Xác định các đặc trưng của thanh nhiên liệu hạt nhân xác địnhđộ giàu của 235u bằng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trƣơng Thi Thu
̣
̀ y Vân

XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT
NHÂN-XÁC ĐỊNH ĐỘ GIÀU CỦA 235U BẰNG PHƢƠNG PHÁP
CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2014

1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trƣơng Thi Thu
̣
̀ y Vân

XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT
NHÂN-XÁC ĐỊNH ĐỘ GIÀU CỦA 235U BẰNG PHƢƠNG PHÁP
CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI

Chuyên ngành: Vâ ̣t lý nguyên tử
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. CAO ĐÌNH THANH

Hà Nội – Năm 2014

2


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Cao
Đình Thanh. Thầy đã dành nhiều thời gian hướng dẫn cũng như giải đáp thắc
mắc của tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu
sắc đến người thầy đáng kính của mình.
Qua đây, tôi xin gửi tới các thầy cô đang công tác tại khoa Vật lý
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, cũng như các
thầy cô đã tham gia giảng dạy khóa Cao học 2011-2013 lời cảm ơn chân
thành với công lao dạy dỗ trong suốt thời gian tôi học tập tại trường.
Tôi cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, cơ quan nơi
công tác những người đã luôn cổ vũ động viên và tạo điều kiện cho tôi trong
suốt quá trình học tập cũng như làm luận văn.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2014

Học viên

Trương Thị Thùy Vân

3


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN.............................10
1.1. Tổng quan về nhiên liệu hạt nhân và vật liệu phân hạch .........................10
1.2. Các đặc trƣng của thanh nhiên liệu Uranium Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Uranium .................................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.2 Dãy phóng xạ U238 và U235 ....................... Error! Bookmark not defined.
1.3 Viên gốm UO2 .................................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.1 Tính chất của viên gốm UO2 ..................... Error! Bookmark not defined.
1.3.2 Cấu trúc và sự giãn nở nhiệt ...................... Error! Bookmark not defined.
1.3.3 Độ dẫn nhiệt .............................................. Error! Bookmark not defined.
1.3.4 Độ cháy của nhiên liệu hạt nhân ............... Error! Bookmark not defined.
1.3.5 Độ giàu của nhiên liệu hạt nhân ................ Error! Bookmark not defined.
1.4. Thanh nhiên liệu hạt nhân ............................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ GIÀU
URANI .......................................................................... Error! Bookmark not defined.
2.1 Độ giàu của nhiên liệu Urani ............................ Error! Bookmark not defined.

2.2 Xác định hoạt độ phóng xạ theo phƣơng pháp phổ gammaError! Bookmark not define
2.3. Phƣơng pháp chuẩn nội hiệu suất ghi............. Error! Bookmark not defined.
2.4 Hệ phổ kế gamma bán dẫn ............................... Error! Bookmark not defined.
2.4.1. Phổ kế gamma bán dẫn Gecmani siêu tinh khiếtError! Bookmark not defined.
2.4.1. Hệ phổ kế gamma bán dẫn ....................... Error! Bookmark not defined.

2.5. Xác định sai số ................................................... Error! Bookmark not defined.
2.5.1. Sai số thống kê ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.5.2. Sai số hệ thống ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.5.3. Công thức truyền sai số ............................ Error! Bookmark not defined.

4


CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ....... Error! Bookmark not defined.
3.1. Đo phổ gamma của các mẫu nhiên liêụ ha ̣t nhân đƣơ ̣c

làm giàu

thấ p ............................................................................ Error! Bookmark not defined.
3.2. Xác định độ giàu đồng vị trong nhiên liệu uran.Error! Bookmark not defined.
3.3. Xác định độ giàu ............................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.1. Độ giàu nhiên liệu Urani của nguồn U4 ... Error! Bookmark not defined.
3.3.2. Độ giàu nhiên liệu Urani của nguồn U2.9 Error! Bookmark not defined.
3.4. Đánh giá sai số và kết quả thực nghiệm. ....... Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN .................................................................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................11

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các thông số quan trọng của đồng vị phân hạch U233, U235 và Pu239 .........4
Bảng 1.2 Các thành phần đóng góp vào năng lượng phân hạch
của U235 với notron nhiệt. ............................................................................................5
Bảng 1.3 Các tính chất cơ bản của các loại nhiên liệu hạt nhân .................................5

Bảng 1.4 Các tính chất cơ bản của Uranium ...............................................................6
Bảng 1.5 Các đồng vị phóng xạ trong dãy 238U và đặc trưng phân rã của chúng .....10
Bảng 1.6. Các đồng vị phóng xạ trong dãy 235U và đặc trưng phân rã của chúng ....11
Bảng 1.7. Các tính chất của UO2...............................................................................11
Bảng 2.1: Các vạch phổ được sử dụng để tính toán tỉ lệ hoạt độ..............................22
Bảng 3.1. Các thông số đặc trưng của các đỉnh gamma cần quan tâm thu được từ
mẫu U4 thời gian đo 51385 giây. ............................................................34
Bảng 3.2. Các thông số đặc trưng của các đỉnh gamma cần quan tâm thu được từ
mẫu U2.9 thời gian đo 57464 giây. .........................................................35
Bảng 3.3. Kết quả thực nghiệm độ giàu mẫu U4 và U2.9 ........................................38

6


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Chuỗi chiếm bắt notron của 232Th và 238U. ................................................10
Hình 1.2. Chuỗi phân rã của

235

U và

238

U, chu kỳ bán rã và các đỉnh gamma đặc

trưng của các đồng vị con cháu quan trọng.Error!

Bookmark

not

defined.
Hình 1.3. Viên gốm UO2 .............................................................................................9
Hình 1.4 Độ dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ của nhiên liệu hạt nhân. ....................13
Hình 1.5 Sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ và độ cháy của nhiên liệu hạt
nhân..........................................................................................................14
Hình 1.6. Thanh nhiên liệu sử dụng trong lò VVER Error! Bookmark not defined.
Hình 1.7 Thanh nhiên liệu hạt nhân .......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.8 Bó thanh nhiên liệu được sử dụng trong lò PWR và BWR. .............. Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.1. Hệ phổ kế gamma BEGE tại Bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý.Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.2. Detetor bán dẫn HPGe model GLP-10180/07 (ORTEC) tinh thể mỏng
tại Viện Đồng vị phóng xạ Hungari......... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1. Phổ gamma mẫu nhiên liê ̣u Viê ̣n Công nghê ̣ xa ̣ hiế m cung cấ p đươ ̣c đo
trên hê ̣ phổ kế gamma siêu tinh khiế t Ge (Li) tai Bô ̣ môn vâ ̣t lý ha ̣t nhân ,
Trường Đa ̣i ho ̣c Khoa ho ̣c Tự nhiên ........................................................33
Hình 3.2. Phổ gamma mẫu nhiên liê ̣u do Cơ quan không phổ biế n và ch ống vũ khí
hạt nhân Quốc tế cung cấp được đo trên detetor bán d

ẫn HPG model

GLP-10180/07 với thời gian 57464 giây. ................................................33
Hình 3.3. Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của hàm f(E) vào năng lượng của các tia
gamma đặc trưng phát ra từ đồng vị 235U của nguồn U4.........................35
Hình 3.4. Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của hàm f(E) vào năng lượng của các tia
gamma đặc trưng phát ra từ đồng vị 235U của nguồn U2.9......................37

7


MỞ ĐẦU
Công nghiệp năng lượng nói chung và năng lượng hạt nhân nói riêng có vai
trò quan trọng trong sự phát triển của các quốc gia. Đối với Việt Nam việc phát
triển năng lượng trong giai đoạn hiện nay được ưu tiên hàng đầu, do sự cạn kiện dần
các nguồn năng lượng truyền thống như nhiệt điện, thủy điện,… năng lượng hạt
nhân trở thành giải pháp lựa chọn phù hợp hơn cả.
Các số liệu về thành phần, hàm lượng các đồng vị, các tạp chất hóa học, tuổi
nhiên liệu, đô ̣ cháy là các thông số vâ ̣t lý quan có ý nghĩa quan tr

ọng trong quá

trình sử dụng cũng như công tác quản lý, an ninh, an toàn hạt nhân. Dựa trên đặc
tính phân rã tự nhiên của các đồng vị trong chuỗi urani, hàm lượng của vật liệu
urani có thể xác định thông qua việc đo tỷ số hoạt độ của các đồng vị phóng xạ này.
Để xác định các đặc trưng của nhiên liệu urani, có nhiều những phương pháp
khác nhau được sử dụng như phân tích phá hủy mẫu, thường sử dụng các khối phổ
kế hấp thụ nguyên tử, khối phổ kế cảm ứng plasma (ICP-MS), phổ kế anpha,... và
phương pháp không phá hủy mẫu (NDA) chủ yếu sử dụng phổ kế gamma độ phân
giải năng lượng cao. Mỗi phương pháp trên đều có những lợi thế và mặt hạn chế
riêng, bổ sung lẫn nhau. Tùy thuộc vào mục đích và điều kiện nghiên cứu và đặc
điểm của từng loại.
Phương pháp xác định các đặc trưng của vật liệu hạt nhân sử dụng phổ kế
gamma bán dẫn được ứng dụng phổ biến, với ưu điểm không cần phá mẫu, đă ̣c biê ̣t
không cầ n mẫu chuẩ n , quy trình thực nghiệm không quá phức tạp, tuy nhiên đòi hỏi
kỹ năng phân tích xử lý số liệu thực nghiệm.
Đề tài: “Xác định một số đặc trƣng của nhiên liệu hạt nhân - Xác định độ
giàu U235 bằng phƣơng pháp chuẩn nội hiệu suất ghi” trình bày một số nội dung

cơ bản về: nhiên liệu hạt nhân Urani, các phương pháp phân tích hàm lượng Urani,
tập trung nghiên cứu phương pháp phân tích Urani sử dụng phổ kế gamma với
đêtectơ gecmani siêu tinh khiết HPGe, phương pháp chuẩ n nô ̣i hiê ̣u suấ t ghi.

8


Về bố cục, ngoài các phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục,
luận văn được chia thành 3 chương sau:
Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về các đặc trưng cơ bản của nhiên liệu hạt
nhân và các phương pháp phân tích Urani.
1
Chƣơng 2: Trình bày phương pháp
thực nghiệm phân tích hàm lượng Urani
1
sử dụng phổ kế gamma kết hợp với các kỹ thuật chuẩn sử dụng đường cong hiệu
suất ghi tương đối.
Chƣơng 3: Trình bày một số kết quả thực nghiệm.

9
2


CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN
1.1. Tổng quan về nhiên liệu hạt nhân và vật liệu phân hạch
Nhiên liệu hạt nhân liên quan trực tiếp đến các vật liệu có khả năng tạo ra
năng lượng thông qua phản ứng hạt nhân. Các vật liệu này thường được chia làm
hai loại: Vật liệu phân hạch và vật liệu phổ biến.
Vật liệu phân hạch là các đồng vị có khả năng gây ra phản ứng phân hạch

với notron nhiệt, hiện nay chỉ có duy nhất một đồng vị trong tự nhiên bị phân hạch
bởi notron nhiệt đó là U235 còn các đồng vị khác như là U238 chỉ có thể phân hạch
với notron nhanh (notron có năng lượng lớn hơn 1 MeV). Uranium xuất hiện trong
tự nhiên gồm có U238 (chiếm 99.283%) và U235 (chiếm 0.711%).
Vật liệu phổ biến bao gồm 2 đồng vị trong tự nhiên đó là U238 và Th232, hai
đồng vị này có thể tạo ra các vật liệu phân hạch như Pu239 và U233 thông qua chiếm
bắt notron như trong hình 1.1

Hình 1.1 Chuỗi chiếm bắt notron của 232Th và 238U.

3 10


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Thái Khắc Định, Bùi Văn Loát (2007), Các phương pháp xử lí số liệu thực
nghiệm hạt nhân, NXB Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh.
2. Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khao học và Kỹ thuật, Hà
Nội.
3. Bùi Văn Loát (2009), Địa vật lý hạt nhân, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
4. Cao Đình Thanh(2010), Tập bài giảng nhiên liệu hạt nhân- Lưu hành nội bộ,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội .
5.

A Luca (2008), “Experimental Determination of the Uranium Enrichment
Ratio”, Rom Journ Phys, 53(2), pp.35 -39.

6. Delynn Clark (1996), U235:A gamma ray analysis code for uranium isotopic
determination, Lawrence Livermore National Laboratory University of
California, California.

7. Donald R(1976), Fundamential Aspects of Nuclear Reactor Fuel
Elements,Department of Nuclear Engineering, University of California,
Berkeley.
8.

Haluk YÜcel (2007), “The applicability of MGA method for depleted and
natural uranium isotopic analysis in the presence of actinides”, Applied
Radiation and Isotopies, 65, pp.1269-1280.

9.

Huda Abdulrahman Al-Sulaiti (2011), Determination of Natural Radioactivity
Levels

in

the

Spectrometry, A

State
thesis

of

Qatar

submitted

Using

for

HighResolution
the

Degree

of

Gamma-ray
Doctor

of

Philosophy; University of Surrey
10.

H. Yucel, H.Dikmen (2009), “Uranium enrichment measurements using the
intensity ratios of self- fluresence X-ray-92* keV gamma ray in UXKα
spectral region”, Talanta, 78, pp. 410-417.

11.

M.H. Nassef, W.EL Mowafi, and M.S.EL Tahawy (2009), “Non destructive
assay for 235U determination in reference material of uranium oxide”, Journal
of Nuclear and Radiation Physics, 4(2), pp. 65-73.

4111

12. WL Kuhn, JP Sloughter (2001), Technical Review of the Characteristics
of Spent Nuclear Fuel Scrap, Department of Energy, Prepared for the
U.S.

42
12