Vật lí - Chương 4: Các ứng dụng của lò phản ứng nghiên cứu

Chương 4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LÒ PHẢN ỨNG NGHIÊN CỨU PGS TS Nguyễn Nhị Điền Đà L t 2012 1 ạ , CÁC ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA LPƯ NGHIÊN CỨU (1): ê ứ ề á Irr.Tests for & Nghiên cứu vật liệu và nhiên liệu Nghi n c u v t n xạ nơtron Fuel Mat. Neutron Scattering NAA online + Phát triển kỹ thuật phân tích + Chụp ảnh nơtron R&D on RIs&NTD Neutron- photography Sản xuất ĐV và Tech. Train pha tạp Silic BNCT & rBNCT Others IT fields Nghiên cứu về kỹ Huấn luyện và đào tạo 2 thuật BNCT về hạt nhân CÁC ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA LPƯ NGHIÊN CỨU (2): được phân ra 4 nhóm: • Các ứng dụng chiếu xạ: để phân tích kích hoạt, sản xuất đồng vị, pha tạp vật liệu bán dẫn, nghiên cứu hiệu ứng sai hỏng và bền vững với bức xạ, ... • Thử vật liệu và thanh nhiên liệu cho lò công suất: để nghiên cứu thiết kế LPƯ và nhiên liệu hạt nhân. • Sử dụng chùm nơtron ngoài lò: nghiên cứu vật liệu, phân tích gamma tức thời, chụp ảnh nơtron, chiếu xạ sinh học, nghiên cứu cơ bản, ... • Phát triển nguồn nhân lực: công nghệ LPƯ, thí nghiệm che chắn, huấn luyện và đào tạo cán bộ vận hành, thông tin dân chúng. Có thể hâ 3 l i ứ d hí h là p n ra oạ ng ụng c n : • Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện hạt nhân) • Các ứng dụng phi năng lượng (cho các ngành kinh tế) 3 • Đào tạo nguồn nhân lực. ểCác ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN): 1. Thử nghiệm và phát tri n nhiên liệu hạt nhân (development of nuclear fuels) + Nghiên cứu sự biến đổi thành phần và cấu trúc bên trong của viên gốm nhiên liệu (như mật độ, độ rỗng, nứt gãy, sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy và hệ số dẫn nhiệt, v.v). + Chiếu xạ thử nghiệm để đánh giá tính toàn vẹn vỏ bọc thanh nhiên liệu trong điều kiện vận hành bình thường và tai nạn sự cố, nghiên cứu phát triển các hợp kim mới làm vỏ bọc thanh nhiên liệu cho phép đạt được độ cháy cao hơn . + Nghiên cứu sự di chuyển, phát tán thành phần và hoạt độ của các chất phóng xạ có trong các thanh nhiên liệu bị hỏng ra bên àingo . + Nghiên cứu phát triển các thế hệ nhiên liệu mới như nhiên liệu MOX (Mixed oxide fuel development), v.v 4 ÎCần LPƯ công suất lò P >10 MW để có thông lượng nơtron Φ = 1.0 - 5.0 x1014n.cm-2.s-1. ếCác ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN): 2. Nghiên cứu chi u xạ vật liệu (material irradiation studies) + Nghiên cứu hiệu ứng cứng hoá, biến giòn dễ gãy, mất khả năng chịu kéo và nén của vật liệu phụ thuộc vào thông lượng và liều chiếu tích phân. + Kiểm tra, đánh giá chất lượng các ống, bình chịu áp lực của lò năng lượng bằng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ nơtron . + Chiếu xạ các mẫu thử hợp kim để nghiên cứu chất lượng thép làm thùng LPƯ (thùng chịu áp lực) và nghiên cứu quá trình lão hóa, sự hồi phục của vật liệu Zr Nb - . + Áp dụng kỹ thuật đo tiếng ồn nơtron để theo dõi sự dao động, lắc, rung của các khối, bộ phận và chi tiết cấu thành trong vùng hoạt của LPƯ năng l ợng ư . + Nghiên cứu tính chất hóa học của nước và bản chất hiện tượng ăn mòn vật liệu trong các LPƯ năng lượng. 5 + Nghiên cứu quá trình rò rỉ khí phân hạch phóng xạ ra khỏi thanh nhiên liệu theo độ cháy, đặc biệt ở các bó nhiên liệu có độ cháy cao. ếCác ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN): 2. Nghiên cứu chi u xạ vật liệu (material irradiation studies) Các lĩnh vực chính và các thiết bị thí nghiệm dùng trong thử hiệ hiê liệ à hiế ật liệ h t hâ Lĩnh vực ứng dụng Thiết bị thí nghiệm ng m n n u v c u xạ v u ạ n n: Thử nghiệm chiếu xạ vật liệu hạt nhân & • Đánh giá vật liệu bằng chiếu xạ nơtron • Thử nghiệm tính an toàn và sự nguyên vẹn của các vật liệu dùng trong vùng hoạt • Đưa ra số liệu để phát triển loại nhiên liệu mới ấ Capsule để chiếu xạ: Capsule không kèm thiết bị đo Capsule kèm thiết bị đo nhiên liệu • Tính ch t giải phóng khí phân hạch • Hiệu ứng lão hóa như tính chất dão của vật liệu Capsule nhiên liệu Capsule dão • Tính chất của nhiên liệu ở các mức công suất Thử nghiệm chiếu xạ để xác nhận tính năng ủ hiê khác nhau của LPƯ • Tính chất của vỏ bọc thanh nhiên liệu • Thử nghiệm tính toàn vẹn của thanh nhiên liệu • Nghiên cứu để phát triển các vật liệu bên trong vùng hoạt Vòng thử nghiệm nhiên liệu (FTL - Fuel Test Loop) 6 c a n n liệu • Nghiên cứu sự ăn mòn và tính chất hoá học của nước lò Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN): 3. Thử nghiệm và hiệu chuẩn các thiết bị đo ghi bức xạ Các thiết bị đo ghi nơtron, gamma dùng trong nhà máy điện hạt nhân, LPƯNC và các ứng dụng kỹ thuật, công nghệ hạt nhân khi được phát triển, chế tạo nhất thiết phải được kiểm tra và hiệu chuẩn trong các điều kiện bức xạ thích hợp để đảm bảo khả năng làm việc chính xác lâu dài của chúng , . Î Các yêu cầu này chỉ đòi hỏi thông lượng nơtron và liều bức xạ gamma ở mức thấp từ vài μSv/h đến mSv/h nên hầu , hết các LPƯNC đều có thể đáp ứng được nhu cầu này. 7 Sử dụng các Capsules chiếu xạ tại lò HANARO ấ‰ Thử vật liệu lò phản ứng công su t: ™ Vật liệu thùng áp lực của lò công suất ™ Vật liệu đường ống chịu áp suất của lò: Zr-2.5Nb ™ Các loại vật liệu của các kết cấu trong lò ‰ Thử nghiệm vật liệu của nhiên liệu: ™ Nhiên liệu của lò PWR cải tiến ™ Chu trình nhiên liệu DUPIC (Direct Use of Pressurized Water Reactor Spent Fuel in CANDU - Sử dụng trực tiếp nhiên liệu đã cháy của lò PWR cho lò CANDU- CANada Deuterium Uranium) ™ Hợp kim U Zr - ‰ Nghiên cứu cơ bản: ™ Chất bán dẫn, các vật liệu nano và vật liệu từ tính ™ Các loại hợp kim Zr-1Nb-1Sn-X, Zircaloy-4 ™ SPND (self-power neutron detector – 8 detector nơtron tự cấp nguồn nuôi). Các Capsules dụng cụ để thử Vật liệu Design Characteristics - Total Length : ׽6m ( 60mm D x 870mm H) Charpy R-CT Tube 경 인장 - Available Space(Max.): 40mm D × 600mm L - 5 Stages Independent Temp. Control - Max. Temp. Control : Up to 500Ԩ - He Atmosphere : 1 atm׽3×10-3 torr (He) 도/ - Instrumentation : 14 T/Cs, 5 micro-heaters, 5 F/Ms - Available Test : Tensile, Charpy, Toughness, SP, MBE, TEM, Creep, etc. Applications - Material Tests Reactor Pressure Vessel Reactor Core Materials CANDU Pressure Tube Materials - Safety and Integrity-Related Tests I d t A li ti M t i l T t 9 - n us ry pp ca on a er a es s - Fundamental Research Instrumented Capsules for Nuclear Fuel Test Design Characteristics - Total Length : ׽ 5 m - Diameter of Outer Tube : 56 mm - Length of Outer Tube : 730 mm - 3 Mini-Elements Fuel Rod - Instrumentations : T/C LVDT SPND , , - Irradiating Environment Control System Using Mixed Gas (He/Ne) Applications - Fuel Pellet Irradiation Test Advanced PWR Fuel Fuel Design Data Production- Center Temperature of Fuel Pellet Internal Pressure of Fuel Rod Deformation of Fuel Pellet 10 - Fundamental Research Capsules for Specific Purpose (Creep – sự dão) Design Characteristics Total Length : 6 m- ׽ - Diameter of Outer Tube : 60 mm - Length of Outer Tube : 997 mm - Test Specimen: 1, 2, 4 T t T t M 600Ԩ- es empera ure : ax. - He Atmosphere : 1 atm׽30 torr (He) - Instrumentation per specimen : 8 ׽12 T/Cs, 1׽4 micro-heaters, 1 ׽4 LVDT Applications M t i l C B h i- a er a reep e av our - Lifetime Estimation of Reactor Components - Study of Key Components for Creep 11 Capsule Fuel Test Loop (Vòng thử bó nhiên liệu) Các ứng dụng ™ Chiếu xạ để kiểm tra tính toàn vẹn của bó nhiên liệu ™ Kiểm tra chất lượng nhiên liệu ™ Kiểm tra việc ăn mòn và di chuyển các hoạt ấch t trong nước lò ™ Kiểm tra tính không bị phân hạch của vật liệu làm ống chịu áp lực ™ Kiểm tra độ cháy cao của nhiên liệu. 12 Fuel Test Loop (Vòng thử bó nhiên liệu) + Nghiên cứu sự Thiết bị thử nhiên liệu (Fuel test loop) tại lò HANARO: - Thông nơtron: 1 2x1014 n/cm²·sec biến đổi thành phần và cấu trúc bên trong của . - Áp suất: 17.5 MPa; Nhiệt độ: 350oC viên gốm nhiên liệu + Thử nghiệm để đánh giá tính toàn vẹn vỏ bọc thanh nhiên liệu trong điều kiện vận hành bình thường và tai nạn sự cố 13 3-D Model of In-Pile Section Outer Pressure Vessel Inner Pressure Vessel Flow Divider Insulation Gas Gap Test Fuel Test Fuel Carrier Leg D d Fl P th Upward Flow Path IPS Head 14Cross Section of IPS ownwar ow a 3-D View of the Out-Pile System ► Design Pressure : 17.5 MPa ► Design Temperature : 350Ԩ 노외공정부 3차원개략도 (3-D View of OPS) 15 Fuel Test Loop (Vòng thử bó nhiên liệu) Oxide layer Hydride Brittle fracture D il fuct e racture Cross section of failed fuel 16 Các ứng dụng phi năng lượng (phục vụ các ngành KT-XH): 1. Sản xuất chất phóng xạ (radioisotope production) 2 Hiệ ứ h ể hó (t t ti ff t ili. u ng c uy n a ransmu a on e ec s, s con doping) 3. Phân tích kích hoạt nơtron (neutron activation analysis) 4. Chụp ảnh neutron (neutron radiography) 5. Nghiên cứu cấu trúc vật liệu (material structure study) 6 Phân tích kích hoạt gamma tức thời (PGNAA). 7. Chữa bệnh bằng phương pháp bắt neutron (neutron capture therapy) 8. Địa thời học (geochronology) 9. Tạo nguồn positron (neutron source) 10 Các ứng dụng khác 17 . . 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Hai loại thiết bị được dùng để sản xuất ĐVPX: 1. Lò phản ứng: LPƯ đóng vai trò chủ đạo trong việc điều chế một số ĐVPX quan trọng không thể thiếu được cho các ứng dụng trong y tế, công-nông nghiệp như Tc-99m, Mo-99, I-131, Ir-192, Co-60, v.v... Đặ biệt ới hát t iể h á h há điề t ịc v sự p r n mạn c c p ương p p u r bệnh dùng các đồng vị phát bêta, bằng xạ trị ngoài (dùng nguồn phóng xạ kín) và xạ trị nội (dùng nguồn phóng xạ hở). 2. Máy gia tốc: Máy gia tốc chủ yếu dùng để sản xuất các chất ĐVPX 18 sống ngắn và không thể sản xuất được trên LPƯ. 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Các ĐVPX sản xuất từ LPƯ được dùng trong y tế, công nghiệp và đào tạo với các mục đích như sau: + Trong y tế: dùng để chụp hình gamma các cơ quan nội tạng con người phục vụ công việc tầm soát, chẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư; định lượng nồng độ một số hóc môn bằng kỹ thuật xét nghiệm miễn dịch học phóng xạ (RIA); điều chế các dược chất phóng xạ, gắn kháng thể đơn dòng với ĐVPX; điều trị bệnh bằng tia phóng xạ với các nguồn kín (Radiotherapy). + Trong công nghiệp: dùng nguồn kín để chụp ảnh gamma cho phép xác định các thông số về độ dày, độ ẩm, phát hiện khuyết tật hư hỏng rò rỉ ăn mòn chiếu xạ và xử lý bằng bức , , , , xạ, khử trùng, v.v.... Sử dụng các đồng vị phóng xạ đánh dấu trong việc thăm dò và khai thác dầu khí, nước ngầm, đánh giá hiệu quả hoạt động của các hệ thống, chu trình phức tạp 19 trong các nhà máy hoá chất và xi măng. + Trong nghiên cứu khoa học và đào tạo. 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Cá l i đồ ị hó hí h đ ử d Lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu Những đồng vị chính Ch hì h ả h bằ Tc-99m, Tl-201, I-123, Xe-133, In- c oạ ng v p ng xạ c n ược s ụng. Chụp hình ảnh nhờ kỹ thuật hạt nhân ụp n n ng gamma 111, Lu-177 PET F-18, C-11, N-13, O-15 Đo nồng độ xương I-124, Gd-153, Am-241 ễ Y học Xét nghiệm mi n dịch học PX (RIA) I-125, Co-57, H-3, Fe-59 Dược chất phóng xạ I-131, Re-186, P-32, Lu-177, Sm-153, Re-188, Y-90 Điều trị bệnh bằng phóng xạ với các nguồn kín Chiếu xạ từ ngoài cơ thể (Teletherapy) Co-60, Cs-137 Chiếu xạ bên trong cơ thể (Brachytherapy) Ir-192, Cs-137, I-125 (Radiotherapy) Chiếu xạ máu để dùng cho việc truyền máu Co-60, Cs-137 Nghiên cứu Nghiên cứu Y-Sinh P-32,33, I-125, H-3, Co-57, 20 KH Chụp ảnh tự động Sn-119, Sm-152. 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Các loại đồng vị phóng xạ chính được sử dụng. Lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu Những đồng vị chính Kiểm tra on-line Đo mật độ, khối lượng, ... Cs-137, Co-60, Am-241 Đo độ dày Kr-85, Am-241, Sr-90, Y-90 ể Công Phát hiện nhờ kỹ thuật hạt nhân Phát hiện bức xạ đ phân tích (xử lý hoá học) Am-241 Đo nhiễm bẩn C-14, Pm-47 Phân tích Fe-55, Cd-109, Am-241, Co-57 nghiệp Detector báo khói Am-241 Chiếu xạ và xử lý bằng bức xạ Khử trùng dụng cụ y học Co-60 (hoạt độ cao) Chiếu xạ thực phẩm Co-60 (hoạt độ cao) Đánh dấu bức xạ Sc-46, Ir-192, Au-198, ... Kiểm tra không hủy mẫu (NDT) Ir-192, Co-60 Đồng vị bền Zn 64 21 - , 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Về phương diện mức công suất lò cần thiết để đáp ứng các loại ĐVPX theo yêu cầu của người sử dụng như sau: ● LPƯ công suất thấp (thông lượng nơtron < 1013 n.cm-2.s-1): chỉ có thể sản xuất được một số đồng vị phóng xạ sống ngắn và trung bình, chẳng hạn: Na-24, P-32, Cl-38, Mn-56, Ar-41, Cu-64 và Au-198. ● LPƯ công suất trung bình (thông lượng nơtron trong khoảng 1013- 1014 n.cm-2.s-1): có thể sản xuất được một số loại đồng vị phóng xạ sống trung bình và dài ngày. Ngoài các loại đồng vị sống ngắn nêu ở trên, còn có thể sản xuất được các đồng vị khác như: Y-90, Mo-99, I-125, I-131, và Xe-133. ● LPƯ công suất cao (thông lượng nơtron > 1014 n.cm-2.s-1): có thể sản xuất được nhiều loại đồng vị phóng xạ sống trung bình và dài. Ngoài các loại đồng vị ở 2 phần trên, có thể sản xuất được các đồng vị khác: C-14, S-35, Cr-51, Co-60, Sr-89, Sm-153, Yb-169, Tm-170, Ir- 22 192. 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Dự báo nhu cầu sử dụng ĐVPX trên thế giới: Triệu USD mỗi năm 23 1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Î Nhu cầu sử dụng ĐVPX trên thế giới ngày càng tăng. Trong khi đó những LPƯ được dùng để sản xuất và cung cấp chủ yếu ĐVPX cho thị trường thế giới đã có tuổi thọ cao như lò NRU 135 MW của Canada (1957); lò HFR 45 MW của Hà Lan (1961); lò BR-2 100 MW của Bỉ (1961); lò OSIRIS 70 MW của Pháp (1966); lò SAFARI 20 MW của Nam Phi (1965). Hai LPƯ MAPLE-1 và MAPLE-2 công suất 10 MW của Canada thiết kế chuyên dụng cho sản xuất ĐVPX nhưng đã đóng cửa vì lý do kỹ thuật (hệ số nhiệt độ của độ phản ứng là dương). Vì vậy, các LPƯNC công suất cao được xây dựng trong thời gian gần đây đều đưa mục tiêu sản xuất ĐVPX là một trong các mục tiêu chính, như lò RSG-GAS 30 MW của Indonesia (1987), lò JRR- 3M 20 MW của Nhật Bản (1990), lò HANARO 30 MW của Hàn Quốc (1995) ETRR 2 22 MW của Ai Cập (1998) lò OPAL 20 MW 24 , - , của Úc (2006), lò CARR 60 MW của Trung Quốc (2010), v.v 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON Kỹ thuật phân tích mẫu bằng kích hoạt nơtron trong LPƯ cho phép: ƒXác định đồng thời đa nguyên tố với độ nhạy & độ chính xác cao ở bậc phần triệu (ppm), thậm chí phần tỷ (ppb) ƒĐịnh tính (qualitative) và định lượng (quantitative) thành phần nguyên tố trong mẫu ƒKhông hủy mẫu (non-destructive) & khả năng phân tích “on-line” ƒVì vậy, NAA được chọn làm phương pháp đánh giá (method validation) & phê chuẩn vật liệu tham khảo (certification for reference materials). 25 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON Nguyên lý của kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron: 9Khi một nơtron tương tác với hạt nhân bia qua quá trình tán xạ không đàn hồi, một hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích được tạo ra 9Hạt nhân hợp phần có khuynh hướng trở về trạng thái cân bằng hơn bằng cách phát ra một hoặc nhiều tia tứ thờigamma c 9Trạng thái cân bằng mới tạo ra một hạt nhân phóng xạ phân rã bằng cách phát ra một hoặc nhiều tia gamma trễ 9Nhân phóng xạ có chu kỳ bán hủy riêng 26 . 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON Nguyên lý của phương pháp NAA 27 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON Độ nhạy phân tích của INAA trong điều kiện chiếu trên lò phản ứng có thông lượng nơtron khoảng 1 x 1013n/cm2.sec Ñoä nhaïy (picograms) Nguyeân toá 1 Dy, Eu 1 10 In Lu Mn – , , 10 – 100 Au, Ho, Ir, Re, Sm, W 100 – 1 x 103 Ag, Ar, As, Br, Cl, Co, Cs, Cu, Er, Ga, Hf, I, La, Sb, Sc, Se, Ta, Tb, Th, Tm, U, V, Yb 1 x 103 - 1 x 104 Al, Ba, Cd, Ce, Cr, Hg, Kr, Gd, Ge, Mo, Na, Nd Ni Os Pd Rb Rh Ru Sr Te Zn Zr, , , , , , , , , , 1 x 104 - 1 x 105 Bi, Ca, K, Mg, P, Pt, Si, Sn, Ti, Tl, Xe, Y 1 x 105 - 1 x 106 F, Fe, Nb, Ne 28 1 x 107 Pb, S 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA NAA: ấ¾ Khoa học địa ch t (Geological Science) ¾ Công nghiệp (Industry) ¾ Nô hiệ (A i lt )ng ng p gr cu ure ¾ Khoa học sống (Life Science) (Hóa sinh, dinh dưỡng, dịch tễ học) ¾ Khoa học môi trường (Environment) ¾ Điều tra pháp lý (Forensic Investigations) ¾ Khảo cổ học (Archaeology) và ¾ nhiều lĩnh vực khác. 29 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON CAÙC LÓNH VÖÏC ÖÙNG DUÏNG CUÛA NAA: 9Khoa học địa chất: Phân tích các mẫu đất đá quặng , , , khoáng vật, phục vụ điều tra thăm dò; đánh giá trữ lượng; xây dựng bản đồ tài nguyên, khoáng sản. 9 ốCông nghiệp: 2 mục đích, phân tích nguyên t và kiểm tra quá trình (on-line/off-line). Mục đích thứ 2 dùng nguồn đồng vị để kiểm tra trên băng chuyền hay trong ống kín của các ngành luyện kim, công nghệ hóa học, ngành dệt, nhà máy giấy, xây dựng, v.v.. 9Nông nghiệp: Nghiên cứu quá trình nông nghiệp và cây trồng cũng như hậu quả của chúng thông qua việc xác định nguyên tố vết trong các loại cây cối, đất trồng, hâ bó th ố t ừ â h ặ hó hất 30 p n n, u c r s u o c a c . 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON CAÙC LÓNH VÖÏC ÖÙNG DUÏNG CUÛA NAA: 9Khoa học sống: (Hóa sinh, dinh dưỡng, dịch tễ học): Nghiên cứu các quá trình hóa sinh, đánh dấu tế bào, xác định các nguyên tố độc và cần thiết trong cơ thể người để xác định ảnh hưởng của chúng lên quá trình gây bệnh. Điều tra hàm lượng iốt trong khẩu phần thức ăn của vùng miền núi cao nguyên. 9 ề á ý â í á ậ ứ ỏ òĐi u tra ph p l : Ph n t ch c c v t ch ng cực nh c n lại tại hiện trường. 9Khảo cổ học: Phân tích để phân loại và tìm nguồn gốc các mẫu vật khảo cổ. 9Vật liệu bán dẫn: Xác định tạp chất hiện diện ở mức ấ ẫ 31 dưới ppb ảnh hưởng lên ch t lượng vật liệu bán d n. 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON CAÙC LÓNH VÖÏC ÖÙNG DUÏNG CUÛA NAA: 9Trong ngành công nghiệp dầu khí: + Thăm dò lỗ khoan “borehole logging”: Hệ thống NAA được tích hợp thành một khối gọn nhẹ để có thể đưa xuống lỗ khoan hay giếng khoan, kết quả phân tích ngay tại hiện trường; + Tìm nguồn gốc dầu đánh giá trữ lượng: Phân tích , xác định vi lượng các nguyên tố, chỉ số hydro, trong các mẫu dầu thô và đá móng giúp cho công tác ì ồ ố đá h iá ữ l á ỏ dầ khít m ngu n g c, n g tr ượng c c m u ngoài thềm lục địa VN. 32 2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON CAÙC LÓNH VÖÏC ÖÙNG DUÏNG CUÛA NAA: 9Kh h ôi t ờoa ọc m rư ng: + Phân tích vật chỉ thị cho môi trường liên quan sức khỏe con người. + Xác định các độc tố và các kim loại nặng độc trong mẫu môi trường (mẫu nước mẫu đất đá thực vật ), , , . + Đặc biệt, phân tích mẫu bụi khí để nghiên cứu bài toán ô nhiễm không khí. 9Ngành chăn nuôi: xác định hàm lượng khoáng chất trong thức ăn gia Hệ phổ kế gamma chuyển mẫu tự động 33 súc. Lĩnh vực ứng dụng Thiết bị CAÙC LÓNH VÖÏC ÖÙNG DUÏNG CUÛA NAA: Khoa học hạt nhân & vật liệu • Đánh giá ảnh hưởng chiếu xạ lên vật liệu hạt nhân • Phân tích các nguyên tố vi lượng như B, U, Th trong nhiên liệu và các vật liệu hạt nhân • Phân tích vật liệu siêu tinh khiết và các hợp kim (Ge, Si, GaAs, GaP, ...) Cá hệ h ể ẫ bằ Địa chất học • Phân tích vật liệu vũ trụ• Phân tích các thành phần của đá, quặng, ... c c uy n m u ng khí hoặc khí nén Các capsule chứa mẫu chiếu Các hệ phổ kế gamma Nông nghiệp/ Thực phẩm • Phân tích các nguyên tố đặc trưng trong đất, phân bón, ... • Phân tích các nguyên tố trong rau, cây trồng, lúa gạo, cá, ... ể ẫ HPGe chất lượng cao Môi trường/ Hải dương học • Ki m soát & đo các m u môi trường (bụi khí, bụi than, trầm tích, chất thải, ...) • Phân tích các nguyên tố đặc trưng của vi sinh vật Sinh vật học • Đo các nguyên tố vi lượng trong xương và tế bào của ời ủ độ ậ à â ồ ngư , c a ng v t v c y tr ng, ... Lĩnh vực khác • NAA cho y học, khoa học lịch sử • NAA cho mẫu pháp y (nhận dạng tội phạm, ...) ỹ ậ á • Phát hiện sự rò rỉ trong ống dẫn và đập nước, ... 34 K thu t đ nh dấu • Đo vận tốc chất lỏng trong các hệ thống công nghiệp khác nhau 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 1. Hiệu ứng chuyển đổi (Transmutation effects) Pha tạp có độ đồng nhất cao P vào trong Si As vào trong Ge- , (gấp 20 lần so với các phương pháp khác): Si-30(n γ)Si-31 → P-31 + β- (2 62 giờ), , Ge-70(n, γ)Ge-71 → Ga-71 + EC (electron captue) Î Dùng để chế tạo các thiết bị, linh kiện bán dẫn công suất cao - Gây sai hỏng mạng tinh thể bằng chiếu xạ neutron nhanh: Gemstone Coloration Tạo màng lọc: Membrane Production using Fission Track- - Chuyển hoá Actinide: xử lý thải phóng xạ. 35 Î Cần LPƯ công suất trên 10 MW. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 1 Hiệu ứng chuyển đổi Neutron Si30 P31 . Si 30+ n Si 31 P31 Neutron irradiation Doped silicon LPƯ Trung Quốc (CARR, 60MW) có khả năng chiếu xạ 70 tấn/năm NTD-Si IGCT GTO 36 IGBT Rectifier Diode 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ (heavily doped) (lightly doped) 1. Hiệu ứng chuyển đổi (Transmutation effects) E N P N(moderately doped) C B + Anode D-Drain SiO2 n-channel General Transistor (npn type) p p n n IGT+ Anode Anode Substrate SSG Gate n n p Substrate Metal contact n p p n + - n Cathode -- Two transistor n p Gate -- S-Source n-doped region n-channel depletion type MOSFET 37 equivalent SCRCathode -- Cathode GTO 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 1. Hiệu ứng chuyển đổi (Transmutation effects) So sánh độ đồng đề của điện trở s ất sử d ng kỹ th ật pha tạp 38 u u ụ u bằng NTD-Si và kỹ thuật pha tạp thông thường. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 1. Hiệu ứng chuyển đổi (Transmutation effects) ấ ổ 39 Sự phụ thuộc của điện trở su t vào thông lượng t ng của nơtron chiếu xạ. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 1. Hiệu ứng chuyển đổi (Transmutation effects) Hiện nay trên thế giới có dưới 10 LPƯNC có khả năng chiếu xạ silicon thương mại: Lò OPAL công suất 20 MW; lò HANARO công suất 30 MW, lò JRR 3M ô ất 20 MW lò HWRR ô ất 15 MW ủ T- c ng su ; c ng su c a rung Quốc; lò SAFARI công suất 20 MW của Nam Phi; và một số LPƯ ở Liên bang Nga và Hoa Kỳ. Sản lượng chiếu xạ và doanh thu của các LPƯ rất khác nhau phụ thuộc vào số lượng khách hàng và chất lượng silicon: Lò HANARO chỉ có 2 hốc chiếu dành cho NTD, mỗi năm có thể chiếu được khoảng vài chục tấn silicon với doanh thu khoảng 4 triệu US$; lò JRR-3M mỗi năm có thể chiếu khoảng 5 tấn silicon với doanh thu khoảng 500.000 US$; lò CARR công suất 60 MW 40 của Trung Quốc, có thể chiếu xạ được khoảng 70 tấn/năm. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 1. Hiệu ứng chuyển đổi (Transmutation effects) Nhu cầu của thị trường thế giới hiện nay vào khoảng 140 tấn silicon pha tạp mỗi năm. Theo dự báo của các Công ty sản xuất thiết bị điện tử và xe ôtô, ẫvào những năm sau 2015, thị trường tiêu thụ vật liệu bán d n loại pha tạp silicon đơn tinh thể sẽ lên đến 400-500 tấn/năm. Riêng nhu cầu cho ngành sản xuất ôtô, dự kiến năm 2030 khoảng 50 triệu chiếc ôtô dùng động cơ điện (hybrid cars và hydrogen cars) được sản xuất mỗi năm, mỗi ôtô dùng 01 tinh thể silicon dày khoảng 1 mm thì tổng nhu cầu sẽ là: 50.000.000 x 1 mm = 50.000.000 mm /600 mm/thỏi = 83.000 thỏi loại 8 inch x 38 kg/thỏi = 3000.000 kg = 3000 tấn/năm. Î Như vậy nhu cầu về chiếu xạ là rất lớn và các LPƯNC hiện 41 , có là không đáp ứng được. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 2. Chiếu xạ chuyển màu đá quý và bán quý (Gem-stone Coloration) 42 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 2. Chiếu xạ chuyển màu đá quý (Gem-stone Coloration) Beryl Quartz [gamma > 200 Mrad] [gamma] Topaz [gamma] London Blue [neutron & heat] Tourmaline [gamma] Diamond neutron & heat 43Sky Blue [EB & heat] Super Blue [neutron, EB & heat] Swiss Blue [neutron, EB & heat] 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 2. Chiếu xạ chuyển màu đá quý (Gem-stone Coloration) + LPƯ Đà Lạt chỉ có thể chiếu khoảng 1 kg đá Topaz/tháng. LPƯ ô ất 2 MW ủ Thái L hiệ đ+ c ng su c a an n ang chiếu thương mại với khoảng 100 kg/năm. + LPƯ 30 MW (vận hành ở 15 MW) của Indonesia hiện đang chiếu thương mại khoảng 2 tấn đá Topaz/năm. Î Cần LPƯ công suất trên 10 MW. - Giỏ chiếu đá 30kg tại công suất 44 lò 15 MW của Indonesia, thời gian chiếu 11 ngày (max). 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ Có thể thiết kế 2 loại hốc chiếu đá: + Chiếu xạ trong vùng hoạt (in-core), không bọc các chất hấp thụ nơtron nhiệt, làm nguội trực tiếp bằng nước lò. Thời gian chiếu nhanh do thông lượng nơtron cao. Đá bị kích hoạt bởi nơtron nhiệt nên phải giữ đá tối thiểu là 6 tháng đến 2 năm để giảm hoạt độ phóng xạ tới mức cho phép là 2 nCi/gam. Ví dụ, lò RSG-GAS của Indonesia có công suất thiết kế 30 MW nhưng chỉ vận hành ở công ất 15 MW ó 4 hố hiế t ù h t ỗi hố h hésu , c c c u rong v ng oạ , m c c o p p chiếu đến 1.5 kg đá, thời gian chiếu < 10 giờ. + Chiếu xạ ngoài vùng hoạt (ex-core), container kín nước và bọc hất hấ th t hiệt ( hẳ h Cd Gd I ) Vì ậ ầ óc p ụ nơ ron n c ng ạn , , n, . v y c n c hệ thống làm nguội đá bằng khí trong quá trình chiếu xạ. Chẳn hạn, lò RSG-GAS có 2 hốc chiếu ngoài vùng hoạt, mỗi hốc cho phép chiếu đến 30 kg đá thời gian chiếu là 11 ngày; thời gian làm nguội 45 , phóng xạ khoảng 3 tháng. 3. Các hiệu ứng do chiếu xạ nơtron của LPƯ 3. Chuyển hóa Actinide (Actinide transmutation ) Quá trình cháy nhiên liệu trong LPƯ, cùng với các sản phẩm phân hạch một lượng nhỏ chất thải hạt nhân độc hại họ actinide được sinh ra. Một số đồng vị họ actinide có thời gian sống rất dài và khó bảo quản để cách ly chúng với môi trường. Chẳ h khi hiế á đồ ị T 99 hú ẽ hấ thng ạn, c u xạ c c ng v e- , c ng s p ụ nơtron nhiệt và chuyển thành Te-100, rồi sau đó phân rã thành đồng vị Ruthenium bền trong vòng vài phút; một số ti id khá h Pl t i N t i A i i àac n e c n ư u on um, ep un um, mer c um v Curium khi chiếu trong LPƯ chúng lại chịu quá trình phân hạch để vỡ ra thành các mảnh vỡ phân hạch là các đồng vị ề ó ó ờ ố ắ ề 46 b n hay ph ng xạ nhưng c th i gian s ng ng n hơn nhi u lần (đa số có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 30 năm). 4. Nghiên cứu vật liệu qua các kênh ngang của LPƯ Các thành tựu của tán xạ nơtron 47 Những thiết bị khai thác kênh ngang của LPƯ 48 Các thiết bị khai thác kênh ngang tại lò HANARO Ex-Core Neutron Irradiation Facility (ENF), 2005 IR Port NAAPTS, 1995 In service developing ST1 Port Prompt Gamma Neutron Activation Analysis(PGAA), 2003NR Port Neutron Radiography Facility (NRF),1997 Upgrade Test Station(TS) & Residual Stress Instrument(RSI), 2003 ST4 Port CN PortTriple Axis Spectrometer Small Angle Neutron Scattering (SANS),2001 High Resolution Powder Diff. High Intensity Powder Cold Neutron Guide Bunker (TAS), 2010 ST3 Port ST2 PortNeutron Reflectometer, (REF-H) 2008 49Four Circle Diffractometer (FCD),1999 Upgrade ’05-’06 (HRPD),1998 Diff. (HIPD), 2008Bio-Diffractometer (Bio-D), 2010 , Application fields : •PNS : polarize neutron test & developing •RSI : residual stress NRF PNS/TS •TS : test of monochromators, detectors, mirrors, collimators SANS CTAB 0.1M /NVS25500 Application fields : Application fields : •Defects in metallic & ceramic 20 40 60 80 100 120 20 40 60 80 100 120 D1=24,D2=8,L2=3000,BS Aveage : 325counts/sec/ X channel Y c h a n n e l FCD HRPD Application fields :Application fields : •Nuclear Engineering •Ordnance/Defense/Aerospace Industries •Archaeological Specimens materials •Complex liquids (microemulsions, colloids, LC etc.) •Structure & morphology of polymer •Crystal / Magnetic Structures •Phase Transition •Quantitative Phase Analysis •Single Crystal Diffraction Analysis •Texture Measurement and Analysis c 5010 15 20 25 30 35 40 45 50150 K220 K104 K 95 K 98 K 99 K 100 K 102 K 60 K 70 K 80 K 90 K 50 K 20 K 40 K 30 K 9 K 2theta [deg.]a b Li Nhiễu xạ kế dạng bột phân giải cao (High Resolution Powder Diffractometer) 2 44 65 90 120 Design Characteristics • θM °, °, °, ° •λ 0.980 – 2.510Å (Qmax = 11.105Å-1) •Collimation α1=6/10/20/open(50’),α2=30/open,α3=10’ •Flux 1.1x106 n/cm2 · s @ sample (Ge(331) α1=20’, α2=30’, α3= 10’, 2θM=90°) •Δd/d 2.00x10-3 (at tan θB/tan θM=1.10) •Detector 32- 3He Multi-detector PSD(1-D: 10x20, 20x10 cm2, 2-D: 20x20 2 •Installed @ST2 port in 1997 cm ) • Crystal structures Ceramics, Metals, Alloys, Chemical Compounds, etc.. Applications •Sample environments - CCR (10~300K) - Vacuum Furnace (300-1300K) Superconductors, CMR materials, Dielectric materials, Nuclear Fuel and Structural Materials •Phase Transition• Magnetic Structures 51 - Magnet+CCR (0.8T / 10K) •Quantitative Phase Analysis • Texture Analysis combining with FCD data Nhiễu xạ kế dạng bột phân giải cao (High Resolution Powder Diffractometer) ~Magnetic Structure and Magnetic Phase Transition KMnCl3 GaCMn3 LaMnO3 ~Engineering materials QPA of retained austenite in steel , , Small hydrogen content in materialsNeutron Incoherent Scattering summing region HRPD 20 30 40 50 60 70 80 0 20 40 60 80 100 120 2 Theta (degree) 1-D PSD neutron has spin lattice with ordered spin(antiferromagnetic) 60 K 70 K 50 K 20 K 40 K 30 K 9 K 4 a g n e t o n ] 30.0k 35.0k 0 50 100 150 200 250 300 350 Calibration data of the hydrogen content in zircaloy measured by HRPD and 1-D PSD s ) PSD (BKG=8,206) HRPD (BKG=8,209) Hydrogen Content (μg/g) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 150 K 220 K 104 K 95 K 98 K 99 K 100 K 102 K 80 K 90 K 2theta [deg.] 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 a g n e t i c M o m e n t [ B o h r m a 10.0k 15.0k 20.0k 25.0k NIS(PSD) = 11335(100) + 42.13(0.64) x c NIS(HRPD) = 12166(95) + 27.40(0.53) x c c: hydrogen content in μg/g R(PSD)=0.99896, R(HRPD)=0.99796 N I S s u m ( c o u n t s / 6 0 0 s 52 M T [K]Magnetic Phase Transition (AFM - PM) of KMnCl3 0 2 4 6 8 10 12 14 Number of Polypropylene sheets Nhiễu xạ kế 4 vòng (Four Circle Diffractometer) •2 θM -45° Design Characteristics •Wavelength 0.997Å •Beam Collimation α1=20’, 30’,open(52’), α2=55’, α3=18’, open(60’) 5 2•Neutron Flux 6.6x10 /cm /sec at Sample (Ge(331) α1= open) •Detectors He-3 gas proportional counter •Installed at ST2 port in •Effective Beam Dimension 30mm dia. at sample •Scanning mode ω-2θ coupled Si l C t l Diff ti A l i Applications 1999 •Major uses • Single crystallography T t t • ng e rys a rac on na ys s Crystal structure determination Hydrogen-deuterium problem Phase transition M l l di d 53 • ex ure measuremen •Monochromator & PSD works o ecu ar sor er Magnetic Materials(magnetic structure) • Texture Measurement and Analysis • Protein Crystallography (near future) Nhiễu xạ kế 4 vòng (Four Circle Diffractometer) • Study of Lightweighting Steel for Autoboby Interstitial free(IF) steel, TRIP steel - Texture Measurement and Analysis • Single Crystal Diffraction Analysis Hydrogen-deuterium problem Magnetic Materials(magnetic structure)- Recrystallization mechanism & Formability • Protein Crystallography (near future) 1 . 00 0 Packing diagram of DKDP y / b The projected nuclear density map of DKDP Pole figures of cold rolled IF steel ODF In Φ 0o & 54 0. 0 0 0 1. 0 0 0 x/ a 0 . 00 0 45 o section So sánh giữa các loại tán xạ (tán xạ electron, tia x và neutron) 55 Phổ kế tán xạ nơtron góc nhỏ (Small Angle Neutron Spectrometer) )(θsin 2dnλ = θ λ d 2 ≈ 56 Phổ kế tán xạ nơtron góc nhỏ (Small Angle Neutron Spectrometer) • γ/n – Filter LN2 cooled Bi/Be filter Design Characteristics • λ 4.3 ~ 8.5 0.85 Å (by NVS), Δλ/λ(FWHM)~10%• Collimator Pin hole type• Detector 2D-PSD(3He), 65x65cm2 with 5mm2 resolution• Sample 5~15mm diameter• Q range 0 06 to 6nm-1- . • Flux @sample : Qmin(nm-1) Is (n/cm2·s )0.06 5 x 103 0.1 1 x 104 1.0 1 x 105 • Defects in metallic and ceramic materials Applications• Installed @CN port in 2001 S l E i t • Critical phenomena in phase transitions • Kinetics of diffusion controlled phase separation • Complex liquids (microemulsions, colloids, LC )• Structure and morphology of polymer systems • amp e nv ronmen - Circulation bath (20~80C) - Heating block (RT~200C) - Electromagnet (0~1.5 T) 57 • Structural studies of biological macromolecules.- Magnet+CCR (0.8T / 10K) Phổ kế tán xạ nơtron góc nhỏ (Small Angle Neutron Spectrometer) ~ Recrystallization mechanism in IF steel - strongly affected by nano-size precipitates ~ Study of Micelle structure in liquid - Structure change as a temperature - Formation of micoemulsion by octanol Size distribution of precipitates addition PGLA-PEO-PLGA tri-block Copolymer Micelle : structure change as a temperature 100 120 140 160 180 200 H a r d n e s s ( H v ) H1 H2 H3 500 550 600 650 700 750 800 80 Temperature(¡É) 0.1M CTAB+Octanol 1.5x10-5 2.0x10-5 H1 H1-R H2 H2-R H3 u t i o n Ellipsoidal Micelle Microemulsion0 0 5.0x10-6 1.0x10-5 H3-R V o l u m e d i s t r i b 58 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 . Diameter(nm) Các lĩnh vực nghiên cứu sử dụng nơtron lạnh (Cold Neutron) Thermal Neutron Cold Neutron 59 Hệ lấy nguồn nơtron lạnh Ven Vacuum Gas blanket tillat ion pump Cold Box He compressor Standby Cooling Sys. Electrical system I&C 60 Hệ lấy nguồn nơtron lạnh With cold source u t r o n i n t e n s i t y Without cold source u t r o n i n t e n s i t y Energy (meV) N e u 1 10 N e u 61 Kênh dẫn dòng nơtron lạnh tại lò HANARO (năm 2008) • Cold Neutron Source • Neutron Guide • Spectrometers • Cold Neutron Laboratory 62 DC-TOF : Disc Chopper Time of Flight Các thiết bị khai thác kênh ngang tại lò HANARO (năm 2010) 63 Các thiết bị sử dụng dòng nơtron lạnh tại lò HANARO Detector shield DC-TOF Dynamic phenomena chopper Detector array 40 SANS - 0.1 ~ 25 meV - 2 - 60 nm-1 g u i d e Sample chamber m Nano size 1-500 nm inhomogenieties Incident neutron Cold TAS GuideApertureE t Motor for table translation 64 mp y Future useDynamic phenomena - 20 μeV ~ 10 meV - 2 - 50 Å Các kênh dẫn dòng nơtron lạnh tại lò HANARO (dự kiến năm 2012) - Completion of guide installation - Development and installation of phase-II spectrometers - Utilization sharing and support 65 Các thiết bị dùng với nguồn nơtron lạnh 66 Bố trí các kênh dẫn dòng nơtron của lò HANARO road way walk way 67 Các LPỨ nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tán xạ mạnh nhất hiện nay 68 Các thiết bị nghiên cứu tán xạ nơtron tại lò nước nặng NBSR, 20 MW của Viện NIST – National Institute of Standards and Technology, Hoa Kỳ. Các LPỨ nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tán xạ mạnh nhất hiện nay 69The Institute Laue Laue-Langevin Langevin, Grenoble Các LPỨ nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tán xạ mạnh nhất hiện nay 70 Các LPỨ nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tán xạ mạnh nhất hiện nay 71 So sánh về công nghệ nghiên cứu thế giới vi mô 72 5. Chụp ảnh nơtron (Neutron Radiography) ~ Nuclear Engineering ~ Offence / Defense Industries ~ Archaeological Specimens ~ Aerospace Industries ~ Metallurgy - B, Li, U distribution - Micro-voids/ inclusions Turbin blade Detonators, Explosive Neutron X-ray Archaeological Specimens 73 Irradiated Fuels Boron distribution in steel 5. Chụp ảnh nơtron (Neutron Radiography) Exposure Room 1st room 2nd Design Characteristics room •Collimations ratio (L/D) 206 290 • Thermal Neutron Flux(n/cm2/s) 1.13x107 5.07x106 •Beam Uniformity(σ) ~7% •Cadmium Ratio ~45 •Neutron/γ (n/mrem/cm2) 3.9x106 •Effective Beam Size (mm2) 250x350 350x450 •ASTM Designation NC-H-C = 75-8-7 Applications •Nuclear Engineering Irradiated Fuels, Reactor Components •Ordnance/Defense Industries Detonators, Explosive bolts, FCDC, etc. Installed at NR beam port in 1996 • Non-destructive test of materials, internal structure of unknown t d d ti •Archaeological Specimens : bronze dagger, ring, etc. •Aerospace Industries(composite specimens): turbine blade •Consumer industries, mostly Motor industry •Metallurgy sys ems, an e uca on program for student practice, etc. • Certification of NDT&E under KOLAS (ISO 17025 equivalent) system in early 2003 74 B, Li, U distributions, Micro-voids / Inclusions• Autoradiography technique for B and U, etc.. distribution detection 5. Chụp ảnh nơtron (Neutron Radiography) 75 6. Chữa bệnh bằng bắt nơtron của boron (BNCT) BNCT (Boron neutron capture therapy) là một phương pháp điều trị căn bệnh ung thư lý tưởng là phương pháp có thể , tiêu diệt được các tế bào khối u mà không gây tổn hại đáng kể đến các tế bào bình thường ở xung quanh. Nguyên lý cơ bản của phương pháp BNCT là dựa vào phản ứng bắt nơtron và phát hạt alpha của nguyên tố B-10 và được ô tả bằ hả ứ ( ) hm ng p n ng n, α n ư sau: n + B-10 → *B-11 → Li-7 + α + γ Phân chia năng lượng sau phản ứng: + Động năng của hạt α là ≈ 1,47 MeV + Động năng của Li-7 là ≈ 0,84 MeV 76 + Năng lượng của bức xạ gamma là ≈ 0,48 MeV 6. Chữa bệnh bằng bắt nơtron của boron (BNCT) - Có tính chọn lọc và khu trú ở mức độ tế bào - Thử nghiệm lâm sàng cho loại u não - Phát triển phương pháp cho việc tiêu diệt các loại tế bào u khác Phát t iể á h hất ủ B tốt h 77 - r n c c ợp c c a o ơn 6. Chữa bệnh bằng bắt nơtron của boron (BNCT) Phương pháp BNCT có ưu điểm quan trọng hơn so với các phương pháp xạ trị thông thường là BNCT tạo ra các hạt mang điện nặng (hạt α và ion Li-7) có năng lượng cao và có hệ số truyền năng lượng trên một đơn vị độ dài quãng chạy khá lớn. Cá h t điệ â á hiệ ứ i h h à tiê diệtc ạ mang n g y ra c c u ng s n ọc v u các tế bào ung thư chỉ trên một khoảng chạy tương đương với kích thước của tế bào. 78 7. Xác định tuổi địa chất Có 2 phương pháp phổ biến để định tuổi khoáng vật là: 1. Địa thời học dùng Argon dùng để xác định tuổi của khoáng vật với khối lượng nhỏ (mg) dựa vào sự phân rã phóng xạ của Kali tự nhiên trong mẫu . + Nguyên tắc của phương pháp là chiếu xạ mẫu trong LPƯ theo phản ứng 39K(n, p)39Ar, sau đó ghi đo các đồng vị bằng khối phổ kế để xác định tỷ số 40Ar/39Ar Sự có mặt của nguyên . tố phóng xạ Ar-40 phát ra trong mẫu là do quá trình phân rã K- 40. Do vậy, nếu xác định được lượng Ar-40 trong mẫu và khối lượng K 40 ban đầu thì cho phép xác định được tuổi địa chất - của mẫu vật. Bằng phương pháp này, các mẫu vật có tuổi khá trẻ từ 2000 năm đến 4,6 tỷ năm (tuổi trái đất) có thể được xác định tùy thuộc vào bản chất của mẫu 79 . 7. Xác định tuổi địa chất Có 2 phương pháp phổ biến để định tuổi khoáng vật là: 2. Địa thời học dùng vết sản phẩm phân hạch để xác định tuổi của những khoáng vật chứa Uranium Apatites và Zircon , . Apatit là một loại phốt phát canxi thường thấy trong đá granit và đá hóa thạch. Zircon ở dạng silicat zirconi cũng th ờ thấ ở á l i đá t t T ổi ủ ẫ đư ng y c c oạ ương ự. u c a m u ược xác định bằng cách đếm các vết phân hạch trong vật liệu do phân hạch ngẫu nhiên của U-238. 80 8. Tạo nguồn positron cho nghiên cứu cơ bản Khi LPƯ làm việc, chính nó là một nguồn phát hạt positron e+. + Positron có thể sử dụng như một hạt để thăm dò các khuyết tật có mật độ thấp trong vật liệu. + Kỹ thuật tương quan góc 2 chiều của bức xạ hủy hạt (Angular Correlation of Annihilation Radiation 2D ACAR) sử dụng một - - chùm positron có cường độ cao để nghiên cứu bề mặt và chỗ giao nhau giữa các bề mặt. Kỹ th ật 2D ACAR h hé đ ới độ hâ iải ất hâ bố+ u - c o p p o v p n g r cao p n mô men động lượng electron theo chiều sâu, các khuyết tật địa phương, hệ thống các lớp mỏng và các bề mặt. + Ngoài ra, một chùm positron kích thước micro mét có thể cho phép tái tạo hình dạng chiều sâu của khuyết tật ở các vật mỏng 2 mặt có kích thước nhỏ hơn 1 micro mét. Các khuyết tật dạng lỗ ố ể ề 81 tr ng cũng có th thăm dò và vẽ lên ở dạng 3 chi u. 8. Tạo nguồn positron Có 3 phương pháp tạo nên một nguồn positron trên LPƯ: (1) Positron có thể được tạo ra bằng cách kích hoạt một số loại vật liệu nhờ nơtron nhiệt. Bia chiếu bằng đồng kim loại (Cu) được đặt và chiếu xạ ở trong vùng hoạt của LPƯ hoặc được bắn , vào/ra khỏi vùng hoạt. Bia đồng sau chiếu xạ sẽ là nguồn phát các hạt positron. (2) Positron có thể được tạo ra bằng phương pháp chuyển đổi gamma-positron. Khi chiếu xạ Cadmium kim loại (Cd) trong trường nơtron nhiệt của LPƯ, Cadmium bắt và hấp thụ các nơtron nhiệt nó sẽ bức xạ ra các hạt gamma có năng lượng , cao (gamma cứng). Tiếp đó các hạt gamma lại được cho chiếu xạ lên bề mặt các kim loại như platium (Pt), volfram (W), chúng sẽ phát ra các hạt positron. (3) Positron có thể được tạo ra bằng phương pháp chuyển đổi trực tiếp bằng tia gamma có năng lượng cao. Các hạt gamma năng lượng cao sinh ra từ các mảnh vỡ phân hạch cho chiếu trực 82 tiếp lên bia volfram hoặc platium.