Luận văn thạc sĩ hus xác định thành phần và khối lượng của plutionium trong nguồn pube bằng phương pháp gamma

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus xác định thành phần và khối lượng của plutionium trong nguồn pube bằng phương pháp gamma, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Văn Quân
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Văn Loát
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
• Đề tài: Xác định thành phần và khối lượng của Plutonium trong nguồn PuBe bằng phương pháp Gamma
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PLUTONI
• 1.1. Lịch sử khám phá
• 1.2. Ứng dụng của Plutoni
• 1.2.1. Chế tạo bom nguyên tử
• 1.2.2. Chế tạo nhiên liệu ô xít hỗn hợp MOX
• 1.2.3. Làm nguồn phát nhiệt
• 1.2.4. Tác hại của Plutoni
• 2. GHI NHẬN GAMMA PHÁT RA TỪ NGUỒN PUBE VÀ CÁC VÙNG NĂNG LƯỢNG
• 2.1. Ghi nhận gamma phát ra từ nguồn PuBe
• 2.2. Các vùng năng lượng hữu ích sử dụng để xác định hàm lượng Pu
• 2.2.1. Vùng năng lượng 40 keV
• 2.2.2. Vùng năng lượng 100 keV
• 2.2.3. Vùng năng lượng 125 keV
• 2.2.4. Vùng năng lượng 148 keV
• 2.2.5. Vùng năng lượng 160 keV
• 2.2.6. Vùng năng lượng 208 keV
• 2.2.7. Vùng năng lượng 332 keV
• 2.2.8. Vùng năng lượng 375 keV
• 3. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG VÀ KHỐI LƯỢNG CỦA PLUTONI
• 3.1. Phương pháp xác định hàm lượng
• 3.2. Phương pháp xác định sử dụng chương trình MGA++
• 3.3. Phương pháp xác định sử dụng chương trình Gamma Vision
• 3.4. Phương pháp tính toán khối lượng
• 3.4.1. Giảm sai số hệ thống của giá trị F1E
• 3.4.2. Sử dụng đỉnh 129 keV để ước lượng giá trị R
• 3.4.3. Ước lượng khối lượng MPu của các nguồn không biết thông tin về hình dạng
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kiểm tra phương pháp cho nguồn PuBe đo năm 2002
• 4.2. Ứng dụng phương pháp xác định hàm lượng dùng Gamma Vision cho trường hợp nguồn PuBe đo năm 2009
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về Plutonium và nguồn PuBe trong nghiên cứu

Plutonium là một nguyên tố hóa học phóng xạ, có ký hiệu Pu và số nguyên tử 94. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hạt nhân, bao gồm chế tạo bom nguyên tử và nhiên liệu hạt nhân. Nguồn PuBe, hỗn hợp giữa Plutonium và Berili, phát ra neutron và gamma mạnh mẽ, làm cho việc xác định hàm lượng Plutonium trong nguồn này trở nên cần thiết. Việc xác định chính xác khối lượng và thành phần của Plutonium trong nguồn PuBe là một thách thức lớn do thiếu thông tin về hình dạng và cấu trúc bên trong của nguồn.

1.1. Lịch sử khám phá và ứng dụng của Plutonium

Plutonium được phát hiện vào năm 1940 và nhanh chóng trở thành một nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp hạt nhân. Đồng vị 239Pu là đồng vị chính được sử dụng trong chế tạo bom nguyên tử và nhiên liệu hạt nhân. Việc kiểm soát và quản lý Plutonium là rất quan trọng để ngăn chặn việc sử dụng trái phép.

1.2. Tác hại của Plutonium đối với sức khỏe con người

Plutonium là một chất độc phóng xạ, có thể gây hại nghiêm trọng cho sức khỏe con người. Nó tích tụ trong tủy xương và có thể gây ra các bệnh ung thư. Do đó, việc xác định và quản lý Plutonium là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

II. Thách thức trong việc xác định Plutonium trong nguồn PuBe

Việc xác định hàm lượng Plutonium trong nguồn PuBe gặp nhiều khó khăn do các yếu tố như hình dạng không xác định và sự phát xạ mạnh của neutron và gamma. Các phương pháp hiện tại thường không hiệu quả khi hàm lượng Plutonium thấp hơn 75%. Điều này đặt ra thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu trong việc phát triển các phương pháp mới.

2.1. Các vấn đề liên quan đến phương pháp hiện tại

Nhiều phương pháp hiện tại không thể tính toán chính xác hàm lượng Plutonium khi hàm lượng thấp. Điều này dẫn đến việc cần thiết phải phát triển các phương pháp mới có độ chính xác cao hơn.

2.2. Tác động của sự phát xạ gamma đến kết quả đo

Sự phát xạ gamma từ nguồn PuBe có thể gây nhiễu cho các phép đo, làm giảm độ chính xác của kết quả. Việc hiểu rõ về các vùng năng lượng phát xạ gamma là rất quan trọng để cải thiện độ chính xác trong việc xác định hàm lượng Plutonium.

III. Phương pháp Gamma trong xác định Plutonium

Phương pháp Gamma là một trong những kỹ thuật chính được sử dụng để xác định hàm lượng Plutonium trong nguồn PuBe. Phương pháp này dựa trên việc ghi nhận các tia gamma phát ra từ nguồn và phân tích các đỉnh năng lượng để xác định hàm lượng Plutonium.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp Gamma

Phương pháp Gamma hoạt động dựa trên việc ghi nhận các tia gamma phát ra từ Plutonium và phân tích các đỉnh năng lượng trong phổ gamma. Các đỉnh này tương ứng với các đồng vị khác nhau của Plutonium, cho phép xác định hàm lượng chính xác.

3.2. Các chương trình phân tích Gamma hiện đại

Các chương trình như MGA++ và Gamma Vision được sử dụng để phân tích phổ gamma và xác định hàm lượng Plutonium. Những chương trình này giúp giảm thiểu sai số và cải thiện độ chính xác trong việc xác định khối lượng Plutonium.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp Gamma có thể xác định chính xác hàm lượng Plutonium trong nguồn PuBe. Việc áp dụng phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong việc xác định khối lượng Plutonium mà còn có thể được áp dụng trong các lĩnh vực khác như an toàn hạt nhân và quản lý chất thải hạt nhân.

4.1. Kết quả xác định hàm lượng Plutonium trong nguồn PuBe

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp Gamma có thể xác định chính xác hàm lượng Plutonium trong các mẫu PuBe, ngay cả khi hàm lượng thấp. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc quản lý và kiểm soát Plutonium.

4.2. Ứng dụng của phương pháp trong an toàn hạt nhân

Phương pháp Gamma không chỉ có giá trị trong việc xác định Plutonium mà còn có thể được áp dụng trong việc giám sát an toàn hạt nhân, giúp phát hiện sớm các nguy cơ liên quan đến vật liệu hạt nhân.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Việc xác định Plutonium trong nguồn PuBe bằng phương pháp Gamma đã chứng minh được tính hiệu quả và độ chính xác cao. Hướng phát triển tương lai có thể bao gồm việc cải tiến các phương pháp phân tích và mở rộng ứng dụng của phương pháp này trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã xác định thành công hàm lượng Plutonium trong nguồn PuBe bằng phương pháp Gamma, mở ra cơ hội cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

5.2. Hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới để cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong việc xác định Plutonium, đồng thời mở rộng ứng dụng của phương pháp Gamma trong các lĩnh vực khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ngày nay các kỹ thuật cũng như các vật liệu hạt nhân được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của cuộc sống. Plutoni là một đồng vị phóng xạ rất nguy hiểm đối với con người cũng như các cơ thể sống khác. Nó là một thành phần quan trọng để chế tạo bom nguyên tử cũng như bom bẩn và sẽ rất nguy hiểm khi rơi vào tay các tổ chức khủng bố. Vì vậy kiểm soát việc quản lý cũng như vận chuyển trái phép các vật liệu có chứa Pu đã được IAEA kiểm soát gắt gao.

Hungari có tổng cộng 152 nguồn PuBe do đó việc tính toán hàm lượng và khối lượng của các nguồn này là rất cần thiết. Nguồn PuBe là hỗn hợp của Plutoni và Berili theo tỷ lệ Pu/Be = 1/13 và phát xạ neutron và gamma rất mạnh. Thông thường nguồn PuBe chứa các đồng vị siêu Urani bao gồm 237U, 238Pu, 239Pu, 240Pu, 241Pu, 242Pu và 241Am. Việc xác định khối lượng chính xác của các nguồn PuBe mất nhãn mác là rất khó khăn vì các thông số hình học bên trong của nguồn chúng ta thường không biết.

Mặt khác có nhiều phương pháp cũng như các chương trình tính toán hàm lượng các đồng vị đã được phát triển và xây dựng cho trường hợp hàm lượng của 239Pu lớn hơn 75%. Đối với trường hợp hàm lượng nhỏ hơn 75% các chương trình hiện nay thường không thể tính toán được. Vì vậy mục đích của luận văn là xây dựng phương pháp tính toán hàm lượng và khối lượng của các nguồn PuBe này. Luận văn bao gồm 5 phần chính: - Tổng quan về Plutoni: Trình bày khái quát về Plutoni bao gồm lịch sử khám phá của các đồng vị, ứng dụng và tác hại của Plutoni.

- Ghi nhận gamma phát ra từ nguồn PuBe và các vùng năng lƣợng: Giới thiệu về nguồn PuBe, sơ đồ thí nghiệm và các vùng năng lượng được sử dụng trong tính toán hàm lượng Plutoni. - Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng và khối lƣợng của Plutoni: Trình bày phương pháp xác định hàm lượng và khối lượng Plutoni trong mẫu PuBe. - Kết quả và thảo luận: Trình bày kết quả xác định hàm lượng và khối lượng của Plutoni trong nguồn PuBe và đưa ra một số nhận xét về kết quả thu được. - Kết luận: Trình bày một số kết luận về phương pháp và hướng phát triển của các nghiên cứu tiếp theo.

LuËn v¨n cao häc 1 NguyÔn V¨n Qu©n LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] X¸c ®Þnh thµnh phÇn vµ khèi l-îng cña Plutonium trong nguån PuBe b»ng ph-¬ng ph¸p gamma CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PLUTONI Plutoni là một nguyên tố hóa học hiếm, có tính phóng xạ cao với ký hiệu hóa học Pu và số nguyên tử 94. Nó là một kim loại thuộc nhóm actini với bề ngoài màu trắng bạc và bị xỉn khi tiếp xúc với không khí, tạo thành một lớp phủ mờ khi bị ôxi hóa. Nguyên tố này thông thường biểu hiện 6 dạng thù hình.

Khi tiếp xúc với không khí ẩm, nó tạo thành các ôxít và hiđrua làm thể tích các mẫu giãn nở tăng thêm đến 70 lần. Nó cũng là một chất độc phóng xạ mà tích tụ trong tủy xương của các cơ thể sống. Những đặc tính này và các tính chất khác khiến cho việc việc xử lý Plutoni nguy hiểm. Plutoni là nguyên tố nguyên thủy nặng nhất, có các đồng vị sau 238Pu, 239Pu, 240 Pu, 241Pu, 242Pu, 243Pu, 245Pu, 246Pu, 247Pu.

Trong đó 244Pu có chu kỳ bán rã lớn nhất khoảng 80 triệu năm, nên nguyên tố này có thể được tìm thấy ở dạng vết trong tự nhiên. 238Pu có chu kỳ bán rã 88 năm và phát ra các hạt anpha. Nó là một nguồn cung cấp nhiệt trong các máy phát điện hạt nhân cung cấp điện cho tàu không gian. 240Pu có khả năng tự phân hạch cao, làm tăng thông lượng neutron của bất kỳ mẫu nào.

Đồng vị quan trọng nhất của Plutoni là 239Pu, với chu kỳ bán rã 24. Trong bom hạt nhân thì đồng vị 239Pu đóng vai trò quan trọng nhất. 239Pu và 241Pu có khả năng phân hạch khi bị bắn phá bởi neutron nhiệt và giải phóng năng lượng, tia gamma và vài neutron. Các neutron này sau đó có thể duy trì phản ứng hạt nhân dây chuyền, được ứng dụng trong các vũ khí hạt nhân và lò phản ứng hạt nhân.

Plutoni chủ yếu được tạo ra từ các lò phản ứng. Quá trình tạo thành các đồng vị siêu Urani trong các thanh nhiên liệu đã cháy được mô tả trên hình 1.1 Sơ đồ chuyển hóa giữa 238U và 244Cm trong nhiên liệu đã cháy của lò phản ứng LWR. LuËn v¨n cao häc 2 NguyÔn V¨n Qu©n LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] X¸c ®Þnh thµnh phÇn vµ khèi l-îng cña Plutonium trong nguån PuBe b»ng ph-¬ng ph¸p gamma 1. Lịch sử khám phá Sau khi khám phá ra Urani và các tia bức xạ nhiều nhà khoa học đã có ý nghĩ liệu có thể dùng chúng để tạo thành các nguyên tố nặng hơn không.

Không có nguyên tố nào nặng hơn Urani được tìm thấy trong tự nhiên, nhưng các nhà khoa học nghĩ rằng có thể tạo ra chúng trong phòng thí nghiệm. Enrico Fermi và nhóm nhà khoa học của Đại học Rome đã thông báo rằng họ phát hiện ra nguyên tố thứ 94 năm 1934. Fermi gọi nguyên tố này là Hesperium và đã đề cập đến nó trong bài thuyết trình tại lễ trao giải Nobel năm 1938. Nhưng trên thực tế mẫu của Fermi chứa Ba, Kr và một số nguyên tố khác là sản phẩm phân hạch (nhưng tại thời điểm này hiện tượng phân hạch chưa được phát hiện).

Wahl dùng neutron có năng lượng 12 MeV (được sinh ra bằng cách gia tốc hạt deutron trong máy gia tốc cyclotron có đường kính 150 cm ở Đại học California, Berkeley rồi bắn vào bia Be) bắn phá vào bia Uranium tự nhiên. McMillan và Abelson đã phát hiện ra nguyên tố siêu Urani đầu tiên có số thứ tự 93, theo phương trình sau: 92 U   U  01n239 238 92 (1) 93 Np    U 23 239 92 .5 239 min (2) LuËn v¨n cao häc 3 NguyÔn V¨n Qu©n LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] X¸c ®Þnh thµnh phÇn vµ khèi l-îng cña Plutonium trong nguån PuBe b»ng ph-¬ng ph¸p gamma McMillan và Abelson đã phát hiện ra nguyên tố siêu Urani đầu tiên có số thứ tự 93. Nguyên tố này được đặt tên là Neptuni (Np) theo tên của sao Hải Vương (Neptune). Dù vậy mãi tới năm 1944 người ta mới tách chiết ra được Np.

Mùa hè năm 1940 một nhóm các nhà hóa học bao gồm Glen Seaborg, Arthur Wahl, and Joseph Kennedy đã tiến hành tìm kiếm nguyên tố siêu Urani có số thứ tự 94, mà họ nghĩ là sản phẩm phân rã của 239Np.3d (3) Tiếp tục tìm kiếm nguyên tố 94, vào mùa đông năm 1941 họ bắn phá UO2 bằng deutron được gia tốc tới năng lượng 16MeV bằng máy gia tốc cylotron sinh ra một đồng vị khác của Np đó là 238Np. 238Np phân rã beta với chu kỳ bán rã 2.12 ngày sinh ra nguyên tố 94, nguyên tố này có chu kỳ phân rã alpha 90 năm. Họ đã lần đầu tiên phát hiện ra đồng vị 238Pu của Plutoni. 238 92 U 12H 238 93 Np  20 n 1 (4) 94 Pu    238 93 Np  238 2.12d (5) 238 94 Pu 90 years 234 92U  2 He 4 (6) Cuối mùa xuân năm 1941, đồng vị khác của Plutoni là 239Pu, đã được tạo ra bằng cách bắn chùm neutron vào bia chứa hỗn hợp Urani được bao quanh bởi paraffin.

Giống như nhóm của Fermi đã khám phá, lớp paraffin làm giảm năng lượng của các neutron và do đó làm tăng khả năng tương tác với bia. Đồng vị mới của Pu, cũng là một hạt nhân phân rã alpha, nhưng chu kỳ bán rã tương đối lớn khoảng 24,000 năm làm giảm hoạt độ nên chúng khó phát hiện hơn 238Pu.11years 92U  2 He 4 (10) LuËn v¨n cao häc 4 NguyÔn V¨n Qu©n LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] X¸c ®Þnh thµnh phÇn vµ khèi l-îng cña Plutonium trong nguån PuBe b»ng ph-¬ng ph¸p gamma 1. Ứng dụng của Plutoni 1. Chế tạo bom nguyên tử Đồng vị 239Pu là một trong các đồng vị phân hạch quan trọng trong việc chế tạo bom nguyên tử, bởi vì khả năng dễ dàng phân hạch và sẵn có của nó.

Để giảm khối lượng tới hạn người ta làm thêm lớp vỏ bao quanh lõi Plutoni để phản xạ neutron. Nhờ có vỏ phản xạ neutron này mà khối lượng tới hạn đối với Plutoni giảm từ 16 kg xuống 10 kg với hình cầu đường kính khoảng 10 cm [13]. Khối lượng tới hạn của Plutoni chỉ bằng cỡ 1/3 so với của Urani. Bom nguyên tử có biệt danh “Fat Man” bị Mỹ ném xuống Nagasaki của Nhật là một dạng bom nguyên tử dùng Plutoni.

Plutoni bị nén chặt lại hơn bình thường với một nguồn neutron để làm mồi cho phản ứng.3 mô tả sơ đồ nguyên lý hai kiểu thiết kế cơ bản của bom nguyên tử. Ước tình chỉ 6.2 kg Plutoni khi xảy ra vụ nổi hạt nhân có sức công phá tương đương với 20,000 tấn thuốc nổ TNT [5,12]. Có thể thấy được khả năng phá hoại đồ vật lẫn con người vô cùng khủng khiếp của bom nguyên tử. Do vậy việc kiểm soát chống phổ biến vũ khí hạt nhân là cực kỳ cần thiết để tránh những thảm kịch đã xảy ra ở Hirosima và Nagasaki sẽ lặp lại trong tương lai.

Sơ đồ nguyên lý hai kiểu thiết kế cơ bản của bom nguyên tử 1. Chế tạo nhiên liệu ô xít hỗn hợp MOX Nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng từ các lò phản ứng nước nhẹ chứa Plutoni ở dạng hỗn hợp gồm 242Pu, 240Pu, 239Pu và 238Pu. Hỗn hợp này không được làm giàu một LuËn v¨n cao häc 5 NguyÔn V¨n Qu©n LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] X¸c ®Þnh thµnh phÇn vµ khèi l-îng cña Plutonium trong nguån PuBe b»ng ph-¬ng ph¸p gamma cách đầy đủ để dùng cho các vũ khí hạt nhân, nhưng nó có thể được sử dụng làm nhiên liệu MOX. Bắt giữ neutron ngẫu nhiên làm cho một lượng 242Pu và 240Pu tăng theo thời gian Plutoni bị chiếu xạ trong lò phản ứng bởi các neutron "nhiệt" tốc độ chậm, vì thế sau chu kỳ thứ 2, Plutoni chỉ có thể được tiêu thụ bởi các lò phản ứng neutron nhanh.

Nếu các lò phản ứng neutron nhanh không có, lượng Plutoni dư thường sẽ bị loại bỏ, và trở thành một loại chất thải hạt nhân có thành tố tồn tại lâu trong môi trường. Việc mong muốn tiêu thụ loại Plutoni này và các nhiêu liệu siêu Urani khác và làm giảm lượng phóng xạ trong chất thải là một trong những lý do khiến người ta phát triển các lò phản ứng neutron nhanh.