BÀI GIẢNG kỹ THUẬT hạt NHÂN

Bài giảng

KỸ THUẬT HẠT NHÂN
Biên soạn: ThS. Trần Quốc Lâm


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP

Chuẩn bị
3.2. Ứng dụng các nguồn bức xạ gamma, nơtron có hoạt độ lớn
3.2.1. Phương pháp chụp ảnh bức xạ dùng tia gamma
Nguyên lí
Ứng dụng
3.2.2. Ứng dụng các nguồn bức xạ gamma, nơtron có hoạt độ lớn
Nguyên lý
Ứng dụng
Ứng dụng đo độ dày lớp vật chất
Ứng dụng đo mật độ của đất đá
Ứng dụng đo mức
Đo tốc độ truyền tải nguyên liệu trên băng truyền


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP

Chuẩn bị
3.2.3. Hệ thống kiểm soát hạt nhân dùng kỹ thuật đánh dấu
 Nguyên lý
Ứng dụng
 Ứng dụng đo phân bố thời gian lưu
 Xác định độ hư mòn
3.2.4. Các ứng dụng của kỹ thuật nơtron trong NCS

 Ứng dụng phương pháp INAA trong NCS
 Phương pháp PGNAA
 Ứng dụng nơtron trong thăm dò, tìm kiếm dầu
 Pin hạt nhân
3.2.5. Pin hạt nhân
3.2.6. Nhà máy điện nguyên tử


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.1. Phóng xạ nhân tạo
Phương pháp kích hoạt
Dùng máy gia tốc
Chiếu xạ bởi nơtron trong lò phản ứng
31P(n, γ)32P, đồng vị nhân tạo 32P phóng xạ bêta
với T = 14,3 ngày.
59Co (n, γ)60Co, đồng vị phóng xạ nhân tạo 60Co
phóng xạ bêta và gamma với T = 5,3 năm.
Các phản ứng (n, p) cũng được sử dụng để tạo các
đồng vị
14N(n,p)14C.
32S(n,p)32P.


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.1. Phóng xạ nhân tạo
Chiếu xạ bởi nơtron trong lò phản ứng
Biểu thức định lượng

0,6... f


t
t
A(Ci/g) 
e e 

10
3,7.10 .M   
 là thông lượng chùm nơtron kích hoạt, tính theo đơn
vị nơtron/cm2/giây.
σ là tiết diện hấp thụ n của hạt nhân bia, tính theo barn
f là độ phổ cập của đồng vị chịu kích hoạt, tính theo %.
M là khối lượng nguyên tử của bia, tính theo g


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.1. Phóng xạ nhân tạo
Từ các sản phẩm phân hạch

Yêu cầu A lớn  dùng pp hóa học tách các
đồng vị phóng xạ từ các sản phẩm phân hạch
đã cháy trong lò phản ứng: 90Sr và 137Cs.


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2. Ứng dụng các nguồn bức xạ gamma, nơtron có
hoạt độ lớn
3.2.1. Phương pháp chụp ảnh bức xạ dùng tia
gamma
Côban 60Co
Đồng vị này phát ra bức xạ gamma với năng lượng

1,17 và 1,33 MeV. Chu kỳ bán rã 5,3 năm để trở thành
60Ni.
Để tạo được 60Co người ta đã thực hiện phản ứng
59Co(n,γ)60Co trong lò. Tiết diện phản ứng chỉ bằng 30b.
Do đó thời gian chiếu xạ nơtron trong lò tương đối dài:
Chẳng hạn, chiếu bởi nơtron thông lượng 1011n/cm2.s
trong thời gian chừng 1 năm thì đạt được khoảng 1/8
hoạt độ bão hoà, tức là cỡ 0,1 Ci/g.


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2. Ứng dụng các nguồn bức xạ gamma,
nơtron có hoạt độ lớn
3.2.1. Phương pháp chụp ảnh bức xạ dùng tia
gamma
Đồng vị tantan 182Ta
Bằng cách chiếu xạ nơtron trong lò, sử dụng phản
ứng 181Ta(n,γ) 182Ta với tiết diện hiệu dụng là 21b,
có thể thu được đồng vị 182Ta. Đồng vị này có chu
kỳ bán rã là 112 ngày, phát bức xạ gamma 0,066
MeV và 1,223 MeV. Bức xạ β- năng lượng 0,525
MeV sinh ra trong quá trình phân rã β- của 182Ta.
Sau 4 tuần chiếu xạ nơtron với thông lượng 1011
n/cm2.s vào 181Ta thì thu được 182Ta với hoạt độ
0,033 Ci/g.


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2. Ứng dụng các nguồn bức xạ gamma,
nơtron có hoạt độ lớn

3.2.1. Phương pháp chụp ảnh bức xạ dùng tia
gamma
Đồng vị iridium 192Ir
Phản ứng 191Ir (n,γ) 192Ir có tiết diện tương đối
lớn, 269b, đã được ứng dụng để chế tạo 192Ir. Đồng
vị này có chu kỳ bán rã 74 ngày, phát bức xạ gamma
trong dải năng lượng từ 0,136 đến 0,613 MeV nhưng
chủ yếu là 0,32 và 0,47 MeV và các hạt β- với năng
lượng 0,66 MeV. Chiếu xạ 191Ir trong lò với thông
lượng 1011 n/cm2.s, sau 4 tuần thì đạt được 192Ir với
hoạt độ 0,46 Ci/g.


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP

3.2. Ứng dụng các nguồn bức xạ gamma,
nơtron có hoạt độ lớn
3.2.1. Phương pháp chụp ảnh bức xạ
dùng tia gamma
Sử dụng 137Cs: phát bức xạ gamma
662keV.
Các nguồn đồng vị phóng xạ dùng trong
chụp ảnh gamma có hoạt độ từ một vài Ci
đến một vài kCi. Chúng được bảo vệ trong
các container bằng chì, có cửa sổ và chỉ mở
khi cần chụp ảnh.


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP

3.2.1. Phương pháp chụp ảnh bức xạ
dùng tia gamma
Nguyên lý: Chiếu một chùm gamma vào
vật liệu cần kiểm tra. Tuỳ theo tính chất, hình
dạng, vị trí của khuyết tật mà cường độ chùm
bức xạ gamma thứ cấp thay đổi
 Các bước: Bố trí; Hấp thụ; Tạo ảnh; Xử lý
ảnh; Đọc ảnh


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP

3.2.1. Phương pháp chụp ảnh bức xạ
dùng tia gamma
Ứng dụng: chế tạo sản suất, xây dựng
Ưu điểm:
Thông tin thu được biểu diễn tường minh bằng
hình ảnh có thể ghi lại, do đó vừa có thể nhận biết
tức thời hoặc ở lúc xa hiện trường.
Hiệu quả cao với vật liệu mỏng và cả đối tượng
lớn.
Nhạy với bất kỳ vật liệu nào.



C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP

3.2.1. Phương pháp chụp ảnh bức xạ
dùng tia gamma
Nhược điểm:

Hạn chế với đối tượng quá dày.
Có ảnh hưởng nhất định đến sức khỏe.
Cần phòng xử lý ảnh, máy phân tích phim và khó
tự động hóa đối với hệ NDT truyền thống.
Không nhạy với hư hỏng bề mặt.
Không chỉ rõ chiều sâu của chỗ hỏng nằm dưới
bề mặt .



C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP

3.2.2. Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma
trong hệ thống kiểm soát hoạt nhân (NCS)
Các hệ thống công nghệ sử dụng đồng vị
phóng xạ phục vụ công việc đo đạc, kiểm soát
và điều khiển các quy trình công nghệ hay
các nhà máy công nghiệp được gọi chung là
hệ thống kiểm soát điều khiển hạt nhân
Theo nguyên lí, có hai loại hệ NCS: Kỹ thuật
đánh dấu và hấp thụ bức xạ.


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2.2. Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma trong hệ thống
kiểm soát hoạt nhân (NCS)
 Nguyên lý:
0

I  I exp(x)

Các

trường hợp áp dụng kỹ thuật này:
 Bề dày lớp vật chất là hằng số, thì sự suy giảm cường độ
của chùm tia gamma sẽ cung cấp thông tin về mật độ của lớp
vật chất đó
 Mật độ phân bố bên trong của lớp vật chất là không đổi thì
sự suy giảm của chùm tia gamma sẽ cung cấp thông tin về độ
dày của lớp vật chất
 Đo mức ở các thùng chứa chất lỏng, nhiên liệu
Các nguồn gamma sử dụng trong kỹ thuật này là các nguồn
đồng vị thuộc loại nguồn kín. Một số nguồn đồng vị phóng xạ
thường dùng là: Co-60, Cs-137, Ir-192, Am-241.


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2.2. Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma trong hệ
thống kiểm soát hoạt nhân (NCS)
Ứng dụng
Ứng dụng đo
độ dày lớp vật chất

Hình 3.3. Mô hình thiết bị đo độ dày
chất rắn bám trên thành của đường ống
bằng kỹ thuật hấp thụ gamma


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2.2. Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma trong hệ

thống kiểm soát hoạt nhân (NCS)
Ứng dụng đo mật độ của đất đá:
Thực tế người ta dùng các tia gamma có năng lượng từ
600 keV đến 1500 keV.
Hai đồng vị thường được sử dụng trong kỹ thuật đo mật
độ bằng phương pháp gamma truyền qua:
Đồng vị 137Cs cho các tia gamma năng lượng 662keV, có
chu kỳ bán rã là 30 năm và
Đồng vị 60Co cho các tia gamma năng lượng 1170 và
1330 keV (trung bình là 1250 keV), có chu kỳ bán rã là 5,3
năm là


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2.2. Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma trong hệ
thống kiểm soát hoạt nhân (NCS)
Biểu thức tính sai số

N c  N 0c exp( c x) �
�N m �
�
c
m
�
ln


(




)x
�
� c�
m
m
m
N  N 0 exp( x ) �
�N �

m
�
�
1
N
m
c
�     ln � c �
x �N �
2 1/2

m
c
�
�
�
�
�
�
1


N

N
� m 
�
� m � � c ��
x �
N � �N ��
�
�
�
2

1/2

1 �1
1 �
�  
 c�
m
�
x �N
N �
m


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2.2. Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma trong hệ
thống kiểm soát hoạt nhân (NCS)

Xác

định mật độ đất đá trong điều kiện hiện trường
Chuản: không khí;
c của khối thép
bọc nguồn gamma;
 như nhau

Detector

Hình 3.4: Nguyên lý phương pháp gamma
truyền qua


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2.2. Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma trong hệ
thống kiểm soát hoạt nhân (NCS)
Xác

định mật độ bằng gamma tán xạ


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2.2. Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma trong hệ
thống kiểm soát hoạt nhân (NCS)
Xác

định mật độ bằng gamma tán xạ

1/2  C

I  '  k e
1
0 
2C


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2.2. Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma trong hệ
thống kiểm soát hoạt nhân (NCS)
Ứng dụng đo mức
Mục đích khác nhau như sau:
Chuẩn hóa hệ thống và lắp đặt thiết bị
Kiểm tra hay theo dõi mức của nguyên liệu bên trong
các thùng hay bể chứa nhiên liệu hay nguyên liệu
Cung cấp thông tin để nhận biết hay dự đoán các sai
hỏng có thể xảy ra bên trong hệ thống
Kiểm tra và hiệu chỉnh điều kiện hoạt động ở một số
nhà máy


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2.2. Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma trong hệ
thống kiểm soát hoạt nhân (NCS)
Ứng dụng đo mức
Ưu điểm
Không làm ảnh hưởng đến quy trình hoạt động của nhà
máy và không gặp khó khăn đối với các trường hợp như
nhiệt độ cao, hóa chất có tính độc và tính ăn mòn cao,
chất có độ nhớt cao,…

Tiết kiệm được thời gian và năng lượng vì có thể kiểm
tra trực tiếp trên quy trình
Đo được đối với nhiều loại vật liệu khác nhau: chất rắn,
chất lỏng, chất dẻo,…
Chi phí vận hành và bảo trì thấp


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2.2. Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma trong hệ
thống kiểm soát hoạt nhân (NCS)
Ứng dụng đo mức


C3: ỨNG DỤNG KTHN TRONG CÔNG NGHIỆP
3.2.2. Kỹ thuật hấp thụ chùm tia gamma trong hệ
thống kiểm soát hoạt nhân (NCS)
Đo tốc độ truyền tải nguyên liệu trên băng truyền