 106 (n/cm2.s) thích hợp cho các nghiên cứu số liệu phản ứng hạt nhân với nơtron. Các phương pháp như phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời, các thí nghiệm đo nơtron 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 nơtron nhiệt đã được thực hiện tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [6]. Năm 2012 kênh xuyên tâm số 2 với hệ thống phin lọc Silic và Bismuth được đưa vào sử dụng phục vụ cho phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời (PGNAA), nghiên cứu phản ứng hạt nhân (n, ), đo xác định thực nghiệm số liệu tiết diện phản ứng hạt nhân với nơtron, tiến hành các thực nghiệm về phản ứng hạt nhân, vật lý hạt nhân, vật lý nơtron và che chắn bức xạ trong công tác đào tạo[2]. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT PHIN LỌC NƠTRON Nơtron có tính chất trung tính về điện, do đó nơtron không bị ảnh hưởng bởi điện tích âm của electron trong lớp vỏ nguyên tử cũng như điện tích dương của hạt nhân.
Tính chất quan trọng này cho phép nơtron đi qua đám mây electron nguyên tử và tương tác trực tiếp với hạt nhân. Chính vì thế, nơtron có thể xâm nhập sâu vào các vật thể và vật liệu. Mặt khác, bước sóng của nơtron thì tỷ lệ nghịch với động lượng của nó. Với hằng số Planck h, khối lượng nơtron mn không đổi, bước sóng giảm xuống theo một hàm của vận tốc v, được thể hiện trong phương trình de Broglie cho bước sóng tính bằng đơn vị nanomet[5].v v Các nơtron có năng lượng cao khi chúng được sinh ra từ các nguồn phản ứng phân hạch và trải qua nhiều tương tác tán xạ để bị làm chậm hoặc điều tiết xuống các năng lượng mà chúng ở trạng thái cân bằng nhiệt với chuyển động của các nguyên tử xung quanh chúng.
Tại thời điểm này, năng lượng có thể được truyền từ nơtron sang hạt nhân và từ hạt nhân đến nơtron. Các nơtron nhiệt theo định nghĩa là các nơtron ở trạng thái cân bằng nhiệt với vật chất ở 300K. Khi đó, ta có thể sử dụng hàm phân bố Maxwell để mô tả phổ của các năng lượng trong trạng thái cân bằng nhiệt này. Năng lượng có thể xảy ra với tỉ lệ cao nhất trong phân bố là 0,0253 (eV), tương ứng với vận tốc nơtron là 2200 (m/s) và bước sóng là 0,18 (nm).
Khi xảy ra các tương tác bắt một nơtron bởi một hạt nhân, dẫn đến một hoặc nhiều tia gamma được phát ra. Sự hấp thụ nơtron và phát xạ tia gamma tiếp theo rất hữu ích trong việc xác định thành phần nguyên tố của mẫu vì mỗi đồng vị tạo ra tia gamma có năng lượng riêng biệt. Trên thực tế, trong các lò phản ứng hạt nhân, chỉ có nơtron nhanh được tạo ra trong quá trình phân hạch hạt nhân. Sự phân bố năng lượng của các nơtron này có thể tính gần đúng bởi công thức Watt [2]: ( E) 0, 484e E sin(2E)0,5 (1.2) 5 luan an Từ lý thuyết phản ứng hạt nhân, chúng ta biết rằng tiết diện tương tác của nơtron với vật chất, tăng rõ rệt theo quy luật 1/v khi giảm năng lượng nơtron.
Trong môi trường chất làm chậm của lò phản ứng hạt nhân, phổ nơtron có phân bố theo ba miền năng lượng như sau : + Nơtron nhiệt : 0 < En < 0,5 eV + Nơtron trung gian : 0,5 eV < En < 100 keV + Nơtron nhanh : 100 keV < En < 20 MeV Cơ sở của kỹ thuật nơtron phin lọc là dựa trên sự suy giảm cường độ chùm nơtron, tại các năng lượng không mong muốn nhưng vẫn đảm bảo được cường độ mạnh tại đỉnh năng lượng quan tâm, khi đi qua vật liệu làm phin lọc có một bề dày đủ lớn. Trong tiết diện nơtron toàn phần của nhiều đồng vị hoặc nguyên tố, có các cực tiểu tạo thành do sự giao thoa của tán xạ thế và tán xạ cộng hưởng, của các sóng nơtron trong vùng năng lượng trung bình. Các cực tiểu này có thể có giá trị tiết diện gần bằng 0 hoặc rất nhỏ. Vì vậy, khi chùm nơtron từ lò phản ứng có năng lượng phân bố từ nơtron nhiệt đến nơtron nhanh, truyền qua vật liệu có độ dày thích hợp sẽ tương tác với vật liệu này giống như lọc nơtron.
Phía sau vật liệu này sẽ nhận được dòng nơtron đơn năng, với giá trị năng lượng tương ứng với cực tiểu của tiết diện toàn phần. Các bước cơ bản nhất để tạo ra một dòng nơtron phin lọc mới, trên cơ sở các kênh ngang của lò phản ứng bao gồm: 1. Tính toán lựa chọn kích thước và tổ hợp các vật liệu phù hợp nhất làm phin lọc, để thu được phổ nơtron đơn năng có độ sạch (cường độ tương đối) đạt gần 100%. Gia công, lắp đặt phin lọc và chuẩn trực dòng nơtron.
Đo và kiểm tra thực nghiệm đỉnh năng lượng, thông lượng và độ sạch đơn năng. Hiệu chỉnh phin lọc để có kết quả phù hợp với thiết kế. 6 luan an Trong luận văn này, chúng tôi trình bày các nghiên cứu tính toán, nhằm chọn lựa các thông số thiết kế tối ưu về kích thước và phân bố phổ năng lượng đơn năng tại 0,0253eV dự kiến sẽ thu được trên cơ sở dòng nơtron qua tổ hợp phin lọc Bismuth và Sapphire từ kênh ngang số 1 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Các kết quả này là số liệu cần thiết để tiến hành phát triển dòng nơtron phin lọc đơn năng 0,0253eV qua tổ hợp phin lọc Bismuth và Sapphire mới trong thời gian tới.
Phổ năng lượng nơtron tạo thành sau phin lọc được tính theo biểu thức sau [2, 4]: 0 ( E ) i ( E )* exp( k dk tk ( E )), (1.3) k Eh ( E )dE 0 I El 20 MeV , (1.4) ( E )dE 5 0 10 eV Trong đó: + 0 ( E ) là phổ thông lượng nơtron tạo thành sau phin lọc, + i ( E ) là phổ thông lượng nơtron từ lò phản ứng tại vị trí trước phin lọc, + k là mật độ hạt nhân của thành phần phin lọc thứ k (số hạt nhân/cm3), + dk là chiều dài của thành phần phin lọc thứ k (cm), + tk ( E ) là tiết diện hấp thụ nơtron toàn phần của vật liệu thứ k, + E là năng lượng nơtron, + I là cường độ tương đối (độ sạch) của đỉnh phổ đơn năng, + El và Eh là cận dưới và cận trên của đỉnh phổ năng lượng chính. Ngoài ra, các công đoạn còn lại như gia công, lắp đặt phin lọc và chuẩn trực dòng nơtron, đo và kiểm tra thực nghiệm đỉnh năng lượng, thông lượng, độ sạch đơn năng và hiệu chỉnh phin lọc để có kết quả phù hợp với thiết kế. 7 luan an Các vấn đề an toàn bức xạ và các điều kiện kỹ thuật cần thiết để đạt được chất lượng dòng nơtron cao nhất là hướng phát triển kế tiếp của đề tài. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DÒNG NƠTRON PHIN LỌC Các bộ lọc thường được sử dụng trong các cơ sở chùm tia để lọc ra tia gamma không mong muốn và thông lượng nơtron nhanh nhằm cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu cho nhiều kỹ thuật phân tích.