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

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

6 TIÊU CHUẨN GIA ĐÌNH VĂN HÓA


iv

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận án, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ rất
chân tình. Xin trân trọng cảm ơn:


PGS.TS Nguyễn Mộng Giao, thầy hướng dẫn nghiên cứu thực hiện luận án.
Thầy đã tạo điều kiện để tôi tham dự báo cáo các Hội nghị khoa học trong
nước và gửi bài đăng các tạp chí khoa học tại Ý cùng tham dự hội nghị
quốc tế tại Nhật và Mỹ.



PGS. TS Châu Văn Tạo Trưởng Khoa Vật Lý, Trưởng Chuyên ngành Hạt
Nhân Nguyên Tử Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP. Hồ Chí Minh
đã rất tận tâm chỉ bảo và giúp đỡ tôi bất cứ lúc nào tôi cần để hoàn thành
luận án.



PGS. TS Vương Hữu Tấn, Viện Trưởng Viện Năng lượng Nguyên Tử VN
đã cung cấp tài liệu giúp đỡ tôi viết luận án này.



PGS. TS Nguyễn Nhị Điền, Viện Trưởng Viện Hạt Nhân Dalat, đã giúp đỡ
tạo điều kiện được nghiên cứu một thời gian dài tại Lò phản ứng hạt nhân
giúp tôi mở cửa sổ để tiếp cận trong khảo sát thực tế.



Xin cảm ơn các Thầy Phản biện và các Thầy Cô thành viên trong Hội Đồng
Cấp Cơ sở đã giúp nhiều ý kiến bổ ích cho Luận án.



Xin chân thành cảm ơn các Thầy Phản biện Độc lập đã đọc và chỉ dẫn
nhiều ý kiến rất quan trọng để hoàn thành Luận án.



Xin cảm ơn Giáo sư Jirina R. Stone (MIT – Massachusetts Institute of
Technology – USA) đã nhiệt tình góp ý, ủng hộ hết lòng cho đề tài nghiên
cứu của Luận án. Cảm ơn Giáo sư Tunis (ICTP – International Centre for
Theoretical Physics – Italy ) với những giúp đỡ và những nhận xét mang
tính khoa học cao cho những công trình nghiên cứu của Luận án. Xin cảm
ơn Giáo sư Hiroyoshi Sakurai (RIKEN Nishina Center for Accelerator
Based Science – Japan) đã cho những ý kiến đóng góp để công trình
nghiên cứu của Luận án được hoàn thiện hơn.


v



Các thầy cô trong Bộ Môn Hạt Nhân và Phòng Quản Lý Khoa Học Sau Đại
Học và Hợp Tác Quốc Tế, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Tp. Hồ
Chí Minh đã giúp đỡ để hoàn thành và bảo vệ luận án.



Xin cảm ơn các đồng nghiệp Trường Cao Đẳng GTVT Tp. HCM đã động
viên tôi trong quá trình hoàn thành luận án.

Cuối cùng xin được phép các GS.TS, các thầy cô cho tôi được thắp nén hương
linh để tạ ơn người anh ruột Nguyễn Mạnh Dũng mới qua đời. Suốt hơn 2 năm
bệnh nặng mà vẫn động viên giúp đỡ vật chất và tinh thần cho tôi học và
nghiên cứu, đây là khoảng thời gian tôi vừa học và vừa nuôi anh ở bệnh viện,
khoảng thời gian mà tôi không thể quên.
Một lần nữa xin cảm ơn quý thầy cô và bạn bè đã là động lực là nguồn sáng
cho tôi viết luận án tiến sĩ hôm nay.

vi

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iv

Bảng các chữ viết tắt

vi

Danh mục các bảng

viii

Danh mục các hình vẽ

ix

Mở đầu

1

Chương 1

Tổng quan

13

1.1

Những nghiên cứu trên thế giới về phản ứng (p, n)

13

1.2

Giới thiệu thư viện dữ liệu hạt nhân JENDL

25

1.2.1. File tổng quát

25

1.2.2. File đặc biệt

27

1.2.3. Thư viện dữ liệu năng lượng cao JENDL (JENDL-HE)

28

1.2.4. Cấu trúc của JENDL-HE-2007

28

Chương 2

Mô hình bia đồng nhất

29

2.1

Một số các công thức tính toán

29

2.1.1. Công thức tính tiết diện phản ứng

29

2.1.2. Công thức tính số neutron và hiệu suất sinh neutron

30

2.1.3. Chương trình MATLAB

31

2.1.4. Dữ liệu của thư viện JENDL-HE

31

2.1.5. Xây dựng chương trình tính toán

32

Một số kết quả

33

2.2.1. Bề dày bia

33

2.2.2. Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên các bia nặng

34

2.2.3. Số neutron sinh ra theo phân bố góc

39

2.2.4. Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên các bia nặng

43

2.2


vii

2.2.5. Phân bố góc của neutron

47

2.2.6. Hiệu suất neutron

50

2.3

Kết luận

52

Chương 3

Mô hình màn chắn trên bia

53

3.1

Mô hình tính

53

3.2

Các bước tính toán

56

3.2.1. Năng lượng mất mát của chùm proton tới

56

3.2.2. Sự suy giảm của cường độ dòng proton

58

3.2.3. Số neutron sinh ra

60

3.2.4. So sánh hiệu suất sinh neutron với công trình khác

63

3.2.5. Sử dụng mô hình màn chắn trên bia tính số neutron sinh ra 64
phân bố ở các góc
3.2.6. So sánh số neutron sinh ra được phân bố ở các góc giữa 67
mô hình đồng nhất và mô hình màn chắn
3.3

Kết luận

69

Kết luận chung

71

Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo

72

Danh mục các công trình

74

Tài liệu tham khảo

76

Phụ lục

86


viii

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Việt

Tiếng Anh

ADS

Lò phản ứng điều khiển bằng máy gia tốc

Accelerator-Driven
System

ALICE

ALIROOT-HLC, Code tính toán dùng mô
phỏng dấu hiệu gây bởi bức xạ

BNCT

Liệu pháp bắt neutron của Boron

Boron

Neutron

Capture Therapy
CYRIC

Trung tâm đồng vị phóng xạ và cyclotron

Cyclotron

and

RadioIsotope Center
CEM

Mô hình kích thích tầng

Cacade

Exciton

Model
CEX
CRISP

Charge EXchange
Code tính toán phản ứng hạt nhân năng RIo-Sao
lượng cao và trung bình

FLUKA

Code

Paulo

Collaboration

mô phỏng sự tương tác và vận Fluktuierende

chuyển hạt

FKK

KAskade
Feshbach

Kerman

Koonin
INC

Tầng nội hạt nhân

Intra-Nuclear
Cascade

J-PARC

Viện nghiên cứu máy gia tốc proton của Japan
Nhật Bản

Proton

Accelerator
Research Complex

JENDL

Thư viện dữ liệu hạt nhân JENDL của Japanese Evaluated
Nhật Bản

Nuclear

Data

Library
LAHET

Hệ thống code tính toán cho vận chuyển Los Alamos High


ix

MATLAB

năng lượng cao của Los Alamos

Energy Transport

Ngôn ngữ lập trình

MATrix
LABoratory

MCNPX
QMD

Code vận chuyển bức xạ sử dụng phương Monte

Carlo

N

pháp Monte Carlo mở rộng

particle eXtended

Động học phân tử lượng tử

Quantum Molecular
Dynamics

SDM

Mô hình phân rã thống kê

Statistical
Model

SHIELD

Code mô phỏng Monte Carlo cho dòng
hadron trong bia phức tạp

Decay


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
STT Bảng

Diễn giải

Trang

1

1.1

Các phiên bản của JENDL

26

2

1.2

Các File dữ liệu JENDL đặc biệt

27

3

1.3

Lĩnh vực ứng dụng của dữ liệu hạt nhân năng lượng cao

28

4

2.1

Quãng chạy tự do trung bình của proton R p và bề dày 34
các bia U, Pb, Au, W được chọn trong vùng năng lượng
bắn phá của proton từ 0.5 GeV đến 3 GeV

5

2.2

Loại bia dùng cho ADS và năng lượng dòng proton 38
tương ứng

6

2.3

Số neutron sinh ra phân bố ở vùng phía sau các bia (mô 42
hình đồng nhất)

7

2.4

Hiệu suất sinh neutron từ bia

208

Pb với năng lượng 51

proton tới là 1,0 GeV
8

3.1

Cường độ dòng proton, số neutron sinh ra, bia

238

U dày 56

với Ep=1,5GeV
9

3.2

Độ mất mát năng lượng riêng của proton khi xuyên qua 57
bia 206Pb, 208Pb, 197Au, 238U, 184W

10

3.3

Số neutron sinh ra phân bố ở góc 1800 phía sau bia

11

3.4

Đánh giá sự sai biệt về số neutron sinh ra theo phân bố 68

67

góc với năng lượng proton 1,5 GeV giữa hai mô hình
đồng nhất và màn chắn (số neutron x1018)
12

3.5

Đánh giá sự sai biệt về số neutron sinh ra theo năng 69
lượng proton giữa hai mô hình đồng nhất và màn chắn
(số neutron x1018)

13

3.6

Bảng so sánh các thông số cần thiết để lựa chọn bia

70


xi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Stt Hình

Diễn giải

Trang

1

Tiêu thụ năng lượng hạt nhân tính bình quân theo đầu người

3

1

ở một số nước trên thế giới trong năm 2003
2

2

Mô hình một nhà máy hủy thải phóng xạ vận hành bởi ADS

8

3

2.1

Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên bia

35

204

Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb bề dày d  R p

4

2.2

Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên bia

180

W,

182

W, 36

184

W, 186W bề dày d  R p

5

2.3

Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên

6

2.4

Số neutron sinh từ phản ứng (p, n) trên 238U, 235U dày d  R p

7

2.5

Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên

197

Au dày d  R p

204

36
37

Pb, 206Pb, 207Pb, 38

208

Pb, 180W, 182W, 184W, 186W, 238U, 235U, 197Au dày d  R p

8

2.6

Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên bia
206

Pb,

186

W,

197

238

U,

235

U, 39

Au, bề dày bia d  R p với năng lượng của

proton tới là 0,5 GeV
9

2.7

Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên bia
206

Pb,

186

W,

238

U,

235

U, 40

197

Au, bề dày bia d  R p với năng lượng của

proton tới là 0,6 GeV
10

2.8

Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên

206

Pb,

238

U,

235

U, 41

235

U, 41

235

U, 41

235

U, 41

186

W, 197Au bề dày d  R p năng lượng Ep= 0,7 GeV

11

2.9

Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên

206

Pb,

238

U,

186

W, 197Au bề dày d  R p năng lượng Ep= 0,8 GeV

12

2.10

Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên

206

Pb,

238

U,

186

W, 197Au bề dày d  R p năng lượng Ep= 1,0 GeV

13

2.11

Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên

206

Pb,

238

U,


xii

186

W, 197Au bề dày d  R p năng lượng Ep= 1,5 GeV

14

2.12

Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên

206

Pb,

238

U,

235

U, 42

235

U, 42

186

W, 197Au bề dày d  R p năng lượng Ep= 2,0 GeV

15

2.13

Số neutron sinh ra theo phân bố góc trên

206

Pb,

238

U,

186

W, 197Au bề dày d  R p năng lượng Ep= 3,0 GeV

16

2.14

Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 206Pb với năng 44
lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 3,0 GeV

17

2.15

Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia

238

U với năng 44

lượng bắn phá của proton từ 0.5 GeV đến 3 GeV
18

2.16

Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia

235

U với năng 45

lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 3,0 GeV
19

2.17

Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 186W với năng 45
lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 3,0 GeV

20

2.18

Tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) trên bia 197Au với năng 46
lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 3,0 GeV

21

2.19

So sánh tiết diện vi phân của phản ứng (p, n) giữa tài liệu 47
[10] (hình b) và kết quả của luận án hình (a)

22

2.20

Phân bố góc của neutron sinh ra trên bia

206

Pb với năng 48

lượng của proton từ 0,5GeV đến 1,5 GeV

23

2.21

Phân bố góc của neutron trên bia 238U với Ep = 0,5 ÷1,5 GeV

48

24

2.22

Phân bố góc của neutron trên bia 238U với Ep= 0,5 ÷1,5 GeV

49

25

2.23

Phân bố góc của neutron sinh ra trên bia

197

Au với năng 49

lượng bắn phá của proton từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV
26

2.24

Phân bố góc của neutron với Ep= 800 MeV trên bia 208Pb

27

2.25

Hiệu suất sinh neutron trên bia

208

50

Pb ở mô hình bia đồng 51

nhất và mô hình của Sara T.Mongelli et al. [39]
28

3.1

Mô hình màn chắn trên bia – Screening effect model

29

3.2

Độ mất mát năng lượng riêng của proton trên các bia

53
206

Pb, 57


xiii

238

U, 197Au, 186W

30

3.3

Độ suy giảm của chùm proton trong bia

206

Pb,

238

197

206

Pb,

238

197

U,

Au, 58

186

W với Ep= 0,5 GeV, Ip=25 mA

31

3.4

Độ suy giảm của chùm proton trong bia

U,

Au, 58

186

W với năng lượng proton tới là 0,8 GeV, cường độ dòng

máy gia tốc I = 25 mA
32

3.5

Độ suy giảm của chùm proton trong bia

206

Pb,

238

U,

197

Au, 59

186

W với năng lượng proton tới là 1,0 GeV, cường độ dòng

máy gia tốc I = 25 mA
33

3.6

Độ suy giảm của chùm proton trong bia

206

Pb,

238

U,

197

Au, 59

186

W với năng lượng proton tới là 1,5 GeV, cường độ dòng

máy gia tốc I = 25 mA
34

3.7

So sánh số neutron sinh ra trên bia

206

Pb từ phản ứng hạt 60

nhân (p, n) giữa mô hình bia đồng nhất và mô hình màn
chắn trên bia
35

3.8

So sánh số neutron sinh ra trên bia

238

U từ phản ứng hạt 61

nhân (p, n) giữa mô hình bia đồng nhất và mô hình màn
chắn trên bia
36

3.9

So sánh số neutron sinh ra trên bia

186

W từ phản ứng hạt 62

nhân (p, n) giữa mô hình bia đồng nhất và mô hình màn
chắn trên bia
37

3.10

So sánh số neutron sinh ra trên bia

197

Au từ phản ứng hạt 62

nhân (p, n) giữa mô hình bia đồng nhất và mô hình màn
chắn trên bia
38

3.11

So sánh hiệu suất sinh neutron ở bia chì từ phản ứng hạt 63
nhân (p, n) giữa mô hình bia đồng nhất, mô hình màn chắn
và công trình của nhóm nghiên cứu Sara T. Mongelli và
cộng sự [39]

39

3.12

Số neutron phân bố theo góc trên

238

U,

235

U,

206

Pb,

186

W, 64

xiv

197

Au với năng lượng proton 0,5 GeV tính theo mô hình màn

chắn trên bia
40

3.13

Số neutron sinh ra phân bố theo góc trên các bia

238

U,

235

U, 65

206

Pb, 186W, 197Au với năng lượng của proton là 0,6 GeV tính

theo mô hình màn chắn trên bia
41

3.14

Số neutron sinh ra phân bố theo góc trên các bia

238

U,

235

U, 65

206

Pb, 186W, 197Au với năng lượng của proton là 0,7 GeV tính

theo mô hình màn chắn trên bia
42

3.15

Số neutron sinh ra phân bố theo góc trên các bia

238

U,

235

U, 65

206

Pb, 186W, 197Au với năng lượng của proton là 0,8 GeV tính

theo mô hình màn chắn trên bia
43

3.16

Số neutron sinh ra phân bố theo góc trên các bia

238

U,

235

U, 66

206

Pb, 186W, 197Au với năng lượng của proton là 1,0 GeV tính

theo mô hình màn chắn trên bia
44

3.17

Số neutron sinh ra phân bố theo góc trên các bia
206

238

U,

235

U, 66

Pb, 186W, 197Au với năng lượng của proton là 1,5 GeV tính

theo mô hình màn chắn trên bia


- 1 -

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: 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 180W, 182W, 184W, 186W, 235U, 238U,
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.


- 2 -

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: 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 180W, 182W, 184W, 186W, 235U,
235
U, 197Au
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 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 180W, 182W, 184W, 186W, 235U,
235
U, 197Au 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 238U,
206
Pb, 186W, 197Au 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: 238U, 235U, 208Pb, 207Pb, 208Pb, 204Pb, 186W, 184W, 182W, 180W, 197Au
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


- 3 -

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 6Li + p và 7Li + 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 6Li (p, n) 6Be 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: 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 180W, 182W, 184W,
186
W, 235U, 238U, 197Au, 237Np, 241Am 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 238U. 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,


- 4 -

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 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
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:
d 2 σ(μ, E p , E n )
dEdΩ

 σ(E p )y(E p )f(μf E p , E n )

(2.1)


Tiết diện vi phân

dσ
dE

- 5 -

được tính theo công thức:

19
f i 1 μ, E p , E n   f i μ, E p , E n 

dσ
 σ(E p )y(E p ) (μ i 1  μ i )

dE
2
i 


Tiết diện vi phân

dσ
dΩ

(2.2)

được tính theo công thức:

32
f i1 μ, E p , E n   f i μ, E p , E n 

dσ
 σE p yE p  E i 1  E i 

dΩ
2
i 1 


(2.3)

Với :
μ:

cosin góc bay của neutron

Ep: Năng lượng của proton tới (eV)
En: Năng lượng của neutron phát ra (eV)
σ(E p ) :

Tiết diện phản ứng (barn)

y(Ep): Hiệu suất phát neutron
f(μ( E p , E n ) :

Hàm phân bố đã được chuẩn hóa

d 2 σ(μ, E p , E n )
dEdΩ
dσμ, E p , E n 
dE
dσμ, E p , E n 
dΩ

: 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):

32

N n  N.N p .d.
j1

dσ j
dE

(2.12)

Với:
dN
dE

: cường độ dòng neutron sinh ra (hạt/s/MeV)

Nn: 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


- 6 -

2.2.1.1. Xét với bia
235

U, 197Au
d  Rp

204

Pb,

206

Pb,

207

Pb,

208

Pb,

180

W,

182

W,

184

W,

186

W,

238

U,

d  Rp

H. 2.1: Số neutron sinh ra từ phản ứng H. 2.2: Số neutron sinh ra từ phản
(p, n) trên bia 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb ứng (p, n) trên bia 180W, 182W, 184W,
186
bề dày d  R p
W bề dày d  R p

d  Rp
d  Rp

H. 2.3: Số neutron sinh ra từ phản ứng H. 2.4: Số neutron sinh ra từ phản
ứng (p, n) trên bia 238U, 235U bề dày
(p, n) trên bia 197Au bề dày d  R p
d  Rp

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


- 7 -

d  Rp

Hình 2.5: Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n) trên bia 204Pb, 206Pb, 207Pb,
208
Pb, 180W, 182W, 184W, 186W, 238U, 235U, 197Au bề dày d=Rp
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 trung bình
của proton trong từng loại bia: 235U, 238U, 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 197Au , 180W,
182
W, 184W, 186W 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
Ep
Bia nên chọn cho
Số neutron sinh ra từ phản ứng (p, n)
(GeV)
ADS
(hạt/s)
197
0,5
Au
3,11.1018
208

0,6
Pb
4,28.1018
186
0,7
W
5,47.1018
208
0,8
Pb
6,92.1018
208
1,0
Pb
9,99.1018
208
1,5
Pb
17,27.1018
208
2,0
Pb
25,82.1018
238
3,0
U
42,73.1018
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 235U, 238U, 206Pb, 197Au, 186W
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


- 8 -

d  Rp

dR

H. 2.6: Số neutron sinh ra theo phân H. 2.7: Số neutron sinh ra theo phân
bố góc trên bia 204Pb, 238U, 235U, 186W, bố góc trên bia 204Pb, 238U, 235U,
197
Au dày d=Rp , với năng lượng 186W, 197Au bề dày d=Rp , với năng
lượng proton là 0,6 GeV
proton là 0,5 GeV
b). Khi năng lượng bắn phá là 0,7 và 0,8 GeV

d  Rp

d  Rp

H. 2.8: Số neutron sinh ra theo phân H. 2.9: Số neutron sinh ra theo phân
bố góc trên bia 204Pb, 238U, 235U, bố góc trên bia 204Pb, 238U, 235U, 186W,
186
W, 197Au bề dày d=Rp, với năng 197Au bề dày d=Rp, với năng lượng
lượng proton là 0,7 GeV
proton là 0,8 GeV

- 9 -

c). Khi năng lượng bắn phá là 1,0 và 1,5 GeV

d  Rp

d  Rp

H. 2.10: Số neutron sinh ra theo phân H. 2.11: Số neutron sinh ra theo
bố góc trên bia 204Pb, 238U, 235U, 186W, phân bố góc trên bia 204Pb, 238U,
197
Au bề dày d=Rp, với năng lượng 235U, 186W, 197Au bề dày d=Rp , với
năng lượng proton là 1,5 GeV
proton là 1,0 GeV
d). Khi năng lượng bắn phá là 2,0 và 3,0 GeV

d  Rp

d  Rp

H. 2.12: Số neutron sinh ra theo H. 2.13: Số neutron sinh ra theo
phân bố góc trên 204Pb, 238U, 235U, phân bố góc trên 204Pb, 238U, 235U,
186
W, 197Au bề dày d=Rp, năng lượng 186W, 197Au bề dày d=Rp, năng lượng
proton 2,0 GeV
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:


- 10 -

- 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 1800 (vùng phía sau bia) là
bia urani (235U) (Bảng 2.3)
Vì vậy khi năng lượng của proton tới là 0,5 đến 2,0 GeV thì bia 235U cho
số neutron ở góc 1800 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 235U là tốt cho ADS (Bảng
2.2).
Khi năng lượng tới của proton là 3,0 GeV thì nên dùng bia 186W, vì trong
vùng năng lượng này có ít số neutron sinh ra ở vùng phía sau bia 186W (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 206Pb, 238U, 235U, 186W,

197
Au:

H. 2.14: Tiết diện vi phân của phản H. 2.18: Tiết diện vi phân của phản
ứng (p, n) trên 206Pb, năng lượng ứng (p, n) trên 197Au năng lượng
proton 0,5 GeV đến 3,0 GeV
proton 0,5 GeV đến 3,0 GeV


- 11 -

H. 2.15: Tiết diện vi phân của phản H. 2.17: Tiết diện vi phân của phản
ứng (p, n) trên 197Au năng lượng ứng (p, n) trên 197Au năng lượng
proton 0,5 GeV đến 3,0 GeV
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 206Pb, 197Au, 186W (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 235U, 238U, neutron sinh ra có năng lượng nằm trong dải từ 0 đến
15 MeV
2.2.3.2. So sánh với công trình khác

b)

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)


- 12 -

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 00 là 16,8677 barn/sr
Tiết diện sinh neutron ở góc 1800 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 00 lớn hơn tiết diện sinh neutron ở góc 1800 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 00 lớn hơn góc 1800 trung bình là khoảng 2,5 lần.

H. 2.20. Phân bố góc của neutron H. 2.21. Phân bố góc của neutron
sinh ra trên 206Pb năng lượng proton sinh ra trên 238U năng lượng
0,5 GeV đến 1,5 GeV
proton 0,5 GeV đến 1,5 GeV
238
197
186

Xét cho các bia U, Au, W cũng thu được cùng quy luật như
206
bia 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.


- 13 -

H. 2.22. Phân bố góc của neutron H. 2.23. Phân bố góc của neutron
sinh ra trên 186W, năng lượng sinh ra trên 197Au năng lượng
proton 0,5 GeV đến 1,5 GeV
proton 0,5 GeV đến 1,5 GeV

a)

d/d (mbarn/sr)

2.2.4.2. So sánh với công trình khác

b)

Hình 2.24. Phân bố góc của neutron với Ep= 0,8 MeV trên bia 208Pb
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