Luận văn Tính toán quá trình sản xuất Iodine - 125 từ khí Xenon - 124 chiếu xạ bởi dòng nơtron nhiệt trong lò phản ứng

Nội dung tài liệu: Luận văn Tính toán quá trình sản xuất Iodine - 125 từ khí Xenon - 124 chiếu xạ bởi dòng nơtron nhiệt trong lò phản ứng

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- ĐOÀN THỊ THU HIỀN TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT IODINE - 125 TỪ KHÍ XENON - 124 CHIẾU XẠ BỞI DÒNG NƠTRON NHIỆT TRONG LÒ PHẢN ỨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2019 1
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đoàn Thị Thu Hiền TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT IODINE - 125 TỪ KHÍ XENON - 124 CHIẾU XẠ BỞI DÒNG NƠTRON NHIỆT TRONG LÒ PHẢN ỨNG Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 8440130.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Nguyễn Thế Nghĩa 2. TS. Vũ Thanh Quang Hà Nội – Năm 2019 LỜI CẢM ƠN 2
3. Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ của em, bên cạnh sự nỗ lực cố gắng của bản thân không thể không kể đến sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ. Đầu tiên, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thày TS. Nguyễn Thế Nghĩa và TS.Vũ Thanh Quang, những người thày đáng kính đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành luận văn này. Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý thầy cô trong khoa Vật lý, Bộ môn Vật lý hạt nhân, các cán bộ Phòng sau đại học và các học viên lớp cao học 2017 - 2019 đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất và hỗ trợ cho em trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi hoàn thành đề tài luận văn. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho em rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh. Hà Nội, tháng 10 năm 2019 Học viên thực hiện Đoàn Thị Thu Hiền 3
4. MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và từ khóa ii Danh mục hình vẽ và biểu đồ ... iii Danh mục bảng . iv Mở đầu ... 1 Chƣơng 1: Tổng quan về sản xuất đồng vị phóng xạ trong lò hạt nhân 6 nghiên cứu . 1.1. Sản xuất đồng vị trong lò nghiên cứu 7 1.2. Phản ứng hạt nhân 9 1.2.1. Năng lượng của nơtron trong trường lò 9 1.2.2. Các loại phản ứng hạt nhân với nơtron 10 1.2.3. Tiết diện phản ứng 12 1.3. Tính toán hiệu suất đồng vị phóng xạ 14 1.4. Kỹ thuật chiếu xạ 16 1.4.1. Lựa chọn vật liệu bia 16 1.4.2. Đóng gói bia 17 1.5. Những ứng dụng c a đồng vị phóng xạ Iodine -125 trong học 17 hạt nhân Chƣơng 2: Tính toán quá trình sản xuất Iodine – 125 từ khí Xenon – 124 21 chiếu xạ bởi dòng nơtron nhiệt trong lò phản ứng 2.1. Quá trình sản xuất Iodine - 125 21 2.1.1 Dạng phân rã và năng lượng 21 2.1.2. Vật liệu bia 22 2.1.3. Sơ đồ nguyên lý quá trình sản xuất Iodine - 125 23 2.2. Sơ đồ tích lũ ròng c a quá trình bắn bia Xenon tự nhiên 24 4
5. trong lò phản ứng [5] 2.3. Mô tả toán học quá trình tạo thành và phân rã c a các hạt 25 nhân khi chiếu xạ bia Xenon tự nhiên 2.4. Giao diện c a chƣơng trình tính toán 29 Chƣơng 3: Kết quả tính toán và bàn luận .. 31 3.1. Kiểm chứng kết quả tính toán 31 3.2. Sản xuất theo mẻ gián đoạn 33 3.2.1. Sử dụng bia Xenon tự nhiên 33 3.2.2. Sử dụng bia Xenon - 124 có độ giàu >99% 40 3.3. Sản xuất theo vòng lặp tuần hoàn 37 3.3.1. Sử dụng bia Xenon tự nhiên 37 3.3.2. Sử dụng bia Xenon - 124 có độ giàu >99% 40 3.4. Tính toán thời gian chiếu xạ tối ƣu cho sản xuất Iodine - 125 43 tại lò Đà Lạt 3.4.1. Sử dụng bia Xenon tự nhiên chiếu xạ tại kênh chiếu ướt; Φ 44 = 9.1012n/cm2/s 3.4.2. Sử dụng bia Xenon giàu chiếu xạ tại hốc bẫy nơtron; Φ = 46 2.1013n/cm2/s Kết luận 49 Tài liệu tham khảo 51 5
6. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TỪ KHÓA - σ: Tiết diện phản ứng 2 - Φthông lượng chùm hạt a bay tới bia (Na/S) (hạt/cm /s) - T1/2: Thời gian bán rã của đồng vị phóng xạ - : Hằng số phân rã, - IAEA: Cơ quan nguyên tử năng quốc tế - HEU: Bó nhiên liệu độ giàu cao - LEU: Bó nhiên liệu độ giàu thấp 6
7. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các đồng vị phóng xạ ph biến dùng trong y học hạt nhân 18 Bảng 2.1. Các đồng vị của khí Xenon 22 Bảng 2.2. Kí hiệu các đồng vị, độ giàu, thời gian bán rã, hằng số phân 28 rã λ, tiết diện phản ứng và tích phân cộng hưởng [5] So sánh kết quả tính toán với số liệu của IAEA [3] đối với bia Bảng 3.1. Xenon tự nhiên 32 So sánh kết quả tính toán với số liệu của IAEA [3] đối với bia Bảng 3.2. Xenon giàu 32 Bảng 3.3. Sự ảnh hưởng của độ giàu Xenon - 124 đến hoạt độ và độ 36 sạch của sản phẩm Iodine - 125 Bảng 3.4. Sự ảnh hưởng của thời gian chiếu Xenon giàu đến hoạt độ và 36 độ sạch của sản phẩm Iodine - 125 Bảng 3.5. Thời gian sản xuất tối ưu của một mẻ chiếu xạ 15 ngày 44 7
8. DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ Cyclotron 30MeV tại Trung tâm Máy gia tốc, Bệnh Viện Hình 1: 3 TƯQĐ108 Hình 2: Sản xuất các dược chất phóng xạ 3 Hình 3: Lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt 4 Hình 1.1: Lò nghiên cứu nước nhẹ dạng bể 8 Hình 1.2: Lò nghiên cứu nước nặng dạng thùng 8 Hình 1.3: Thông lượng nơtron trong trường lò 9 Hình 1.4 Hạt phóng xạ Iodine -125 19 Hình 1.5 Phẫu thuật đặt hạt phóng xạ Iodine -125 tại BV Bạch Mai 20 Hình 2.1: Ứng dụng y học hạt nhân của Iodine - 125 21 Hình 2.2: Sơ đồ chiếu xạ Xenon theo vòng lặp tuần hoàn 23 Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý quá trình sản xuất Iodine -125 24 Sơ đồ tạo thành và phân rã của các hạt nhân khi chiếu xạ Hình 2.4: 25 Xenon tự nhiên Hình 2.5: Sơ đồ tính toán quá trình sản xuất Iodine -125 27 Hình 2.6: Giao diện chính của chương trình 29 Hình 2.7: Giao diện nhập số liệu 29 Hình 2.8: Giao diện kết xuất kết quả tính toán 30 Hình 2.9: Giao diện biểu diễn chi tiết kết quả tính toán 30 Hình 2.10 Mã code của chương trình tích phân số Runge-Kutta bậc 4 31 – 2.11 Hoạt độ Iodine -125 trong buồng phân rã khi thay đ i thông Hình 3.1: 34 lượng nơtron chiếu mẫu Hình 3.2. Hàm lượng Iodine -126 trong sản phẩm 34 8
9. Hình 3.3: Hoạt độ riêng của sản phẩm Iodine -125 35 Hình 3.4: Hoạt độ của Iodine -125 trong buồng phân rã 38 Hình 3.5: Hàm lượng Iodine -126 trong sản phẩm 39 Hình 3.6: Hoạt độ riêng của sản phẩm Iodine -125 39 Hình 3.7: Hoạt độ Iodine -125 trong buồng phân rã 41 Hình 3.8: Hoạt độ Iodine -126 trong buồng phân rã 41 Hình 3.9: Hàm lượng tạp nhân Iodine -126 trong sản phẩm 42 Hình 3.10: Hoạt độ riêng của sản phẩm Iodine -125 42 Thời gian chiếu xạ - Phân rã tối ưu cho 1 mẻ 50 gram Xenon Hình 3.11: tự nhiên, Φ = 9.1012n/cm2/s 45 Sản lượng tối đa Iodine - 125/năm, Thời gian sản xuất 120 Hình 3.12: ngày/năm, 50 gram Xenon tự nhiên, Φ = 9.1012n/cm2/s 45 Thời gian chiếu xạ-Phân rã tối ưu cho 1 mẻ 0.5 gram Xenon Hình 3.13: 47 giàu > 99%, Φ = 2.1013n/cm2/s Sản lượng tối đa Iodine - 125/năm, Thời gian sản xuất 120 Hình 3.14: ngày/năm, 0.5 gram Xenon giàu > 99%, Φ = 2.1013n/cm2/s 47 9
10. MỞ ĐẦU Tại Việt Nam, từ đầu những năm 2000, nhận thấy vai trò quan trọng và giá trị to lớn của việc ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình, Thủ tướng Chính phủ đã ra quyết định phê duyệt chiến lược và quy hoạch t ng thể phát triển, ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình đến năm 2020. Trong đó nhấn mạnh: Việt Nam phấn đấu đến năm 2010 phải đảm bảo tự sản xuất để cung cấp 50% nhu cầu về đồng vị và chất phóng xạ, 50% các tỉnh, thành phố có các cơ sở y học hạt nhân và xạ trị, đồng thời quy hoạch và xây dựng năng lực sản xuất, lắp ráp, chế tạo các thiết bị ghi đo hạt nhân, thiết bị X-quang, thiết bị laser và máy gia tốc; Đầu tư xây dựng một số trung tâm ứng dụng bức xạ phục vụ y tế, nông nghiệp và các ngành công nghiệp. Chiến lược ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình đến năm 2020 được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 01/2006/QĐ-Ttg ngày 3-1-2006. Trong đó, nghiên cứu, ứng dụng bức xạ và đồng vị phóng xạ và phát triển tiềm lực KH&CN hạt nhân phục vụ phát triển kinh tế - xã hội là những nhiệm vụ quan trọng đã được các bộ, ngành, địa phương tích cực thực hiện và thu được nhiều thành tựu. Trong giai đoạn 2016 - 2018, việc ứng dụng bức xạ và đồng vị phóng xạ trong lĩnh vực y tế, công nghiệp, nông nghiệp, tài nguyên và môi trường đã đem lại nhiều kết quả quan trọng. Hiện nay, cả nước có 35 cơ sở y học hạt nhân với trên 45 thiết bị xạ hình. Một số kỹ thuật chụp hình, chẩn đoán hiện đại tương đương với trình độ y học hạt nhân các nước trong khu vực và quốc tế giúp chẩn đoán và điệu trị hiệu quả các bệnh về ung thư, tim mạch và thần kinh tại Việt Nam Cho đến nay, loài người có hai công cụ để sản xuất các đồng vị phóng xạ là lò phản ứng hạt nhân và máy gia tốc. Việt Nam hiện nay đang sở hữu cả 2 công cụ này. Tính đến 2/2019, Việt Nam có 6 máy gia tốc vòng (Cyclotron) dùng để sản xuất các đồng vị phóng xạ và dược chất phóng xạ phục vụ cho chẩn đoán và điều trị bệnh; Đặc biệt là các bệnh gây tử vong cao như ung thư, tim mạch, thần kinh. Các máy gia tốc Cyclotron đó là: 10