Kết quả thí nghiệm vật lý Chi-Nu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cung cấp dữ liệu quan trọng và chưa từng có để tăng cường các ứng dụng an toàn hạt nhân, hiểu biết về an toàn tới hạn và thiết kế các lò phản ứng năng lượng neutron nhanh. Dự án Chi-Nu, một thí nghiệm kéo dài nhiều năm đo phổ năng lượng của neutron phát ra từ phản ứng phân hạch do neutron gây ra, gần đây đã hoàn thành phân tích độ không đảm bảo chi tiết và sâu rộng nhất về ba nguyên tố Actinide chính là uranium-238, uranium-235 và plutonium-239.

Jaime Gomez (trái) và Keegan Kelly thiết lập thí nghiệm Chi-Nu, hiệu chỉnh khoảng cách của máy dò và lắp đặt các đường dẫn khí cho mục tiêu đếm phân hạch (giữa). Nguồn: Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos

Keegan Kelly, nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, cho biết: "Sự phân hạch hạt nhân và các phản ứng dây chuyền hạt nhân liên quan đã trở nên phổ biến hơn vào những năm 80. Chỉ được phát hiện cách đây vài năm, các nhà thực nghiệm vẫn đang nỗ lực cung cấp một bức tranh hoàn chỉnh về quá trình phân hạch ở các Actinide chính. Trong suốt dự án, chúng tôi đã quan sát thấy những đặc điểm khác biệt của quá trình phân hạch mà ở nhiều nơi trường hợp chưa từng được quan sát thấy trong bất kỳ thí nghiệm nào trước đây."

Nghiên cứu Chi-Nu cuối cùng của nhóm Los Alamos về đồng vị uranium-238 gần đây đã được công bố trên tạp chí Physical Review C. Thí nghiệm đã đo phổ neutron phân hạch tức thời của uranium-238: năng lượng của các neutron gây phân hạch—các neutron va vào hạt nhân và tách nó ra xa nhau—và khả năng phân bố năng lượng rộng (phổ) của các neutron được giải phóng. Trọng tâm của thí nghiệm Chi-Nu là phản ứng phân hạch "nhanh do neutron gây ra", trong đó các neutron tới có năng lượng lên tới hàng triệu volt điện tử và các phép đo nói chung rất thưa thớt.

Nhà vật lý Keegan Kelly đã lắp đặt một mục tiêu đếm phân hạch cho thí nghiệm Chi-Nu, mục tiêu này chứa khoảng 100 miligam Actinide liên quan. Thiết bị này bao gồm 54 máy dò neutron nhấp nháy lỏng và 22 máy dò thủy tinh lithium để đo neutron ở các dải năng lượng khác nhau. Nguồn: Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos

Dữ liệu quan trọng từ nghiên cứu liên quan đến phân hạch

Cùng với các phép đo tương tự được thực hiện trên uranium-235 và plutonium-239, kết quả của thí nghiệm Chi-Nu trong nhiều trường hợp là nguồn chính dữ liệu thực nghiệm hướng dẫn đánh giá hiện đại về phổ neutron phân hạch thoáng qua. Những dữ liệu này cung cấp cơ sở cho các mô hình hạt nhân, tính toán Monte Carlo, tính toán hiệu suất lò phản ứng, v.v.

Actinide và các phản ứng dây chuyền có thể có của chúng rất quan trọng đối với vũ khí hạt nhân và lò phản ứng năng lượng. (Các Actinide đề cập đến 15 nguyên tố có số nguyên tử từ 89 đến 103. Chúng đều có tính phóng xạ.) Khi một hạt nhân phân hạch hoặc phân tách, một số neutron được giải phóng, có thể gây ra sự phân hạch của các hạt nhân lân cận, dẫn đến phản ứng dây chuyền. Xác suất xảy ra các phản ứng tiếp theo trong phản ứng dây chuyền phụ thuộc vào năng lượng của neutron phân hạch.

LANSCE Quy trình thí nghiệm

Thí nghiệm Chi-Nu, được thực hiện tại Cơ sở nghiên cứu neutron vũ khí tại Trung tâm khoa học neutron Los Alamos (LANSCE), dựa vào thiết bị đo chính xác để kiểm tra nhiều dải năng lượng. Chùm proton LANSCE chạm vào mục tiêu vonfram và các neutron được tạo ra bay dọc theo đường bay về phía thiết bị Chi-Nu. Khi các neutron này chạm vào đồng vị uranium-238, một sự kiện phân hạch xảy ra, trong đó hạt nhân uranium-238 tách ra và được ghi lại. Tùy thuộc vào phạm vi năng lượng của thí nghiệm, các neutron phát ra từ sự kiện phân hạch sau đó được đo trong một dãy máy dò nhấp nháy lỏng hoặc máy dò thủy tinh lithium, cả hai đều ghi lại tia sáng mà neutron gây ra bên trong máy dò.

Các ứng dụng trong tương lai

Các nhà nghiên cứu tiếp tục phác thảo bức tranh toàn cảnh về đồng vị Actinide. Trong công trình lân cận do Chương trình An toàn và Quan trọng Hạt nhân tài trợ, nhóm Thí nghiệm Chi-Nu hiện đang thu thập và phân tích dữ liệu về plutonium-240 và uranium-233.

Với công việc đo lường của Văn phòng Khoa học Thực nghiệm hiện đã hoàn tất, nhóm nghiên cứu đang tìm cách áp dụng các kỹ năng và phương pháp thu được từ các phép đo neutron phân hạch vào các phép đo một loạt các đồng vị khác. Họ cũng đang tiến tới việc đo số neutron phát ra từ phản ứng tán xạ neutron. Trong những phản ứng này, neutron đi qua vật liệu, tích tụ năng lượng khi chúng đi qua. Cùng với việc đo năng lượng và quang phổ góc của neutron và tia gamma phát ra, xác suất xảy ra phản ứng cũng được đo, thường được gọi là tiết diện tán xạ neutron.