%34تخفیف

معادلات انتقال نوترون در چشمه نوترون فوق­سرد و محاسبه پارامترهای طراحی

تعداد 106 صفحه  درword

دکتری ­فیزیک هسته­ای

معادلات انتقال نوترون در چشمه نوترون فوق­سرد و محاسبه پارامترهای طراحی

       نوترون­های فوق­سرد برای اندازه­گیری کمیت­های مهم فیزیکی استفاده می­شوند. افزایش دقت چنین اندازه­گیری­ها به لحاظ آماری محدودیت دارد. به طورکلی، چگالی­های بالای  UCNبرای راستی آزمایی تجربی مدل استاندارد مهم می­باشد. همچنین ذخیره و مشاهده UCN برای دوره طولانی باعث می­شود که از آن به عنوان یک ابزار بسیار عالی در مطالعه خواص اساسی نوترون پرداخته شود، اندازه­گیری دقیقی از نیمه عمر نوترون، مطالعه حالت­های کوانتومی نوترون در میدان جاذبه زمین، مطالعه سطوح لایه­های نازک و ممان دوقطبی الکتریکی نوترون مورد استفاده قرار ­گیرد . UCN دارای انرژی جنبشی کمتر از  neV 300، سرعت کمتر از 7 متر برثانیه، طول موج بیشتر از nm 60 می باشد.   UCN­ها در بطرهای برای یک زمان قابل مقایسه با نیمه عمر نوترون که حدود 887 ثانیه است می­تواند به دام افتند. چندین طرح برای ساخت چشمه­های UCN جدید به منظور افزایش چگالی و شار UCN وجود دارند که یکی از روش­های افزایش شار UCN، استفاده از موادی  به عنوان مبدل است؛ که می­توانند CN را با پراکندگی به  UCNتبدیل کند. ساختار این مبدل­ها دارای ترازهای برانگیختگی می­باشند که باعث  می­شوند نوترون سرد به فوق­سرد تبدیل شود. این روش تولید ( تولید UCN ابر­حرارتی) اولین بار توسط Golub و Pendlebury  پیشنهاد شده است. چشمه­های UCN که دارای پتانسیل بیشتری برای تولید چگالی­های بالای UCN هستند از  ابر سیال هلیم و استفاده می­کنند. این مبدل­ها به طور قابل ملاحظه­ای در پراکندگی نوترون­های سرد برای تولید UCN موثرند. پژوهش­های تجربی مهمی برای تولید  UCN بوسیله مبدل­های ،و  انجام شده است. این مبدل­ها نیز سرعت نوترون­های سرد را کاهش و در نهایت به نوترون­های فوق­سرد تبدیل می­کنند. تحقیقات انجام شده نشان می­دهد که دوتریم می­تواند درحالت­های مختلف گاز، مایع و جامد مورد استفاده قرار گیرد و از کارایی نسبی بسیار بالای برخوردار است. در چشمه­های نوترون فوق­سرد، نوترون­های سرد با انرژی متوسط حدود میلی الکترون ولت به محدوده نانو الکترون ولت کند می­شوند.

چشمه نوترون فوق­سرد در آزمایشگاه­های بزرگ Laue-Langevi، Grenoble، Franc، PSI و LANL ساخته شده­اند یا در حال ساخت هستند. فعالیت­های دیگری برای افزایش شار در آزمایشگاه­های بزرگ مانند لوس آلاموس، ILL ، اوساکا ژاپن، دانشگاه مونیخ و دانشگاه ماینز در حال انجام است.

     در چشمه نوترون فوق­سرد PSI  نوترون­های سریع در برخورد با هدف تلاشی  ناشی از برخورد پروتون­های MeV 590 با یک هدف سربی تولید می­شوند که در یک کندکننده آب سنگین کند و در نهایت یک شار سرد حدود  در ناحیه­ای از  ایجاد می­شود، که حدود   نوترون فوق­سرد تولید خواهد کرد. در چشمه نوترون فوق­سرد PSI   شار UCN محاسبه نشده است. به دلیل نبود سطح مقطع­های پراکندگی نوترون فوق­سرد در فایل­های ورودی     کد­های MCNP، این نوع کدها نمی­تواند به طور مستقیم برای محاسبه شار UCN مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین، در این پایان نامه کد شبیه سازی را با یک روش محاسبات چند گروهی ترکیب نموده­ایم و با حل معادلات انتقال نوترون مقادیر شار CN  با یک دقت قابل قبولی( تقریباً با خطای آماری کمتر از ) بوسیله کد MCNPX 2.4 محاسبه شدند. عمق نفوذ، نوترون­های حرارتی حدود 4 سانتیمتر است و در واقع شار CN درحدود چنین عمقی به مقدار بیشینه خود می­رسد.  همچنین در چشمه نوترون فوق­سرد، استفاده از طیف ماکسولی( یا به نوعی طیف نیلکین) برای بدست آوردن آهنگ نوترون­های خروجی از چشمه­های مذکور کارساز نیست. در این چشمه­ها، سهم اورتو (پارا)  ماده دوتریم در انتهای مسیر نوترون حائز اهمیت است و کند شدن نوترون به محدوده انرژی­های نانوالکترون ولت می­بایست مد­ نظر قرارگیرد.

    چشمه UCN مورد مطالعه دارای سه بخش اصلی کند­کننده ، مبدل  و هدف تلاشی      می­باشد.  با استفاده از کد شبیه سازی MCNPX 2.4، متوسط شار سریع روی سطح هدف تلاشی، شار حرارتی در آب سنگین نزدیک لایه   و شار سرد در عمق­های مختلف درون  محاسبه شده است. معادلات یک بعدی و دو بعدی توازن نوترون با استفاده از روش ضمنی پسرو درMATLAB حل شده است. در محاسبات چند گروهی حاضر، 330 گروه انرژی نوترون را در نظرگرفته­ایم؛ که یک همگرایی از نتایج با گام­ مکانی مناسب بدست آمده است. گام محوری و شعاعی به ترتیب برابر با و    می­باشند. مقادیر شار CN  حاصل از شبیه سازی  در عمق­های 0 تا 4 سانتیمتر به عنوان شرایط مرزی برای حل معادلات مورد استفاده قرار گرفته­اند. در واقع، میزان تولید UCN حاصل انتگرال روی همه چشمه­های صفحه­های CN  می­باشد، توزیع فضایی شار UCN و آهنگ­تولید در  و نتایج عددی حاصل از میزان تولید UCN برای ابعاد مختلف  با استفاده از معادله توازن نوترون نیز بدست آمده است. متوسط آهنگ­تولید UCN حاصل از این کار، با خروجی چشمه­های UCN مستقر در PSI و LANL  مقایسه شده­اند.

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                              صفحه

 

مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….1

فصل اول: فرآیند­های نوترون با ماده

1– 1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..5

1-2 سازوکار بر همکنش نوترون با هسته ………………………………………………………………………………………………….5

1-3 بر همکنش­های نوترون ……………………………………………………………………………………………………………………….6

1-4 طبقه بندی نوترون­ها از نظر انرژی………………………………………………………………………………………………………8

1-5 سطح مقطع نوترون………………………………………………………………………………………………………………………………9

   1-5-1 سطح مقطع میکروسکوپی……………………………………………………………………………………………………………9

   1-5-2  سطح مقطع ماکروسکوپی و مسافت آزاد میانگین نوترون………………………………………………………10

1-6 آهنگ واکنش نوترون ……………………………………………………………………………………………………………………….11

1-7 فرآیند­های مختلف تولید نوترون……………………………………………………………………………………………………….11

1-8 انتقال نوترون …………………………………………………………………………………………………………………………………….13

    1-8-1 روش تخمینی: پخش و چند گروهی……………………………………………………………………………………….13

    1-8-2 روش­های تصادفی …………………………………………………………………………………………………………………..13

1-9 تعاریف ………………………………………………………………………………………………………………………………………………15

   1-9-1 محیط نوترون …………………………………………………………………………………………………………………………..15

   1-9-2 شار نوترون ……………………………………………………………………………………………………………………………….16

   1-9-3 تقریب پخش …………………………………………………………………………………………………………………………….17

فصل دوم: نوترون­های فوق­سرد

2-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………20

2-2 انواع چشمه­های UCN …………………………………………………………………………………………………………………….20

    2-2-1 چشمه UCN در PSI ……………………………………………………………………………………………………………..20

       2-2-1-1 کند­کننده ………………………………………………………………………………………………………………..22

      2-2-2 چشمه UCN در LANL …………………………………………………………………………………………………….23

      2-2-3 چشمه UCN در Mainz………………………………………………………………………………………………………24

      2-2-4 چشمه پالسی نوترون تلاشی ……………………………………………………………………………………………….26

2-3 کند شدن نوترون……………………………………………………………………………………………………………………………….28

2-4 روش های تولید UCN………………………………………………………………………………………………………………………30

2-5 استخراج متداول UCN……………………………………………………………………………………………………………………..30

    2-5- 1  تولید UCN به روش ابرحرارتی ………………………………………………………………………………………….30

   2-5-2  چشمه­های UCN ابر­حرارتی……………………………………………………………………………………………………32

2-6 پراکندگی نوترون در  ……………………………………………………………………………………………………………….33

    2-6-1 پراکندگی همدوس و ناهمدوس نوترون در…………………………………………………………………….33

     2-6-2 پراکندگی کشسان………………………………………………………………………………………………………………….35

     2-6-3 برخورد ناکشسان نوترون با مولکول دوتریم…………………………………………………………………………..36

     2-6-4 شبکه ………………………………………………………………………………………………………………………………37

2-7  برهمکنش­های UCN ………………………………………………………………………………………………………………………39

2-8  کاربردهای UCN …………………………………………………………………………………………………………………………….41

فصل سوم: معادلات انتقال نوترون و چشمه­ نوترون فوق­سرد

3-1 مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………………..43

3-2 سطح مقطع تولید نوترون در ……………………………………………………………………………………………………43

3-3 داده­های نوترون فوق­سرد ………………………………………………………………………………………………………………….46

3-4 مواد و روش کار ………………………………………………………………………………………………………………………………..50

    3-4-1 شرایط مرزی …………………………………………………………………………………………………………………………..56

فصل چهارم:  نتایج و پیشنهادات

4-1 نتایج……………………………………………………………………………………………………………………………………………………62

4-2 نتیجه­گیری…………………………………………………………………………………………………………………………………………70

4-3 پیشنهادات………………………………………………………………………………………………………………………………………….71

منابع………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….72

پیوست الف: کد NJOY ………………………………………………………………………………………………………………………77

چکیده انگلیسی………………………………………………………………………………………………………………………………………….96

فهرست شکل­ها

عنوان                                                                                                                              صفحه

1-1  باریکه­ی از نوترون که به هدف نازک برخورد می­کند………………………………………………………………………..9

2-1 طرح چشمه UCN در PSI. باریکه پروتون از سمت چپ به هدف تلاشی برخورد می­کند. نوترون­های             ناشی از تلاشی درکند­کننده حرارتی می­شوند. پس از ورود به سرد می­شوند و بخشی از آنها        فوق­­­سرد خواهند شد……………………………………………………………………………………………………………………………21

2-2 طرح  شاتر UCN که بین مبدل  و مخزن  UCN قرار دارد………………………………………………….22

2-3 برشی طولی ظرف …………………………………………………………………………………………………………………….22

2-4  نمونه آزمایشگاهی چشمه UCN در LANL…………………………………………………………………………………24

2-5 آهنگ شمارش UCN ( به ازای واحد توان راکتور) به صورت تابعی از تعداد مول…………………………25

2-6 طیف UCNدر حین گرم شدن مبدل(دایره­های توپر) و طیف UCN در شرایط عادی………………..26

2-7 پهنای پالس برای انواع کند­کننده­ها………………………………………………………………………………………………….27

2-8 سینماتیک برخورد نوترون در (الف) سیستم مرکز جرم و (ب) سیستم آزمایشگاه…………………………28

2-9 طرح واره­ای از تولید UCN با خلق فونون……………………………………………………………………………………….31

2-10 حرکت تقدیمی نوترون در میدان های الکتریکی و مغناطیسی……………………………………………………..37

3-1 سطح مقطع پراکندگی کل نوترون به صورت تابعی از انرژی نوترون درمحیط برای دردمای

 K     18 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….44

3-2 سطح مقطع تجربی تولید UCN (دایره­های توخالی) و سطح مقطع تولید UCN با استفاده از مدل         دبای………………………………………………………………………………………………………………………………………………………45

3-3 سطح مقطع پراکندگی کل نوترون (تجربی) در محدوده پراکندگی براگ به ازای طول موج نوترون       در …………………………………………………………………………………………………………………………………………………46

3-4 سطح مقطع کل نوترون با مولکول دوتریم برحسب بردار عدد موج نوترون در محیط مایع و..47

3-5 سطح مقطع کل نوترون در دوتریم برای دوتریم مایع در دمای K19 بر حسب عدد موج …………….48

3-6 سطح مقطع کل نوترون در در دمای K14 بر حسب عدد موج……………………………………………….49

3-7 سطح مقطع کل نوترون با مولکول دوتریم در در دمای K18برحسب عدد موج…………………….49

3-8 سطح مقطع کل نوترون با مولکول دوتریم در در دمای K8 برحسب عدد موج……………………..50

3-9 هندسه شبیه­ سازی سیستم UCN…………………………………………………………………………………………………51

4-1 طیف انرژی نوترون سرد(CN) در عمق1 تا 4 سانتی متر……………………………………………………………….64

4-2 شار نوترون سریع (بر سطح) به صورت تابعی از انرژی که روی سطح هدف تلاشی متوسط­گیری شده    است……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….66

4- 3 توزیع فضایی شار نوترون فوق­سرد در محیط …………………………………………………………………………66

4-4 توزیع فضایی آهنگ­تولید نوترون فوق­سرد در محیط ………………………………………………………………67 4-5 متوسط شار نوترون فوق­سرد  به صورت تابعی از z. نتایج حاصل از معادله تعادل توازن یک بعدی با          دایره­ توپر و نتایج حاصل از حل معادله توازن دو بعدی با مثلث توپر نشان داده شده­اند. هردو نمودار     دارای بیشینه مقداری دردارند. محدوده انرژی نوترون های فوق سرد 40-250 نانو الکترون     ولت است……………………………………………………………………………………………………………………………………………….67

4-6 متوسط آهنگ­­تولید نوترون فوق سرد به صورت تابعی از z. نتایج حاصل از معادله تعادل توازن یک       بعدی با دایره­ توپر و نتایج حاصل از حل معادله توازن دو بعدی با مثلث توپر نشان داده شده­اند. هر       دو نمودار دارای بیشینه مقداری در دارند. محدوده انرژی نوترون های فوق سرد 40-250      نانو الکترون ولت است ………………………………………………………………………………………………………………………68

فهرست جدول­ها

عنوان                                                                                                                              صفحه

1-1 انواع مختلف واکنش جذبی نوترون………………………………………………………………………………………………………7

1-2 محدوده انرژی، دما، سرعت و طول موج نوترون………………………………………………………………………………….8

1-3 خواص و ویژگی­های نوترون…………………………………………………………………………………………………………………8

2-1 انرژی پتانسیل نوترون در میدان­های متفاوت ………………………………………………………………………………….41

3-1 ویژگی­های فیزیکی باریکه پروتون، هدف تلاشی، ابعاد بهینه و مواد به کار رفته ……………………………52

3-2 شار نوترون سرد در عمق­های مختلف دوتریم جامد ………………………………………………………………………..56

3-3 مقادیر کرنل پراکندگی UCN مورد استفاده در معادلات انتقال نوترون………………………………………..57

3-4 سطح­ مقطع های کل مورد استفاده در معادلات انتقال نوترون………………………………………………………..58

3-5 سطح مقطع­های نوترون سرد مورد استفاده در معادلات انتقال نوترون ………………………………………….59

4-1 نتایج شبیه سازی شار نوترون …………………………………………………………………………………………………………..63

4-2 نتایج عددی متوسط شار، چگالی و آهنگ­­­تولید نوترون فوق­سرد در………………………………………..69

4-3 آهنگ­تولید نوترون فوق­سرد در این کار و مقایسه آن با نتایج تجربی …………………………………………….70

فهرست علائم اختصاری

 

b                                        Barn

CN                                    Cold Neutron

ENDF                               Evalute Nuclear Data Force

GENDF                            Groupwised ENDF

LANL                                Los Alamos National Laboratory

ILL                                   Institut Laue-Langevin

Neutron Mass

nEDM                               Neutron Eelectric Dipole Moment

                                    Spherical harmonics method of order N

Pdf                                    Probability density function

PENDF                            Pointwised ENDF

PSI                                   Paul Scherrer Institute

sD2                                   Solid Deutriume

                                   Method of discrete ordinates of order N

T                                      Tesla

th                                      Thershold

UCN                                Ultra Cold Neutron

up                                     Up- Scattering X-section

VCN                                 Very Cold Neutron

                                    Planck’s constant

H                                      Height

g                                       Earth’ s gravitational acceleration

l                                        Length

NA                                    Avogadro constant

A                                      Area

T                                      Temperature

Vg                                     Gravitational potential

B                                      Magnetic filed

E                                       Electric filed

S                                       Spin

a                                       Scattering length

                                    Neutron magnetic dipol moment

                                     Neutron Electric Dipol Momen

نقد و بررسی‌ها

هنوز بررسی‌ای ثبت نشده است.

اولین کسی باشید که دیدگاهی می نویسد “معادلات انتقال نوترون در چشمه نوترون فوق­سرد و محاسبه پارامترهای طراحی”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

قبلا حساب کاربری ایجاد کرده اید؟
گذرواژه خود را فراموش کرده اید؟
Loading...
enemad-logo