Experimental and Theoretical Investigation of Reflection Properties of Graphite, Water, Polyethylene and Lead for Thermal Neutrons

Azimkhani, Sara and Zolfagharpour, Farhad and Ziaie, Farhood and Saadati, Maghsoud (2018) Experimental and Theoretical Investigation of Reflection Properties of Graphite, Water, Polyethylene and Lead for Thermal Neutrons. Doctoral thesis, University of Mohaghegh Ardabili.

[img] Text
Sara Azimkhani.pdf

Download (321kB)
Official URL: http://www.uma.ac.ir

Abstract

The neutron transportation calculations have essential importance in nuclear technologies. One of the important elements of reactors and neutron therapy systems is reflector. A suitable reflector reduces the leakage of neutrons. Because of the reflection, neutron flux increases in the core. Therefore, a reflector indirectly helps to decrease the critical mass of the reactor core. It is essential to determine material type and optimal thickness of reflector for neutron systems. In this thesis, at first the thermal neutrons albedo coefficients of mono-material and bi-material reflectors have been obtained using the neutron diffusion equation for different thicknesses of water, polyethylene, lead and graphite reflectors and their combinations. Then, the position of detector, source, moderator and reflector have been simulated using MCNPX code. Neutron flux value, spectral shift and thermal neutrons reflection parameters have been obtained by considering different thickness of used reflectors using MCNPX code and suitable experimental geometry has been designed based on simulation results via MCNPX code. The measured equipment consist of a 241Am-Be neutron source (5.2 Ci), BF3 detector, cadmium as neutron absorber, water as neutron moderator, lead as shield, iron holder and different thicknesses of water, polyethylene, graphite and lead reflectors. Reflected thermal neutrons from the different thicknesses of mono-material and bi-material reflectors have been measured using BF3 detector. Then, albedo coefficient, reflection parameter and reflection cross section of thermal neutrons have been calculated for each of them. Finally, the results of these three steps have been compared with each other and by regarding thermal neutrons reflection coefficient and neutron spectral shift, the appropriate reflector and its optimum thickness have been assigned. The obtained results show that the maximum value of albedo coefficient is for polyethylene with 8 cm thickness. Also, the thermal neutrons reflection increases for bi-material reflectors when the thermal neutrons reflection coefficient of second material is higher than the first material which cause to improve the reflector efficiency.

Item Type: Thesis (Doctoral)
Persian Title: بررسي تجربي و نظری خواص بازتابندگی گرافيت، آب، پلي¬اتيلن و سرب برای نوترون¬هاي حرارتي
Persian Abstract: محاسبات ترابرد نوترون در فناوری¬های هسته¬ای از اهمیت بسزایی برخوردار است. یکی از بخش¬های مهم در رآکتورهای هسته‌ای و سامانه‌های نوترون‌درمانی، بازتابنده است. بکارگیری یک بازتابنده¬ی مناسب می¬تواند نقش مهمی در جلوگیری از فرار نوترون¬ها داشته باشد. نتیجه¬ی بازتاب، میزان شار نوترون در محل تابش¬دهی افزایش می¬یابد. بنابراین بازتابنده به طور غیر مستقیم به کاهش جرم بحرانی کمک می¬کند. تعیین جنس و برآورد ضخامت مناسب برای بازتابنده از اهمیت زیادی در سامانه‌های نوترونی برخوردار است. در این پایان¬نامه ابتدا با استفاده از معادله¬ی پخش نوترون، معادلات مربوط به ضریب آلبدوی بازتابنده¬های تک ماده¬ای و دو ماده¬ای در انرژی نوترون¬های حرارتی استخراج و ضرایب بازتاب نوترون برای ضخامت¬های مختلفی از آب، پلی¬اتیلن، سرب و گرافیت و ترکیب دو ماده¬ای آن¬ها محاسبه شد. در مرحله¬ی دوم، با استفاده از کد MCNPX هندسه¬ی مورد نظر شبیه¬سازی شده و موقعیت مناسب آشکارساز، چشمه، کندکننده و بازتابنده برآورد شده و با تغییر مواد و ضخامت بازتابنده¬های مورد استفاده، میزان شار نوترون، جابجایی طیفی و پارامترهای بازتاب نوترون¬های حرارتی با استفاده از این کد به دست آمد. با کمک نتایج شبیه¬سازی، هندسه¬ی مناسب برای آزمایش تجربی طراحی گردید. اجزای مورد استفاده شامل چشمه¬ی نوترونی Am – Be241 با اکتیویته¬ی Ci 2/5، آشکارساز 3BF، جاذب کادمیومی، کندکننده¬ی آب، حفاظ سربی، پایه¬ی آهنی و بازتابنده¬های آب، پلی¬اتیلن، گرافیت و سرب با ضخامت¬های مختلف است. میزان شار نوترون¬های حرارتی حاصل از چشمه¬ی Am – Be241 پس از بازتاب از ضخامت¬های مختلف بازتابنده¬ها¬ی تک ماده¬ای و دو ماده¬ای توسط آشکارساز 3BF اندازه¬گیری و ضریب آلبدو، پارامتر بازتاب و سطح مقطع¬ بازتاب نوترون¬های حرارتی برای هر کدام از آن¬ها به دست آمد. در نهایت نتایج حاصل از سه مرحله با یکدیگر مقایسه و با توجه به میزان ضریب بازتاب و جابجایی طیفی، ضخامت و ماده مناسب برای بازتابنده¬ی نوترون¬های حرارتی تعیین گردید. با توجه به نتایج به دست آمده، بیشترین ضریب آلبدو برای بازتابنده¬ی پلی¬اتیلن با ضخامت cm 8 به دست آمد. در بازتابنده¬ی دو ماده¬ای، در صورتی که ماده دوم دارای ضریب آلبدوی بیشتری باشد بهبود عملکرد بازتابنده حاصل می¬شود.
Supervisor:
SupervisorE-mail
Zolfagharpour, FarhadUNSPECIFIED
Ziaie, FarhoodUNSPECIFIED
Advisor:
AdvisorE-mail
Saadati, MaghsoudUNSPECIFIED
Subjects: Faculty of Basic Sciences > Department of Physics
Divisions > Faculty of Basic Sciences > Department of Physics
Divisions: Subjects > Faculty of Basic Sciences > Department of Physics
Faculty of Basic Sciences > Department of Physics
Date Deposited: 13 Dec 2018 09:42
Last Modified: 13 Dec 2018 09:42
URI: http://repository.uma.ac.ir/id/eprint/4301

Actions (login required)

View Item View Item