nghiên cứu phản ứng hạt nhân (p, n) trên bia nặng phục vụ cho thiết kế bia trong lò phản ứng điều khiển bằng máy gia tốc

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
NGUYỄN THỊ ÁI THU
NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN (p, n)
TRÊN BIA NẶNG PHỤC VỤ CHO THIẾT KẾ BIA TRONG
LÒ PHẢN ỨNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY GIA TỐC
Chuyên ngành: Vật Lý Nguyên tử và Hạt nhân
Mã số chuyên ngành: 62 44 05 01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
TP. Hồ Chí Minh-2011
2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ ÁI THU
Chuyên ngành: Vật Lý Hạt Nhân
Mã số: 1.02.03
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
TP. Hồ Chí Minh-2011
Công trình được hoàn thành tại:
Viện Vật Lý Tp. Hồ Chí Minh và Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên,
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN MỘNG GIAO
PGS.TS CHÂU VĂN TẠO
Phản biện 1; GS. TSKH Nguyễn Xuân Hãn
Phản biện 2: TS. Nguyễn Đức Thành
Phản biện 3: TS. Trương Thị Hồng Loan
Phản biện độc lập 1; PGS.TS Ngô Quang Huy
Phản biện độc lập 2: TS. Nguyễn Văn Hùng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Cơ Sở Đào Tạo
họp tại Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
vào hồi ….giờ….ngày… tháng….năm 2011.
Có thể tìm đọc luận án tại thư viện:
- Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM
- Thư viện Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên
3
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 ÷ 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:
204
Pb,
206
Pb,
207
Pb,
208
Pb,
180
W,
182
W,
184
W,
186
W,
235
U,
238
U,
197
Au 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.
4
2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là nghiên cứu phản ứng hạt nhân (p, n)
trên các bia khác nhau:
204
Pb,
206
Pb,
207
Pb,
208
Pb,
180
W,
182
W,
184
W,
186
W,
235
U,
235

U,
197
Au
Phương pháp nghiên cứu của luận án là xây dựng mô hình tính toán khác
nhau, đề xuất các mô hình tính toán để cải thiện độ chính xác của các kết quả.
Trong luận án, mô hình màn chắn trên bia (screening effect model) đã được đề
xuất. Dựa trên các dữ liệu hạt nhân của thư viện hạt nhân năng lượng cao
JENDL và các mô hình tính toán đã thu được một bộ số liệu về số lượng
neutron sinh ra, phân bố góc, phân bố năng lượng từ phản ứng hạt nhân (p, n)
trên các bia nặng như
204
Pb,
206
Pb,
207
Pb,
208
Pb,
180
W,
182
W,
184
W,
186
W,
235
U,
235
U,

197
Au có thể được dùng trong việc thiết kế bia cho ADS.
3. Bố cục của luận án
Luận án được bao gồm ba chương và phần mở đầu trình bày trong
74 trang (không kể phần tài liệu tham khảo và phụ lục).
Chương 1 là phần tổng quan, trình bày một số nét về tình hình nghiên cứu
phản ứng hạt nhân (p, n) trên thế giới và giới thiệu thư viện dữ liệu hạt nhân
JENDL của Nhật Bản.
Chương 2 xây dựng mô hình bia đồng nhất, xác định số neutron sinh ra,
phân bố năng lượng, phân bố góc từ phản ứng hạt nhân (p, n) trên các bia
238
U,
206
Pb,
186
W,
197
Au với dữ liệu đầu vào lấy từ thư viện năng lượng cao JENDL
Chương 3 xây dựng mô hình màn chắn trên bia, tính số neutron sinh ra
trên từng lớp bia với mục đích cải thiện độ chính xác khi tính toán.
Phần kết luận là tóm lược các kết quả chính thu được của luận án.
Kết quả nghiên cứu được trình bày qua 13 bảng và 44 hình, cùng với
những nhận xét và kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo, danh mục các công
trình của tác giả.
4. Đóng góp mới của luận án
Về mặt phương pháp luận, luận án đã đề ra một mô hình để tính toán phản
ứng hạt nhân (p, n) trên các bia. Mô hình này được gọi là mô hình màn chắn
trên bia. Mô hình màn chắn trên bia đã góp phần cải thiện sự sai khác giữa
những tính toán lý thuyết trước đây với thực nghiệm.
Về mặt tính toán, luận án đã thu được một bộ số liệu về số neutron sinh ra,

phân bố năng lượng, phân bố góc của neutron trong các phản ứng (p, n) trên các
bia nặng như:
238
U,
235
U,
208
Pb,
207
Pb,
208
Pb,
204
Pb,
186
W,
184
W,
182
W,
180
W,
197
Au
đối với năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV.
Từ các tính toán, luận án cũng đưa ra nhiều nhận xét về tính chất của phản
ứng hạt nhân (p, n) trên các bia khác nhau làm cơ sở cho việc lựa chọn bia cũng
như năng lượng cần phải gia tốc của chùm proton.
Từ phân bố góc của neutron sinh ra trong các phản ứng hạt nhân trên các
bia khác nhau ở vùng năng lượng bắn phá khác nhau của proton, luận án cũng

5
đề xuất các giải pháp bố trí thành phản xạ trong lò phản ứng. Giải pháp này có
thể giúp tăng cường hiệu suất của toàn bộ hệ thống lò.
Chương 1
TỔNG QUAN
Những nghiên cứu trên thế giới :
Tháng 11 năm 1958, phản ứng hạt nhân (p, n) được nghiên cứu bởi các
tác giả G. F. Bogdanov, N.A. Vlasov, S.P. Kalinin, B.V. Rybakov và V.A.
Sidorov với phương pháp tính thời gian bay của neutron. Mục tiêu của nghiên
cứu này là tìm tiết diện neutron của phản ứng
6
Li + p và
7
Li + p với năng
lượng bắn phá của proton là 9 MeV.
Năm 1995, M.A. Lone và P.Y. Wong đã công bố việc tính hiệu suất sinh
neutron của phản ứng proton với bia chì gây ra ở vùng năng lượng từ 0,4 đến
2 GeV. Kết quả tính toán này lệch 20% so với thực nghiệm.
Năm 2001, nhóm Kumagai K., Oribara H., Kikuchi Y. đã công bố công
trình “Phản ứng
6
Li (p, n)
6
Be tại Ep = 70 MeV”. Công trình này nhằm vào
việc xác định tính chất của hạt nhân beryllium thông qua việc tính phân bố góc.
Những năm gần đây, có nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu đến phản ứng
(p, n) phục vụ ADS hơn, nhưng các tính toán này chỉ thực hiện trên một số ít
bia và ở một vài mức năng lượng. Hầu hết các nghiên cứu còn mang tính rời
rạc, đơn lẻ, nhiều tính toán chưa phù hợp, khoảng sai khác giữa kết quả tính
toán và thực nghiệm còn lớn.

Khác với tất cả các công trình đã công bố, luận án tính toán một cách có
hệ thống phản ứng hạt nhân (p, n) cho hầu hết các nguyên tố nặng trong vùng
năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV với bước nhảy năng
lượng (energy step) được tính là 0,1 GeV. Kết quả thu được là một bộ số liệu về
phân bố năng lượng, phân bố góc, số lượng neutron sinh ra từ phản ứng hạt
nhân (p, n) trên nhiều bia nặng:
204
Pb,
206
Pb,
207
Pb,
208
Pb,
180
W,
182
W,
184
W,
186
W,
235
U,
238
U,
197
Au,
237
Np,

241
Am trong vùng năng lượng từ 0,5 đến 1,5 GeV.
Dữ liệu hạt nhân từ thư viện hạt nhân năng lượng cao JENDL đã được sử dụng
trong tính toán.
Mới đây trên thế giới đã có một số công trình nghiên cứu phản ứng hạt
nhân (p, n) theo hướng thiết kế bia cho ADS như được kể dưới đây:
Công trình của nhóm Kairat Ismailov, Masaki Saito, Hiroshi Sagara,
Kenji Nishihara được xuất bản vào tháng 5 năm 2011 nghiên cứu về bia urani
tự nhiên trong hệ thống ADS. Kết quả nghiên cứu so sánh việc sản xuất neutron
từ phản ứng (p, n) trên bia urani và bia chì – bismuth cho thấy bia urani sản
xuất neutron tốt hơn. Nghiên cứu còn cho rằng đối với bia urani có sự hấp thụ
neutron cao, khoảng 23% neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) có thể có tương tác
với bia urani, hay nói cách khác ước tính của nghiên cứu này là chỉ khoảng 77%
neutron thoát ra khỏi bia
238
U. Tuy nhiên chính trong công trình này số lượng
neutron thứ cấp sinh ra cũng không được xác định. Trong nghiên cứu, tính toán
được thực hiện với năng lượng proton là 1,5 GeV, bán kính chùm tia là 1 cm,
6
bia urani và bia chì – bismuth có bán kính là 15 cm, bề dày bia 50 cm với bia
urani và 80 cm đối với bia chì – bismuth.
Công trình của nhóm B. Sarer, M.E. Korkmaz, M.Gunay, A.Aydin nghiên
cứu nguồn neutron được tạo ra từ phản ứng (p, n) của hệ thống ADS. Hệ thống
được điều khiển bởi chùm proton năng lượng 1,0 GeV, cường độ dòng 10 mA
va chạm vào bia hình trụ bằng chì tự nhiên có đường kính 20 cm, bề dày 70 cm.
Proton được phân bố một cách đồng đều qua chùm tia có đường kính 2 cm.
Tính toán được thực hiện với code MCNPX, kết quả là với năng lượng proton
1 GeV thu được hiệu suất là 27,4 n/p còn hiệu suất các hạt khác như pion và
muon trên 1 proton tới được bỏ qua vì do thông lượng hạt thấp. Thông lượng
neutron đạt cực đại tại bán kính bia r = 0 cm và trục z = 195 cm.

Khác với các công trình trên, chúng tôi quan niệm rằng chùm proton đi
vào bia là chùm hạt song song có dạng hình trụ, tương tác chỉ tính trong phạm
vi đường kính chùm proton, chưa tính đến hiệu ứng tán xạ của proton trên bia
cũng như chưa đề cập đến hiệu ứng hấp thụ neutron của urani nếu dùng urani
làm bia.
Hiện tượng proton khi đi qua các lớp bia bị mất năng lượng, bị lệch khỏi
hướng ban đầu, bị giảm cường độ là hiện tượng ai cũng biết, nhưng các tính
toán trước đây đều coi cường độ dòng proton và năng lượng của proton là
không đổi trong suốt quá trình tương tác của proton lên bia. Điều này chỉ đúng
khi bia có bề dày nhỏ, với bề dày bia lớn thì phải có thêm nhiều bổ chính.
Mô hình màn chắn (screening effect model) của luận án là chia bia ra các
lớp mỏng và tính số neutron sinh ra trên từng lớp, số neutron sinh ra trên cả
khối bia là tổng số neutron sinh ra trên các lớp bia mỏng rõ ràng là phù hợp với
hiện tượng thật của quá trình vật lý. Đây là bước đầu xây dựng mô hình sao cho
phù hợp hơn với hiện tượng vật lý thật.
Ngoài ra trong luận án, bề dày bia được chọn bằng quãng chạy tự do
trung bình của proton ứng với từng năng lượng bắn phá của proton trên từng
loại bia, bởi vì chúng tôi cho rằng với lựa chọn này thì proton sẽ ít có khả năng
“lưu lại” trên bia và tỏa nhiệt làm giảm tuổi thọ của bia.
Kết quả tính toán thu được từ nghiên cứu này là một tập hợp các số liệu
của nhiều bia, trong đó việc lựa chọn bề dày bia tính bằng chiều dài quãng chạy
tự do trung bình của proton trên mỗi loại bia đang xét.
Chương 2
MÔ HÌNH BIA ĐỒNG NHẤT
2.1. Công thức tính
Theo dữ liệu ENDF (Evaluated Nuclear Data File), tiết diện vi phân cấp hai
được tính theo công thức:
(2.1)
)E,E)f(μf)y(Eσ(E
dEdΩ

)E,Eσ(μ,d
nppp
np
2

7
Tiết diện vi phân được tính theo công thức:
(2.2)
Tiết diện vi phân được tính theo công thức:
(2.3)
Với :
μ
: cosin góc bay của neutron
E
p
: Năng lượng của proton tới (eV)
E
n
: Năng lượng của neutron phát ra (eV)
)σ(E
p
: Tiết diện phản ứng (barn)
y(E
p
): Hiệu suất phát neutron
)E,Ef(μ(
np
: Hàm phân bố đã được chuẩn hóa
: Tiết diện vi phân bậc hai (barn/eV-sr).
: Tiết diện vi phân theo năng lượng (barn/eV).

: Tiết diện vi phân theo góc (barn/sr).
Số neutron sinh ra trong phản ứng (p, n): (2.12)
Với:
dE
dN
: cường độ dòng neutron sinh ra (hạt/s/MeV)
N
n
: số neutron được sinh ra (hạt/s)
Trong thư viện JENDL, neutron sinh ra được phân bố ở 19 góc và 32 giá trị
năng lượng.
2.2. Một số kết quả
2.2.1. Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên các bia nặng
dE
dσ
   











19
i
npinp1i

i1ipp
2
E,Eμ,fE,Eμ,f
)μ(μ))y(Eσ(E
dE
dσ
dΩ
dσ
   
 
   












32
1i
npinp1i
i1ipp
2
E,Eμ,fE,Eμ,f
EEEyEσ

dΩ
dσ
dEdΩ
)E,Eσ(μ,d
np
2
 
dΩ
E,Eμ,dσ
np
 
dE
E,Eμ,dσ
np
 



32
1j
pn
dE
jdσ
.d.N.NN
8
2.2.1.1. Xét với bia
204
Pb,
206
Pb,

207
Pb,
208
Pb,
180
W,
182
W,
184
W,
186
W,
238
U,
235
U,
197
Au
H. 2.1: Số neutron sinh ra từ phản ứng
(p, n) trên bia
204
Pb,
206
Pb,
207
Pb,
208
Pb
bề dày
H. 2.2: Số neutron sinh ra từ phản

ứng (p, n) trên bia
180
W,
182
W,
184
W,
186
W bề dày
H. 2.3: Số neutron sinh ra từ phản ứng
(p, n) trên bia
197
Au bề dày
H. 2.4: Số neutron sinh ra từ phản
ứng (p, n) trên bia
238
U,
235
U bề dày
Các hình vẽ từ 2.1 đến 2.4 ta thấy :
 Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên các bia tăng theo năng lượng bắn
phá của proton
 Khi xét cùng một nguyên tố, số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên các
bia tăng theo số khối A
2.2.1.2. So sánh số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên các bia nặng
p
Rd 
p
Rd 
p

Rd 
p
Rd 
p
Rd 
p
Rd 
p
Rd 
p
Rd 
9
Số neutron sinh ra trong phản ứng (p, n) được tính trong vùng năng lượng
từ 0,5 đến 3,0 GeV với bề dày bia được chọn tùy thuộc quãng chạy tự do trung
bình của proton trong từng loại bia:
235
U,
238
U,
204
Pb,
206
Pb,
207
Pb,
208
Pb,
197
Au ,
180

W,
182
W,
184
W,
186
W được biểu diễn trên cùng hình vẽ 2.5. Cũng từ hình vẽ
2.5, việc nên chọn loại bia nào tương ứng với năng lượng dòng proton cỡ bao
nhiêu để thu được số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) là nhiều nhất được viết
trong bảng 2.2 dưới đây:
Bảng 2.2. Loại bia dùng cho ADS và năng lượng dòng proton tương ứng
E
p
(GeV)
Bia nên chọn cho
ADS
Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n)
(hạt/s)
0,5
197
Au
3,11.10
18
0,6
208
Pb
4,28.10
18
0,7
186

W
5,47.10
18
0,8
208
Pb
6,92.10
18
1,0
208
Pb
9,99.10
18
1,5
208
Pb
17,27.10
18
2,0
208
Pb
25,82.10
18
3,0
238
U
42,73.10
18
Khi lựa chọn bia cho ADS, ngoài yếu tố là số lượng neutron sinh ra
nhiều, còn phải kể đến các yếu tố khác như nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, độ

bền cơ lý của bia và phân bố không gian của neutron sinh ra từ phản ứng (p, n).
Dưới đây là các tính toán về số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) theo phân bố
góc trên các bia nặng
235
U,
238
U,
206
Pb,
197
Au,
186
W
2.2.2. Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên các bia nặng
a). Khi năng lượng bắn phá của proton là 0,5 và 0,6 GeV
Hình 2.5: Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên bia
204
Pb,
206
Pb,
207
Pb,
208
Pb,
180
W,
182
W,
184
W,

186
W,
238
U,
235
U,
197
Au bề dày d=R
p
p
Rd 
10
H. 2.6: Số neutron sinh ra theo phân
bố góc trên bia
204
Pb,
238
U,
235
U,
186
W,
197
Au dày d=R
p
, với năng lượng
proton là 0,5 GeV
H. 2.7: Số neutron sinh ra theo phân
bố góc trên bia
204

Pb,
238
U,
235
U,
186
W,
197
Au bề dày d=R
p
, với năng
lượng proton là 0,6 GeV
b). Khi năng lượng bắn phá là 0,7 và 0,8 GeV
H. 2.8: Số neutron sinh ra theo phân
bố góc trên bia
204
Pb,
238
U,
235
U,
186
W,
197
Au bề dày d=R
p
, với năng
lượng proton là 0,7 GeV
H. 2.9: Số neutron sinh ra theo phân
bố góc trên bia

204
Pb,
238
U,
235
U,
186
W,
197
Au bề dày d=R
p
, với năng lượng
proton là 0,8 GeV
p
Rd 
p
Rd 
p
Rd 
p
Rd 
11
c). Khi năng lượng bắn phá là 1,0 và 1,5 GeV
H. 2.10: Số neutron sinh ra theo phân
bố góc trên bia
204
Pb,
238
U,
235

U,
186
W,
197
Au bề dày d=R
p
, với năng lượng
proton là 1,0 GeV
H. 2.11: Số neutron sinh ra theo
phân bố góc trên bia
204
Pb,
238
U,
235
U,
186
W,
197
Au bề dày d=R
p
, với
năng lượng proton là 1,5 GeV
d). Khi năng lượng bắn phá là 2,0 và 3,0 GeV
H. 2.12: Số neutron sinh ra theo
phân bố góc trên
204
Pb,
238
U,

235
U,
186
W,
197
Au bề dày d=R
p
, năng lượng
proton 2,0 GeV
H. 2.13: Số neutron sinh ra theo
phân bố góc trên
204
Pb,
238
U,
235
U,
186
W,
197
Au bề dày d=R
p
, năng lượng
proton 3,0 GeV
Mặc dù neutron sinh ra có khuynh hướng phát hạt về phía trước nhưng
cũng có một số hạt bay ra vùng phía sau bia. Số hạt bay ra phía sau bia sẽ
không tham gia phản ứng phân hạch với các hạt nhân nhiên liệu duy trì hoạt
động lò phản ứng. Để khắc phục, hai phương án được đề nghị từ khảo sát này
là:
p

Rd 
p
Rd 
p
Rd 
p
Rd 
12
- Phương án thứ nhất nên bố trí thêm các thanh phản xạ để tận dụng số
neutron mất mát.
- Phương án thứ hai là chọn bia có số neutron sinh ở vùng phía sau bia là
ít nhất.
Từ kết quả tính với mô hình bia đồng nhất trong vùng năng lượng từ
0,5 đến 2,0 GeV thì bia cho số neutron ít nhất ở góc 180
0
(vùng phía sau bia) là
bia urani (
235
U) (Bảng 2.3)
Vì vậy khi năng lượng của proton tới là 0,5 đến 2,0 GeV thì bia
235
U cho
số neutron ở góc 180
0
là thấp nhất, cho nên nếu dùng máy gia tốc proton năng
lượng cỡ từ 0,5 GeV đến 2,0 GeV thì sử dụng bia
235
U là tốt cho ADS (Bảng
2.2).
Khi năng lượng tới của proton là 3,0 GeV thì nên dùng bia

186
W, vì trong
vùng năng lượng này có ít số neutron sinh ra ở vùng phía sau bia
186
W (Bảng
2.2).
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu phản ứng (p, n) trên nhiều bia nặng
phục vụ cho việc chọn lựa bia dùng trong ADS. Ngoài bài toán quan trọng nhất
là tính số neutron sinh ra trên bia thì bài toán tính tiết diện vi phân của phản ứng
(p, n) cũng được đề cập đến như dưới đây. Phổ năng lượng neutron với các bia
khác nhau thu được từ bài toán tính tiết diện vi phân sẽ giúp giải quyết bài toán
chuyển đổi các đồng vị dài ngày thành các đồng vị ngắn ngày phục vụ cho
ADS.
2.2.3. Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia nặng
2.2.3.1. Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia
206
Pb,
238
U,
235
U,
186
W,
197
Au:
H. 2.14: Tiết diện vi phân của phản
ứng (p, n) trên
206
Pb, năng lượng
proton 0,5 GeV đến 3,0 GeV

H. 2.18: Tiết diện vi phân của phản
ứng (p, n) trên
197
Au năng lượng
proton 0,5 GeV đến 3,0 GeV
13
H. 2.15: Tiết diện vi phân của phản
ứng (p, n) trên
197
Au năng lượng
proton 0,5 GeV đến 3,0 GeV
H. 2.17: Tiết diện vi phân của phản
ứng (p, n) trên
197
Au năng lượng
proton 0,5 GeV đến 3,0 GeV
Nghiên cứu nhiều bia và nhiều đồng vị được trình bày trong phần phụ lục của
luận án.
 Khảo sát cho thấy phân bố theo năng lượng của tiết diện phản ứng hạt nhân
(p, n) trên các bia nặng đều có dạng tương tự như nhau với năng lượng bắn
phá khác nhau của proton, nghĩa là tiết diện lớn ở miền năng lượng nhỏ và
rất nhỏ ở vùng năng lượng lớn (từ hình 2.14 đến 2.18).
 Neutron sinh ra có năng lượng cỡ 2 MeV là nhiều nhất.
 Với các bia
206
Pb,
197
Au,
186
W (hình 2.14, 2.18, 2.17) neutron sinh ra có

năng lượng nằm trong khoảng từ 0 đến 15 MeV. Với trường neutron thu
được này thì đây là các bia tốt sử dụng cho ADS để chuyển đổi các đồng vị
dài ngày thành ngắn ngày.
 Ở bia
235
U,
238
U, neutron sinh ra có năng lượng nằm trong dải từ 0 đến
15 MeV
2.2.3.2. So sánh với công trình khác
Hình 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)
b)
14
So sánh hình 2.19a và 2.19b, dáng điệu cho thấy tương đối giống nhau.
2.2.4. Phân bố góc của neutron
2.2.4.1. Phân bố góc của neutron sinh ra trên các bia
Các đồ thị trong hình 2.20 cho thấy các neutron sinh ra từ phản ứng hạt
nhân (p, n) có khuynh hướng bay về phía trước.
Ví dụ trên đồ thị ứng với proton tới có năng lượng 0,5 GeV, đường biểu
diễn là đường chứa những điểm tròn màu vàng trong hình 2.20, ta nhận thấy:
Tiết diện sinh neutron ở góc 0
0
là 16,8677 barn/sr
Tiết diện sinh neutron ở góc 180
0
là 6,8385 barn/sr
Điều đó có nghĩa là khi năng lượng bắn phá của proton là 0,5 GeV, tiết
diện sinh neutron ở góc 0
0

lớn hơn tiết diện sinh neutron ở góc 180
0
là khoảng
2,5 lần.
Tương tự như vậy, xét ở năng lượng 0,6; 0,7, …;1,5 GeV, cũng thu được
tiết diện sinh neutron ở góc 0
0
lớn hơn góc 180
0
trung bình là khoảng 2,5 lần.
H. 2.20. Phân bố góc của neutron
sinh ra trên
206
Pb năng lượng proton
0,5 GeV đến 1,5 GeV
H. 2.21. Phân bố góc của neutron
sinh ra trên
238
U năng lượng
proton 0,5 GeV đến 1,5 GeV
Xét cho các bia
238
U,
197
Au,
186
W cũng thu được cùng quy luật như
bia
206
Pb như được trình bày ở các hình 2.21, 2.22, 2.23.

Những hạt bay ra phía sau bia là những hạt mất đi vì chúng sẽ không
tham gia phân hạch duy trì hoạt động của lò phản ứng ADS. Vì vậy, từ nhận xét
này, nên đặt thêm các thanh phản xạ ở vùng phía sau bia để tận dụng hết nguồn
neutron sinh ra, nâng cao công suất của lò phản ứng ADS.
15
H. 2.22. Phân bố góc của neutron
sinh ra trên
186
W, năng lượng
proton 0,5 GeV đến 1,5 GeV
H. 2.23. Phân bố góc của neutron
sinh ra trên
197
Au năng lượng
proton 0,5 GeV đến 1,5 GeV
2.2.4.2. So sánh với công trình khác
Hình 2.24. Phân bố góc của neutron với E
p
= 0,8 MeV trên bia
208
Pb
Từ hình vẽ 2.24a là kết quả của nhóm tác giả Sarkar và Maitreyee Nandy
có thể nhận thấy:
 Có sự khác biệt lớn về dáng điệu và giá trị tuyệt đối giữa hai mô hình SDM
(Statistical Decay Model) và QMD (Quantum Molecular Dynamics):
+ Mô hình QMD chứng tỏ hiện tượng phát hạt về phía trước
+ Mô hình SDM cho thấy sự phân bố góc của hạt gần như đẳng hướng
đối với hướng của proton tới
 Dáng điệu của đường cong trong kết quả thu được của luận án khá giống
với mô hình QMD. Sự khác biệt về giá trị tuyệt đối, có thể giải thích đó là

do trong tính toán đã không kể đến một số các hiệu ứng như hiệu ứng tán
a)
b)
d

/d

(mbarn/sr
)
16
xạ, hiệu ứng màn chắn…mà ảnh hưởng của những hiệu ứng này đã dẫn đến
sai khác lớn về giá trị tuyệt đối (hình 2.24b).
2.2.5. Hiệu suất neutron
Hiệu suất neutron là tỷ số giữa số neutron sinh ra với một proton tới
(N
n
/N
p
) trong phản ứng hạt nhân (p, n).
So sánh hiệu suất sinh neutron giữa kết quả của mô hình bia đồng nhất và
kết quả của nhóm tác giả Sara T. Mongelli et al. [39]:
Kết quả so sánh giữa hai mô hình rất khác nhau (hình 2.25) và bảng 2.4
trình bày trong luận án). Lý do là vì mô hình bia đồng nhất được xây dựng với
giả thiết là năng lượng và cường độ dòng proton không thay đổi trong quá trình
tương tác với hạt nhân bia. Thực tế điều này không thể xảy ra, năng lượng và
cường độ dòng hạt sẽ giảm dần trong quá trình tương tác với hạt nhân bia. Vì
vậy mô hình bia đồng nhất không cho giá trị chính xác về số neutron sinh ra từ
phản ứng hạt nhân (p, n). Mô hình bia đồng nhất xác định phân bố năng lượng
của neutron, phân bố góc của neutron khá chính xác.
2.2.6. Kết luận

- Mô hình bia đồng nhất đã xác định phổ neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân
(p, n) theo phân bố năng lượng và theo phân bố góc (dạng phổ thu được rất phù
hợp với các công trình khác đã công bố trên thế giới: hình 2.19 và hình 2.24).
- Mô hình bia đồng nhất chưa cho kết quả tốt về độ chính xác khi tính đến hiệu
suất neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n) trên các bia nặng (hình 2.25).
- Trong các tính toán thông thường người ta coi proton là chùm hạt song song
có năng lượng và cường độ dòng hạt không đổi trong suốt quá trình tương tác
với bia. Điều này chỉ đúng với bia rất mỏng. Trường hợp bia dày như bia của
ADS thì khi tương tác với bia, các proton sẽ có thể bị lệch khỏi hướng ban đầu
(tán xạ), bị suy giảm về năng lượng và cường độ. Để phù hợp với bức tranh vật
lý, chúng tôi chia bia ra thành các lớp mỏng và tính số neutron sinh ra trên từng
Hình 2.25: Hiệu suất neutron trên bia chì ở mô hình bia đồng nhất và
mô hình của Sara T. Mongelli et al. [39]
17
lớp bia mỏng. Số neutron sinh ra cho cả khối bia là tổng neutron sinh ra trên tất
cả các lớp bia mỏng này. Mô hình này được gọi là mô hình màn chắn trên bia.
Mô hình màn chắn trên bia sẽ được nghiên cứu và trình bày trong chương kế
tiếp.
Chương 3
MÔ HÌNH MÀN CHẮN TRÊN BIA
3.1. Mô hình tính
Trong tính toán ở chương hai, bia được xem là một khối đồng nhất, năng
lượng của chùm hạt tới được xem là không thay đổi trong khi xuyên qua khối
vật liệu bia và đã bỏ qua không tính đến sự suy giảm cường độ dòng hạt tới khi
đi trong khối vật chất. Mô hình này được gọi là mô hình bia đồng nhất.
Mô hình bia đồng nhất được đặt ra như một giả thuyết, để từ đó đi tìm
phân bố năng lượng, phân bố góc của neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân
(p,n). Mô hình bia đồng nhất đã tỏ ra rất có hiệu quả trong bài toán xác định
phổ neutron.
Tuy nhiên bức tranh vật lý thực tế không đơn giản như giả thuyết của mô

hình bia đồng nhất. Khi đi xuyên qua vật chất, các hạt tương tác với các nguyên
tử môi trường làm mất mát đi một phần năng lượng và đồng thời cường độ của
chùm hạt cũng bị suy giảm do cơ chế truyền qua này. Vì vậy mô hình màn chắn
trên bia – screening effect model được đề ra nhằm nâng cao tính chính xác cho
mô hình bia đồng nhất. Năng lượng mất mát của chùm hạt tới và độ suy giảm
của cường độ chùm hạt sẽ được tính trên từng lớp bia mỏng của khối bia được
cắt thành nhiều lớp. Số neutron sinh ra khi chùm proton tương tác với các hạt
nhân bia cũng sẽ được xác định trên từng lớp vật liệu mỏng đó. Như vậy số
lượng neutron sinh ra khi chùm proton tương tác với cả khối bia chính là tổng
của số neutron sinh ra trên tất cả các lớp bia mỏng.
_________
Chúng tôi quan niệm rằng chùm proton đi vào bia là chùm hạt song song
có dạng hình trụ và đã bỏ qua không tính đến hiệu ứng tán xạ của proton trên
1
n
N
3
n
N
n
n
N



n
i
n
i
N

1
+
+
+
2
n
N
1
E
p
= E
0
N
p
= N
0
p
Rd 
neutron
2
dx
dE
EE
0
01

 
dNNN
p
exp

0
1


3
dx
dE
EE
1
12

 
dNNN
pp
exp
1
12


neutron
neutron
neutron
neutron
dx
dE
EE
n
nn
1
1




n
 
dNNN
npp
nn
exp
1
1




Hình 3.1. Mô hình màn chắn trên bia (Screening effect model)
neutron
neutron
18
bia, điều này sẽ có thể dẫn đến xuất hiện sai số. Chính vì vậy mà Luận án đã đề
cập đến “hiệu ứng màn chắn” với mục đích chia nhỏ bia thành nhiều lớp mỏng.
Các tính toán thực hiện trên từng lớp bia mỏng sẽ phù hợp hơn với hiện tượng
thật của quá trình vật lý. Các hiệu ứng chưa xét đến trên các lớp bia mỏng sẽ
gây nên sai số nhỏ có thể chấp nhận được.
Ngoài ra chương trình tính toán của luận án được xây dựng dựa trên cơ sở
dữ liệu của thư viện hạt nhân năng lượng cao JENDL. Khi tính toán trên mỗi
lớp bia, ứng với từng năng lượng tới của proton, các số liệu hạt nhân như tiết
diện hiệu dụng (σ), hiệu suất phát neutron (y), phân bố góc của neutron sinh ra
(cosθ) đều có được từ thư viện hạt nhân JENDL-HE . Vì vậy có thể nói mô hình
màn chắn là bước mở đầu của việc nghiên cứu tính toán bia cho ADS nhưng đã

thể hiện được một ý nghĩa vật lý logic và thông qua JENDL-HE kết quả thu
được của luận án có thể tin cậy.
Trong mô hình màn chắn, luận án chia bia thành các lớp theo bước nhảy
năng lượng của thư viện JENDL và các giá trị của σ hiệu dụng được cung cấp
từ thư viện hạt nhân năng lượng cao JENDL:
3.2. Các bước tính toán
3.2.1. Năng lượng mất mát của chùm proton
3.2.1.1. Công thức Bethe Bloch
 

































2
2
22
e
2
0
2
2
2
2
e
ion
β
β1I
βc2m
ln.
4
e
.

β
nz
.
cm
4π
dx
dE

(3.1)
• β= v/c
• v: vận tốc hạt bắn phá
• c: vận tốc ánh sáng
• n
e
: mật độ electron trong vật liệu bia
• m
e
: khối lượng electron
• I: thế ion hóa môi trường
• e: điện tích electron (1,6 ×10
-19
C )
• z: số điện tích của hạt tới, đối với proton z = 1
3.2.1.2. Năng lượng mất mát của proton trên bia
206
Pb,
197
Au,
238
U,

184
W
Hình 3.2. Độ mất năng lượng của proton trên các bia
206
Pb,
197
Au,
238
U,
184
W
19
3.2.2. Sự suy giảm của cường độ dòng proton
3.2.2.1. Công thức tính độ suy giảm của cường độ dòng proton
 
.dN.expNN
0p


(3.2)
N
p
: cường độ dòng proton sau khi qua bề dày d của bia (hạt/s)
N
0
: cường độ dòng proton ban đầu (hạt/s)
N: mật độ hạt nhân trong bia (hạt/cm
3
)
: tiết diện hiệu dụng ứng với mỗi năng lượng tới của chùm proton (barn/MeV)

d: bề dày bia (cm)
Tất cả các tính toán ở cả hai mô hình bia đồng nhất và mô hình màn chắn trên
bia là nhằm phục vụ cho ADS, do đó cường độ dòng của máy gia tốc được sử
dụng là 25 mA
3.2.2.2. Độ suy giảm của cường độ dòng proton trên các bia
206
Pb,
238
U,
186
W,
197
Au
H. 3.3. Độ suy giảm của chùm
proton trong bia
206
Pb,
238
U,
197
Au,
186
W với E
p
=0,5GeV, I
p
=25 mA
H. 3.6. Độ suy giảm của chùm proton
trong bia
206

Pb,
238
U,
197
Au,
186
W với
E
p
=1,5GeV, I
p
=25 mA
Độ suy giảm của chùm proton trong các bia
206
Pb,
238
U,
186
W,
197
Au được tính ở
các vùng năng lượng từ 0,5 GeV và 1,5 GeV trong hình 3.3 và 3.6,
- Năng lượng tới càng lớn, quãng chạy của proton trong bia càng tăng, số
proton còn lại trên bia không tương tác với hạt nhân bia càng ít.
- Dựa vào tính toán này có thể rút ra việc lựa chọn bề dày từng loại bia phù hợp
với từng mức năng lượng bắn phá để kéo dài tuổi thọ của bia.
- Tính toán những vùng năng lượng còn lại từ 0,6 đến 1,0 GeV được trình bày
trong Chương ba và phần Phụ lục của Luận án.
3.2.3. Số neutron sinh ra
3.2.3.1. Số neutron sinh ra trên bia

186
W,
206
Pb– So sánh mô hình bia đồng
nhất và màn chắn
20
H. 3.9. Số neutron sinh ra từ phản
ứng (p, n) trên
186
W – so sánh giữa
hai mô hình màn chắn và đồng nhất
H. 3.7. Số neutron sinh ra từ phản
ứng (p, n) trên
206
Pb – so sánh giữa
hai mô hình đồng nhất và màn chắn
3.2.3.2. Số neutron sinh ra trên bia
238
U,
197
Au– So sánh với mô hình bia
đồng nhất
H. 3.8. Số neutron sinh ra từ phản
ứng (p, n) trên
238
U – so sánh giữa
hai mô hình màn chắn và đồng nhất
H. 3.10. Số neutron sinh ra từ phản
ứng (p, n) trên
197

Au – so sánh giữa
hai mô hình màn chắn và đồng nhất
Từ Hình 3.7 đến hình 3.10 là kết quả số neutron sinh ra tính cho hai mô
hình bia đồng nhất và mô hình màn chắn trên bia
186
W,
206
Pb,
238
U,
197
Au với
năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 3,0 GeV, cường độ dòng proton
từ máy gia tốc là 25 mA và bề dày bia tính theo quãng chạy tự do trung bình
của proton (
p
Rd 
) ứng với năng lượng proton bắn phá bia.
Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trong mô hình màn chắn không tăng
nhiều nữa khi năng lượng bắn phá của proton lên đến cỡ khoảng 1,5 GeV.
Có thể giải thích điều này như sau: với năng lượng bắn phá đủ lớn (trên
1,5 GeV) proton sẽ tương tác trực tiếp với các proton và neutron của hạt nhân
bia (gọi chung là các nuclon) xác suất sinh ra các hạt sơ cấp µ

, π

, sẽ tăng
lên. Năng lượng tăng lên sẽ tiêu tốn trên các kênh này ngày càng chiếm ưu thế.
p
Rd 

p
Rd 
p
Rd 
p
Rd 
21
Do đó số neutron sinh ra lúc này sẽ tăng lên rất chậm. Vì vậy mà từ năng lượng
bắn phá của proton là 1,5 GeV trở lên thì thấy số neutron không tăng nhiều nữa.
Khảo sát này cho thấy trong công nghệ ADS chỉ cần có các máy gia tốc
proton với năng lượng từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV là đủ. Với công nghệ gia tốc
hiện đại, việc chế tạo các máy gia tốc proton như vừa nói là không khó và
tương đối rẻ tiền.
Khi có tính đến hiệu ứng màn chắn, số neutron thu được ở mô hình màn
chắn trên bia giảm đi so với mô hình bia đồng nhất một lượng rất đáng kể. Ví
dụ đối với bia
206
Pb độ sai khác về số neutron thu được giữa hai mô hình trung
bình tính ở vùng năng lượng bắn phá của proton 0,5 GeV là khoảng 35,8% (số
neutron thu được ở mô hình bia đồng nhất là 2,97.10
18
neutron/s và số neutron
thu được ở mô hình màn chắn là 1,91.10
18
neutron/s), ở bia
238
U là khoảng
27,6% nhưng ở bia
186
W và bia

197
Au độ sai khác lên đến khoảng 39,8% và
40,3%.
3.2.4. So sánh hiệu suất sinh neutron giữa mô hình bia đồng nhất – mô
hình màn chắn trên bia với các công trình khác
Ở hình 3.11, khi áp dụng mô hình màn chắn trên bia, chúng tôi thu được
hiệu suất sinh neutron tương đối gần với kết quả của nhóm nghiên cứu Sara T.
Mongelli và các cộng sự. Từ kết quả so sánh này cũng có thể thấy mô hình màn
chắn đã được cải thiện về độ chính xác tốt hơn so với mô hình bia đồng nhất.
3.2.5. Sử dụng mô hình màn chắn trên bia tính số neutron sinh ra phân bố
theo góc trên bia
206
Pb,
238
U,
235
U,
186
W,
197
Au
a). E
p
= 0,5 và 0,6 GeV
Xác định số neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n) theo phân bố góc
trên các loại bia giúp ta nhận biết được phân bố không gian của neutron sinh ra
để sắp xếp nhiên liệu, thiết kế bia trong ADS tận dụng hết neutron sinh ra.
Số neutron sinh ra theo phân bố góc được tính với mô hình màn chắn và bề
dày các bia được chọn bằng quãng chạy tự do trung bình của proton trong từng
Hình 3.11. So sánh hiệu suất sinh neutron ở bia

208
Pb từ phản ứng
hạt nhân (p,n) giữa mô hình bia đồng nhất, mô hình màn
chắn và của Sara T. Mongelli và cộng sự [39]
22
loại bia đang xét ứng với năng lượng bắn phá bia của chùm proton tới là 0,5 và
0,6 GeV được biểu diễn trên hình 3.12 và 3.13
H.3.12. Số neutron sinh ra phân bố ở
các góc trên
206
Pb,
238
U,
235
U,
186
W,
197
Au bề dày d=R
p
, năng lượng
proton 0,5 GeV
H.3.13. Số neutron sinh ra phân bố
ở các góc trên
206
Pb,
238
U,
235
U,

186
W,
197
Au bề dày d=R
p
, năng
lượng proton là 0,6 GeV
Hình 3.12 cho thấy khi proton bắn phá có năng lượng 0,5 GeV, số neutron
sinh ra ở góc 180
0
trên bia
186
W là nhiều nhất (0,65.10
18
neutron/s) và số
neutron sinh ra ít nhất ở góc 180
0
là đối với bia
235
U (0,31.10
18
neutron/s).
Khi tăng năng lượng bắn phá của proton lên đến 0,6 GeV (hình 3.13), số
lượng neutron thu được phân bố ở các góc cũng tăng lên. Lúc này số neutron
sinh ra ở góc 180
0
cũng tăng lên và bia có số neutron sinh ra ở góc 180
0
ít nhất
cũng vẫn là bia

235
U (0,46.10
18
neutron/s). Xét ở các vùng năng lượng khác đều
thấy có cùng quy luật.
b). E
p
= 0,7 và 0,8 GeV
H. 3.14. : Số neutron phân bố theo
góc, với E
p
= 0,7 GeV ở mô hình màn
chắn
H. 3.15. Số neutron phân bố theo
góc, với E
p
= 0,8 GeV ở mô hình
màn chắn
c). E
p
= 1,0 và 1,5 GeV
p
p
p
Rd
mA25I
GeV6,0E




E
p
= 0,5 GeV
I
p
= 25 mA
p
Rd 
p
p
p
Rd
mA25I
GeV7,0E



p
p
p
Rd
mA25I
GeV8,0E



23
H. 3.16. : Số neutron phân bố theo
góc, với E
p

= 1,0 GeV ở mô hình màn
chắn
H. 3.17. Số neutron phân bố theo góc,
với E
p
= 1,5 GeV ở mô hình màn chắn
Trong khảo sát này khi tính với mô hình màn chắn trên bia thì
235
U cho số
neutron sinh ra ở góc 180
0
là ít nhất ở hầu hết trong vùng năng lượng quan tâm
từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV. Tuy nhiên để chọn bia cho ADS còn phải xét rất nhiều
yếu tố khác cũng như phải tính thêm các hiệu ứng khác nữa.
Bia được chọn cho số neutron sinh ra ít nhất ở góc 180
0
trong vùng năng
lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV được liệt kê trong bảng 3.3.
Bảng 3.3: Số neutron sinh ra phân bố ở góc 180
0
(phía sau bia)
Với khảo sát của luận án thì sử dụng bia
235
U làm bia cho ADS là tốt nhất
trong hầu hết các vùng năng lượng từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV.
3.2.6. So sánh số neutron sinh ra được phân bố theo góc giữa mô hình bia
đồng nhất và mô hình màn chắn trên bia
Phân bố không gian của neutron trong lò phản ứng ADS rất quan trọng.
Dựa vào phân bố này người ta có thể sắp xếp nhiên liệu để sử dụng nguồn
neutron sinh ra cho thật hiệu quả và công suất của lò được nâng cao.

E
p
(GeV)
Bia
Bề dày bia
được chọn
p
Rd 
(cm)
Số neutron ít
nhất sinh ra ở
góc 180
0
(hạt)
0,5
235
U
13
3,19.10
17
0,6
235
U
16
4,6.10
17
0,7
235
U
20

6,2.10
17
0,8
235
U
24
9,2.10
17
1,0
235
U
33
14,8.10
17
1,5
235
U
56
35,8.10
17
p
p
p
Rd
mA25I
GeV0,1E



p

p
p
Rd
mA25I
GeV5,1E



24
Bảng 3.4 trình bày kết quả đánh giá sự sai biệt theo phần trăm của số
neutron sinh ra theo phân bố góc giữa mô hình bia đồng nhất và mô hình màn
chắn trên bia khi năng lượng bắn phá bia của proton là 1,5 GeV, cường độ dòng
hạt là 25 mA và bề dày bia được chọn bằng quãng chạy tự do trung bình của
proton trong các bia
238
U,
235
U,
206
Pb,
186
W,
197
Au.
Bảng 3.4: Đánh giá sự sai biệt về số neutron sinh ra theo phân bố góc với
E
p
= 1,5 GeV giữa hai mô hình đồng nhất và màn chắn (số neutron x10
18
)

238
U
206
Pb
186
W
197
Au
Góc
(độ)
N
eutron
(Đ
ồngnhất)
Neutron
(Màn ch
ắn)
%
Neutron
(Đ
ồng nhất)
Neutron
(Màn ch
ắn)
%
Neutron
(Đ
ồng nhất)
Neutron
(Màn ch

ắn)
%
Neutron
(Đ
ồng nhất)
Neutron
(Màn ch
ắn)
%
180
5.2
3.8
26.3
5.7
4.7
18.0
5.7
4.7
17.4
5.8
4.7
19.2
170
5.3
3.9
26.0
5.7
4.7
17.9
5.5

4.6
15.9
5.8
4.7
18.9
160
5.3
3.9
26.0
5.8
4.7
18.0
5.6
4.7
16.2
5.9
4.7
19.0
150
5.4
4.0
26.3
5.9
4.8
18.0
5.7
4.8
16.4
6.0
4.8

19.5
140
5.5
4.1
26.2
6.0
4.9
18.3
5.8
4.9
16.5
6.1
4.9
19.3
130
5.6
4.1
26.4
6.2
5.1
18.1
6.0
5.0
16.2
6.3
5.1
19.5
120
5.8
4.3

26.7
6.4
5.2
18.5
6.2
5.2
16.8
6.5
5.2
19.7
110
6.0
4.4
26.7
6.7
5.4
18.7
6.5
5.4
16.7
6.8
5.5
19.6
100
6.2
4.6
26.9
7.0
5.7
18.7

6.8
5.6
17.1
7.1
5.7
19.9
90
6.5
4.7
27.0
7.3
5.9
18.8
7.1
5.9
17.1
7.5
6.0
20.0
80
6.8
4.9
27.2
7.7
6.2
18.8
7.6
6.2
17.4
7.9

6.3
20.2
70
7.1
5.2
27.3
8.1
6.6
19.3
8.0
6.6
17.5
8.3
6.6
20.3
60
7.4
5.4
27.3
8.5
6.9
18.9
8.3
6.9
17.4
8.8
7.0
20.5
50
7.7

5.6
27.3
8.9
7.2
18.8
8.7
7.2
17.1
9.1
7.3
20.3
40
8.0
5.8
27.1
9.3
7.6
18.9
9.2
7.6
17.3
9.6
7.6
20.9
30
8.4
6.1
27.2
9.9
8.0

19.1
9.7
8.0
17.4
10.2
8.0
21.2
20
8.9
6.5
27.4
10.7
8.6
19.5
10.6
8.7
18.0
11.1
8.6
22.3
10
9.8
7.0
28.4
12.0
9.5
20.7
12.0
9.6
19.6

12.5
9.5
23.6
0
12.0
8.7
27.8
15.4
12.4
19.8
15.5
12.6
18.9
16.3
12.7
22.5
Từ bảng 3.4 ta thấy, với bia
238
U độ chênh lệch số neutron sinh ra ở các
góc khá lớn, trung bình khoảng 26,9%, với bia
206
Pb độ chênh lệch trung bình
khoảng 18,8%, bia
186
W độ chênh lệch khoảng 17,2% và bia
197
Au độ chênh
lệch khoảng 20,3%.
3.3. Kết luận
- Mô hình màn chắn trên bia đã có cải thiện được độ chính xác trong việc tính

số neutron sinh ra từ phản ứng hạt nhân (p, n)
- Từ nghiên cứu có thể đưa ra một đề nghị chọn bia cho ADS như sau:
25
Bảng 3.6: Bảng so sánh một số các thông số cần thiết để lựa chọn bia:
Bia
E
p
= 1,5 GeV
Số neutron sinh ra
theo E
p
(hạt/s)
Số neutron sinh ra
ở góc 180
0
(hạt/s)
Nhiệt độ
nóng chảy
(
0
C)
238
U(d=56 cm)
8,1.10
18
3,7.10
18
1132
206
Pb(d=91cm)

7,7.10
18
3,2.10
18
327,5
186
W (d=52cm)
7,3.10
18
4,7.10
18
3400
Qua nghiên cứu này
238
U là bia tốt nhất được đề nghị cho hệ thống ADS, bởi vì:
- Bia
238
U cho số neutron sinh ra khá cao: 8,1.10
18
neutron/s, nhiệt độ nóng
chảy của urani là 1132
0
C đủ để bia có thể chịu đựng được môi trường khắc
nghiệt trong vùng hoạt, số neutron sinh ra ở vùng góc 180
0
tương đối thấp
khi so sánh với bia
186
W. Với cấu tạo của ADS, rất khó khăn để bố trí thêm
những thanh phản xạ như đã đề nghị để tận dụng tất cả các “neutron bù” bay

ra phía sau bia, vì vậy nên chọn bia cho số hạt bay ra phía sau ít nhất.
- Bia
186
W cho số neutron lớn: 7,3.10
18
neutron/s, nhiệt độ nóng chảy rất cao
3400
0
C nhưng số neutron sinh ra phía sau bia nhiều nhất (4,7.10
18
neutron/s)
trong ba loại bia đang xét.
- Bia
206
Pb cho số neutron sinh ra ở vùng góc 180
0
là thấp nhất (3,2.10
18
neutron/s), nhưng số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) không nhiều và nhiệt
nóng chảy rất thấp 327,5
0
C. Tuy nhiên có thể chọn
206
Pb làm bia cho ADS
nhưng với một sự cải tiến như sau: sử dụng chì lỏng (lợi dụng tính chất nóng
chảy thấp của chì) vừa làm bia sinh neutron vừa làm chất tải nhiệt cho ADS
thực hiện quá trình đối lưu tự nhiên. Với phương pháp này việc thay bia là
không cần thiết nữa, giảm đi nhiều phức tạp cho hệ thống ADS.
KẾT LUẬN CHUNG
Hiện nay công nghệ năng lượng hạt nhân đang đứng trước những thách

thức lớn. Sau các sự cố ở Three Mile Island (Pennsylvania – 1979), Chernobyl
(Ukraine – 1986) và đặc biệt sau thảm họa ở Fukushima (Nhật Bản – 2011),
giới bảo vệ môi trường đã rất phản đối việc sử dụng nguồn năng lượng này.
Chính phủ ở nhiều nước đã buộc phải tuyên bố ngừng hoặc giảm dần việc sử
dụng năng lượng hạt nhân. Do đó các nhà nghiên cứu về công nghệ hạt nhân
phải phát triển được công nghệ sao cho an toàn tuyệt đối để các sự cố vừa nêu ở
trên không bao giờ xảy ra nữa.
ADS đang là một phương án có khả năng đáp ứng các đòi hỏi trên. Việc
nghiên cứu ADS nói chung và bia cho ADS nói riêng càng trở nên cấp thiết và
quan trọng. Trong Luận án này, chúng tôi mới chỉ đề cập đến phản ứng (p, n)
trên một số loại bia trong vùng năng lượng bắn phá của proton từ 0,5 ÷ 1,5 GeV
mà chưa nghiên cứu đến hình dạng và kích thước bia cũng như các hiệu ứng tán
xạ của proton khi đi qua bia (yếu tố này sẽ phụ thuộc vào hình dạng và kích
thước bia), hiệu ứng bức xạ hãm, các phản ứng hạt nhân khác như (p, e), (p, µ),
p
Rd 