Vật lí hạt nhân và vật lí nơtron - 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 thờig ... 
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.