Luận văn ThS: Tính toán phổ năng lượng kênh nơtron phin lọc từ lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt - Huỳnh Thanh Sơn

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Huỳnh Thanh Sơn TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TÍNH TOÁN PHỔ NĂNG LƯỢNG CỦA KÊNH NƠTRON PHIN LỌC TỪ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Khánh Hòa – 2020 luan an BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Huỳnh Thanh Sơn TÍNH TOÁN PHỔ NĂNG LƯỢNG CỦA KÊNH NƠTRON PHIN LỌC TỪ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 8520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn 1: PGS.TS Phù Chí Hòa- Trường Đại học Đà Lạt Hướng dẫn 2: TS. Phạm Ngọc Sơn- Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt Khánh Hòa – 2020 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phù Chí Hòa và TS. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn được tiến hành tại Phòng Vật lý và Điện tử hạt nhân, Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt. Các số liệu, kết quả là trung thực và chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác.

Nếu không đúng như đã nêu trên, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về đề tài của mình. Khánh Hòa, tháng 07 năm 2020 Tác giả Huỳnh Thanh Sơn i luan an LỜI CẢM ƠN Với tình cảm chân thành và lòng biết ơn sâu sắc, cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới : Quý Thầy, Cô giáo của Viện Hàm lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập. Quý Thầy, Cô giáo của Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang đã nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi để giúp tôi hoàn thành khóa học. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Phù Chí Hòa, TS.

Phạm Ngọc Sơn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Trung học Phổ thông Hoàng Văn Thụ, đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong suốt khóa học. Cảm ơn các bạn học viên lớp cao học ngành Vật lý kỹ thuật K6 – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cùng tôi trao đổi kiến thức trong suốt khóa học. Và cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình tôi, những người đã, đang và sẽ luôn luôn động viên – chia sẽ cùng tôi trong suốt cuộc đời.

Khánh Hòa, tháng 07 năm 2020 Huỳnh Thanh Sơn ii luan an DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Giải thích ký hiệu 1 PHITS Hệ thống mô phỏng hạt và ion nặng bằng phương pháp Monte – Carlo, (Particle and Heavy Ion Transport code System) 2 MCNP Chương trình tính toán mô phỏng bằng phương pháp Monte – Carlo (Monte Carlo N-Particle Transport Code) 3 MCNP5 Chương trình tính toán mô phỏng bằng phương pháp Monte – Carlo phiên bản 5 (Monte Carlo N-Particle version 5) 4 BNCT Phương pháp xạ trị bằng kỹ thuật BNCT (Boron neutron capture theraphy) 5 PGNAA Phân tích kích hoạt nơtron gamma tức thời (Prompt Gamma-ray Neutron Activation Analysis) 6 IAEA Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế (International Atomic Energy Agency) 7 EXFOR Thư viện số liệu phản ứng hạt nhân thực nghiệm (Experimental Nuclear Reaction Data) 8 CFNB Chương trình tính toán cho các chùm nơtron được lọc (Calculation for Filtered Neutron Beams) 9 JAEA Cơ quan Năng lượng nguyên tử Nhật Bản (Japan Atomic Energy Agency) 10 GEANT4 Chương trình mô phỏng hình học và quá trình chuyển động (GEometry And Tracking) 11 JENDL-4.0 Thư viện số liệu hạt nhân tính toán (Japanes Evaluated Nuclear Data Library) iii luan an DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Nội dung bảng Trang 1.1 Bảng so sánh chương trình PHITS với các chương 17 trình máy tính khác 2.1 Các phần trong cấu trúc chương trình PHITS 22 2.2 Mô tả chế độ tính toán 24 2.3 Mô tả lịch sử tương tác của hạt 24 2.4 Tên tập tin đầu vào-đầu ra 25 2.5 Mô tả các thông số cho nguồn bức xạ hình trụ 26 2.6 Bề mặt bao quanh vật thể 30 2.7 Định dạng khối vật thể 35 2.8 Mô tả các chức năng của Tally 39 3.1 Số liệu phân bố phổ năng lượng nơtron của chùm tia 49 nơtron ( với chuẩn trực hình cone, phin lọc Bismuth 6cm và Sapphire 15cm) 3.2 Số liệu phân bố phổ năng lượng nơtron của chùm tia 53 nơtron ( với chuẩn trực hình trụ, phin lọc Bismuth 6cm và Sapphire 15cm) 3.3 Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt, 58 trên nhiệt, đối với hình cone tinh thể và hình cone bình thường (Sử dụng phin lọc Bismuth-6cm, Sapphire-15cm) 3.4 Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt, 59 trên nhiệt, đối với hình cone tinh thể và hình trụ tinh thể (Sử dụng phin lọc Bismuth-6cm, Sapphire-15cm) iv luan an 3.5 Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt, 61 trên nhiệt, đối với hình cone tinh thể với phin lọc sử dụng Bismuth-6cm và chiều dài tinh thể Sapphire thay đổi từ 0 đến 20cm 3.6 Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt, 63 trên nhiệt, đối với hình cone tinh thể (Sử dụng phin lọc Bismuth-6cm, Sapphire-15cm và không có phin lọc) v luan an DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hình Nội dung hình Trang 1.1 Sơ đồ thuật toán Monte Carlo tính toán quá trình tương 12 tác, của một hạt nơtron trong vật liệu.2 Thống kê số liệu về phổ năng lượng của hạt.3 Thống kê về mật độ thông lượng của hạt 16 2.1 Khai báo véctơ chỉ phương và góc khối của nguồn bức xạ 26 2.2 Nguồn hình trụ 27 2.3 Các trường hợp nguồn hình trụ 27 2.4 Kết quả khai báo một nguồn bức xạ hình trụ 28 2.5 Kết quả khai báo hình cầu, hình hộp, mặt phẳng và hình 37 trụ.6 Kết quả khai báo chuẩn trực hình trụ.7 Thống kê về mật độ thông lượng của hạt khi sử dụng lưới 43 xyz.8 Lỗi khi không có hạt thống kê trong lưới.9 Hiển thị thông lương của hạt với phân bố năng lượng.1 Mặt cắt của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt và vị trí kênh 46 ngang số 1.2 Mô hình tính toán hệ dẫn chùm tia nơtron phin lọc hình 48 cone tại kênh ngang số 1 bởi chương trình PHITS.3 Mô hình tính toán hệ dẫn chùm tia nơtron phin lọc hình 48 trụ tại kênh ngang số 1 bởi chương trình PHITS.4 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể và hình cone 58 bình thường theo thang logarit.5 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể và hình cone 59 bình thường theo thang tuyến tính. vi luan an 3.6 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể và hình trụ 60 tinh thể theo thang tuyến tính.7 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể và hình trụ 60 tinh thể theo thang logarit.8 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể khi phin lọc 62 Sapphire thay đổi chiều dài theo thang tuyến tính.9 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể (với phin lọc 63 Bismuth-6cm, Sapphire-15cm và không có phin lọc) theo thang logarit.10 Phổ nơtron đơn năng của hình cone tinh thể (với phin lọc 64 Bismuth-6cm, Sapphire-15cm và không có phin lọc) theo thang tuyến tính. vii luan an MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Danh mục các ký hiệu, chữ cái viết tắt iii Danh mục các bảng iv Danh mục các hình vẽ, đồ thị vi Mục lục viii Mở đầu ………………………………………………………………. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU……….1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước ………………….3 Cơ sở lý thuyết của kỹ thuật phin lọc nơtron …………… 5 1.4 Phương pháp tính toán dòng nơtron phin lọc ………….5 Kỹ thuật tính toán bằng mô phỏng Monte Carlo ……….1 Tìm hiểu các chương trình mô phỏng trên thế giới và trong nước …………………………….2 Kỹ thuật tính toán Monte Carlo ………………….6 Giới thiệu chương trình tính toán PHITS………….

15 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG……….1 Hướng dẫn cài đặt và thực thi PHITS ……………. Cài đặt trên hệ điều hành Windows ……………… 20 2. Thực thi PHITS trên hệ điều hành Windows……. Phần mềm được đề xuất ………………………….

21 viii luan an 2.2 Hướng dẫn tạo file-input cho chương trình mô phỏng … 22 Chương 3 Kết quả và thảo luận …………………………………….1 Tổng quan chương trình và phương pháp Monte Carlo … 47 3.2 File-input dựa trên cơ sở cấu trúc thiết kế của kênh ngang số 1 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ………….3 Số liệu phân bố phổ năng lượng nơtron của chùm tia nơtron tại kênh ngang số 1 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ……………….4 Các tham số phổ nơtron: Thông lượng nơtron nhiệt, trên nhiệt………………………………………………… 57 3. 65 Kết luận và kiến nghị …………………………………… 67 1 Kết luận ………………………………………………… 67 2 Kiến nghị ……………………………………………. 68 Bài báo khoa học công bố…………………………………………… 68 Tài liệu tham khảo ……………………………………………………. 69 Phụ lục………………………………………………………………… 71 Phụ lục 1 Bài báo khoa học ……………………………………….

71 Phụ lục 2 Thông báo phê duyệt sử dụng phần mềm PHITS .…… 79 Phụ lục 3 File input mô phỏng chuẩn trực hình cone……. 80 Phụ lục 4 File input mô phỏng chuẩn trực hình trụ. 91 Phụ lục 5 Các nội dung hướng dẫn thiết kế file – input trong chương trình mô phỏng PHITS. 95 ix luan an MỞ ĐẦU Vật lý nơtron có một vai trò quan trọng trong sự phát triển khoa học và công nghệ hạt nhân.

Đây là một trong những ngành khoa học mũi nhọn không thể thiếu ở các nước có nền khoa học hạt nhân tiên tiến. Kỹ thuật phin lọc nơtron đã được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới như Ukraina, Mỹ, Nga, Nhật Bản, Việt Nam,. trong các nghiên cứu ứng dụng kênh nơtron từ lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu như: nghiên cứu thực nghiệm phản ứng hạt nhân với nơtron, nghiên cứu vật lý nơtron và cấu trúc hạt nhân; chuẩn liều bức xạ nơtron, nghiên cứu phương pháp xạ trị nơtron (neutron capture therapy), nghiên cứu che chắn bức xạ, chụp ảnh nơtron, phân tích nguyên tố. Hiện nay, Việt Nam đã có nhiều chương trình ứng dụng năng lượng và kỹ thuật hạt nhân tham gia vào sự phát triển kinh tế xã hội.

Vì vậy, các nghiên cứu về vật lý nơtron và đào tạo nguồn nhân lực trong lĩnh vực này ngày càng trở nên cần thiết. Trong các nghiên cứu thực nghiệm về phản ứng hạt nhân với nơtron, đo số liệu hạt nhân phục vụ cho tính toán thiết kế lò phản ứng, phân tích đánh giá an toàn luôn cần thiết phải tạo ra các dòng nơtron chuẩn đơn năng. Phổ năng lượng của các kênh nơtron phin lọc từ Lò phản ứng hạt nhân là thông tin quan trọng cần thiết cho các nghiên cứu ứng dụng.