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IGNOU MPHE-026 Solved Question Paper PDF Download

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IGNOU MPHE-026 Solved Question Paper PDF

IGNOU Previous Year Solved Question Papers

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IGNOU MPHE-026 Previous Year Solved Question Paper in Hindi

Q1. (a) Calculate the density of nuclear matter with nucleon mass = 1.67 x 10 -24 g and R 0 = 1.24 fm. (b) How many grams of 12 C can produce 8.2 x 10 4 MJ energy, if 4 MeV of energy is produced when a 12 C atom is burnt ? Express your result in tons.

Ans.

(a) नाभिकीय पदार्थ के घनत्व की गणना

नाभिकीय पदार्थ का घनत्व (ρ) इसकी द्रव्यमान संख्या (A) पर निर्भर नहीं करता है, क्योंकि नाभिकीय त्रिज्या R = R 0 A 1/3 होती है, जहाँ R 0 एक स्थिरांक है।

एक नाभिक का द्रव्यमान ≈ A m n , जहाँ A द्रव्यमान संख्या है और m n एक न्यूक्लियॉन का द्रव्यमान है। एक नाभिक का आयतन V = (4/3)πR 3 = (4/3)π(R 0 A 1/3 ) 3 = (4/3)πR 0 3 A.

अतः, घनत्व (ρ) की गणना इस प्रकार की जा सकती है: ρ = द्रव्यमान / आयतन = (A m n ) / [(4/3)πR 0 3 A] = m n / [(4/3)πR 0 3 ]

दिए गए मान हैं: न्यूक्लियॉन द्रव्यमान (m n ) = 1.67 x 10 -24 g R 0 = 1.24 fm = 1.24 x 10 -13 cm (चूंकि 1 fm = 10 -13 cm)

इन मानों को सूत्र में रखने पर: ρ = (1.67 x 10 -24 g) / [(4/3)π (1.24 x 10 -13 cm) 3 ] ρ = (1.67 x 10 -24 g) / [(4/3) 3.14159 1.906624 x 10 -39 cm 3 ] ρ = (1.67 x 10 -24 g) / [7.986 x 10 -39 cm 3 ] ρ ≈ 2.09 x 10 14 g/cm 3

अतः, नाभिकीय पदार्थ का घनत्व लगभग 2.09 x 10 14 g/cm 3 है।

(b) आवश्यक 12 C के द्रव्यमान की गणना

पहले, हम सभी ऊर्जा मानों को जूल (J) की SI इकाई में परिवर्तित करते हैं। एक 12 C परमाणु के जलने से उत्पन्न ऊर्जा = 4 MeV = 4 x 10 6 eV = 4 x 10 6

(1.602 x 10 -19 J/eV) = 6.408 x 10 -13 J

कुल आवश्यक ऊर्जा = 8.2 x 10 4 MJ = 8.2 x 10 4 x 10 6 J = 8.2 x 10 10 J

अब, हम आवश्यक 12 C परमाणुओं की संख्या की गणना करते हैं: परमाणुओं की संख्या = कुल ऊर्जा / प्रति परमाणु ऊर्जा = (8.2 x 10 10 J) / (6.408 x 10 -13 J/परमाणु) ≈ 1.279 x 10 23 परमाणु

अब, हम 12 C के मोलों की संख्या ज्ञात करते हैं: मोलों की संख्या = परमाणुओं की संख्या / आवोगाद्रो संख्या (N A ) = (1.279 x 10 23 ) / (6.022 x 10 23 mol -1 ) ≈ 0.2124 मोल

12 C का मोलर द्रव्यमान 12 g/mol है। अतः, आवश्यक द्रव्यमान: द्रव्यमान = मोलों की संख्या मोलर द्रव्यमान = 0.2124 mol 12 g/mol ≈ 2.549 g

अंत में, हम इस द्रव्यमान को टन में व्यक्त करते हैं (1 टन = 1000 kg = 10 6 g): टन में द्रव्यमान = 2.549 g / (10 6 g/टन) = 2.549 x 10 -6 टन

अतः, आवश्यक 12 C का द्रव्यमान 2.549 ग्राम या 2.549 x 10 -6 टन है।

Q2. Establish the four factor formula : K ∞ = ηεpf for an infinite reactor. How this relation would be modified if the reactor is made only of 235 U or is made finite.

Ans.

चार कारक सूत्र (Four Factor Formula) की स्थापना

चार कारक सूत्र, K ∞ = ηεpf, एक अनंत आकार के रिएक्टर में न्यूट्रॉन गुणन चक्र का वर्णन करता है। यह एक पीढ़ी से अगली पीढ़ी तक न्यूट्रॉनों की संख्या के अनुपात को परिभाषित करता है। आइए एक पीढ़ी के जीवन चक्र का अनुसरण करके इसे स्थापित करें, जो ईंधन में N तापीय न्यूट्रॉनों के अवशोषण के साथ शुरू होता है।

1. पुनरुत्पादन कारक (η): ईंधन द्वारा अवशोषित प्रति तापीय न्यूट्रॉन से उत्पन्न विखंडन न्यूट्रॉनों की औसत संख्या। यदि ईंधन में तापीय न्यूट्रॉनों के लिए विखंडन और अवशोषण के मैक्रोस्कोपिक क्रॉस-सेक्शन क्रमशः Σ f fuel और Σ a fuel हैं, और प्रति विखंडन ν न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं, तो: η = ν (Σ f fuel / Σ a fuel ) N तापीय न्यूट्रॉनों के अवशोषण के बाद, उत्पन्न तीव्र न्यूट्रॉनों की संख्या = Nη.

2. तीव्र विखंडन कारक (ε): यह कारक 238 U जैसे विखंडनीय समस्थानिकों में तीव्र न्यूट्रॉनों (ऊर्जा > 1 MeV) के कारण होने वाले विखंडन को ध्यान में रखता है। यह इस प्रकार परिभाषित है: ε = (तापीय विखंडन से उत्पन्न तीव्र न्यूट्रॉनों + तीव्र विखंडन से उत्पन्न तीव्र न्यूट्रॉनों की कुल संख्या) / (तापीय विखंडन से उत्पन्न तीव्र न्यूट्रॉनों की संख्या) चूंकि तीव्र विखंडन अतिरिक्त न्यूट्रॉन उत्पन्न करता है, ε का मान 1 से थोड़ा अधिक होता है (आमतौर पर 1.02 से 1.04)। तीव्र विखंडन के बाद न्यूट्रॉनों की कुल संख्या = Nηε.

3. अनुनाद पलायन प्रायिकता (p): जब तीव्र न्यूट्रॉन मंद होते हैं, तो वे एक अनुनाद ऊर्जा क्षेत्र (resonance energy region) से गुजरते हैं जहाँ 238 U जैसे गैर-विखंडनीय पदार्थों द्वारा उनके पकड़े जाने (capture) की उच्च प्रायिकता होती है। ‘p’ वह प्रायिकता है कि एक न्यूट्रॉन अनुनाद पकड़ से बचकर तापीय ऊर्जा तक मंद हो जाएगा। तापीय ऊर्जा तक पहुंचने वाले न्यूट्रॉनों की संख्या = Nηεp.

4. तापीय उपयोग कारक (f): यह ईंधन में अवशोषित तापीय न्यूट्रॉनों का कुल अवशोषित तापीय न्यूट्रॉनों (ईंधन + मॉडरेटर + संरचनात्मक सामग्री) से अनुपात है। f = (ईंधन में अवशोषित तापीय न्यूट्रॉन) / (रिएक्टर में कुल अवशोषित तापीय न्यूट्रॉन) = Σ a fuel / Σ a total अगली पीढ़ी के लिए ईंधन में अवशोषित होने वाले तापीय न्यूट्रॉनों की संख्या = Nηεp f.

अनंत गुणन कारक, K ∞ , को एक पीढ़ी में उत्पन्न न्यूट्रॉनों और पिछली पीढ़ी में अवशोषित न्यूट्रॉनों के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है: K ∞ = (अगली पीढ़ी में अवशोषित तापीय न्यूट्रॉन) / (प्रारंभिक पीढ़ी में अवशोषित तापीय न्यूट्रॉन) K ∞ = (Nηεpf) / N K ∞ = ηεpf

केवल 235 U से बने रिएक्टर के लिए संशोधन: यदि रिएक्टर केवल शुद्ध 235 U से बना है, तो:

  • तीव्र विखंडन कारक (ε) ≈ 1: 238 U की अनुपस्थिति में, तीव्र विखंडन का कोई महत्वपूर्ण योगदान नहीं होता है।
  • अनुनाद पलायन प्रायिकता (p) ≈ 1: 235 U में 238 U की तुलना में बहुत छोटे अनुनाद अवशोषण शिखर होते हैं। इसलिए, मंद होने के दौरान लगभग सभी न्यूट्रॉन अनुनाद पकड़ से बच जाते हैं।

इस स्थिति में, सूत्र सरल हो जाता है: K ∞ ≈ ηf . चूँकि मॉडरेटर नहीं है, f=1 होगा (सभी अवशोषण ईंधन में होते हैं), इसलिए K ∞ ≈ η .

परिमित (Finite) रिएक्टर के लिए संशोधन: एक परिमित रिएक्टर में, न्यूट्रॉन सिस्टम की सीमाओं से बाहर निकल (leak) सकते हैं। चार कारक सूत्र केवल एक अनंत प्रणाली में न्यूट्रॉन चक्र का वर्णन करता है। परिमित रिएक्टर के लिए, हमें न्यूट्रॉन रिसाव के लिए जिम्मेदार होना चाहिए। यह प्रभावी गुणन कारक (K eff ) का उपयोग करके किया जाता है। K eff = K ∞ * P NL जहाँ P NL गैर-रिसाव प्रायिकता (non-leakage probability) है। इसे दो भागों में विभाजित किया जा सकता है:

  • P F : तीव्र न्यूट्रॉन के लिए गैर-रिसाव प्रायिकता (जब यह मंद हो रहा हो)।
  • P T : तापीय न्यूट्रॉन के लिए गैर-रिसाव प्रायिकता (अवशोषित होने से पहले)।

तो, P NL = P F P T . अतः, एक परिमित रिएक्टर के लिए संशोधित संबंध है: K eff = ηεpf P F * P T एक रिएक्टर को क्रांतिक (critical) होने के लिए K eff = 1 होना चाहिए।

Q3. (a) A 2.6 MeV neutron collides with hydrogen. Calculate the probability that the energy of neutron is within the energy range 0.63 and 0.75 MeV after collision. If a neutron loses 0.75 MeV in LAB system, what is the scattering angle in the CM system ? (b) On an average, the neutron loses half of its energy per collision with a target nucleus. How many elastic collisions are needed for a 2 MeV neutron to become a thermal neutron having an energy 0.4 eV?

Ans.

(a) हाइड्रोजन के साथ न्यूट्रॉन संघट्ट

भाग 1: ऊर्जा सीमा में होने की प्रायिकता जब एक न्यूट्रॉन एक लक्ष्य नाभिक के साथ प्रत्यास्थ रूप से संघट्ट करता है, तो संघट्ट के बाद इसकी ऊर्जा E’ प्रारंभिक ऊर्जा E के सापेक्ष एक सीमा में होती है: αE ≤ E’ ≤ E, जहाँ α = ((A-1)/(A+1)) 2 और A लक्ष्य नाभिक की द्रव्यमान संख्या है।

हाइड्रोजन के लिए, A = 1, इसलिए α = ((1-1)/(1+1)) 2 = 0. इसका मतलब है कि संघट्ट के बाद न्यूट्रॉन की ऊर्जा E’ 0 और प्रारंभिक ऊर्जा E के बीच समान रूप से वितरित होती है।

प्रायिकता घनत्व फलन (probability density function) p(E’) इस प्रकार है: p(E’) = 1/E, जब 0 ≤ E’ ≤ E p(E’) = 0, अन्यथा

दिया गया है: प्रारंभिक न्यूट्रॉन ऊर्जा (E) = 2.6 MeV ऊर्जा सीमा = 0.63 MeV से 0.75 MeV

इस ऊर्जा सीमा के भीतर न्यूट्रॉन के पाए जाने की प्रायिकता की गणना समाकलन द्वारा की जा सकती है: P(0.63 ≤ E’ ≤ 0.75) = ∫ 0.63 0.75 p(E’) dE’ = ∫ 0.63 0.75 (1/E) dE’ = (1/E) [E’] 0.63 0.75 = (1/2.6) (0.75 – 0.63) = 0.12 / 2.6 ≈ 0.04615

अतः, संघट्ट के बाद न्यूट्रॉन की ऊर्जा 0.63 और 0.75 MeV के बीच होने की प्रायिकता लगभग 0.0462 या 4.62% है ।

भाग 2: CM प्रणाली में प्रकीर्णन कोण यदि एक न्यूट्रॉन LAB प्रणाली में 0.75 MeV खो देता है, तो संघट्ट के बाद इसकी अंतिम ऊर्जा (E’) है: E’ = E – ऊर्जा हानि = 2.6 MeV – 0.75 MeV = 1.85 MeV

LAB ऊर्जा (E’) और CM (द्रव्यमान केंद्र) प्रकीर्णन कोण (θ c ) के बीच संबंध इस प्रकार है: E’ = (E/2) [(1 + α) + (1 – α)cos(θ c )] हाइड्रोजन (A=1, α=0) के लिए, यह सरल हो जाता है: E’ = (E/2) [1 + cos(θ c )]

मानों को रखने पर: 1.85 = (2.6 / 2) [1 + cos(θ c )] 1.85 = 1.3 (1 + cos(θ c )) 1 + cos(θ c ) = 1.85 / 1.3 ≈ 1.423 cos(θ c ) = 1.423 – 1 = 0.423 θ c = arccos(0.423) θ c ≈ 64.97°

अतः, CM प्रणाली में प्रकीर्णन कोण लगभग 65° है ।

(b) आवश्यक प्रत्यास्थ संघट्टों की संख्या

जब एक न्यूट्रॉन प्रति संघट्ट अपनी ऊर्जा का आधा हिस्सा औसतन खो देता है, तो n संघट्टों के बाद इसकी ऊर्जा (E n ) होगी: E n = E 0

(1/2) n जहाँ E 0 प्रारंभिक ऊर्जा है।

दिया गया है: प्रारंभिक ऊर्जा (E 0 ) = 2 MeV = 2 x 10 6 eV अंतिम तापीय ऊर्जा (E n ) = 0.4 eV

हम n का मान ज्ञात करना चाहते हैं: 0.4 = (2 x 10 6 ) (1/2) n (1/2) n = 0.4 / (2 x 10 6 ) = 0.2 x 10 -6 = 2 x 10 -7

दोनों पक्षों का लघुगणक (log) लेने पर: n log(1/2) = log(2 x 10 -7 ) -n log(2) = log(2) + log(10 -7 ) -n log(2) = log(2) – 7 log(10)

log 10 का उपयोग करने पर (log(2) ≈ 0.301): -n * (0.301) = 0.301 – 7 -0.301n = -6.699 n = 6.699 / 0.301 ≈ 22.25

चूंकि संघट्टों की संख्या एक पूर्णांक होनी चाहिए, हमें न्यूट्रॉन को वांछित ऊर्जा स्तर तक या उससे नीचे लाने के लिए अगले उच्च पूर्णांक तक पूर्णांकित करना होगा।

अतः, 2 MeV न्यूट्रॉन को 0.4 eV तापीय न्यूट्रॉन बनने के लिए 23 प्रत्यास्थ संघट्टों की आवश्यकता होती है।

Q4. (a) Derive an expression for the slowing down time for neutrons in a scattering medium. If 2 MeV neutrons are slowed down to 0.025 eV in graphite, obtain the corresponding time for slowing down. Take Σ s =0.385cm -1 , ξ=0.158 and m=1.67×10 -27 kg. (b) A neutron beam is incident on a stationary target of 19 F atoms. If the Q-value of the reaction 19 F(n, p) 19 O is -3.9 MeV, calculate the threshold energy of the reaction.

Ans.

(a) न्यूट्रॉन के लिए मंदन काल (Slowing Down Time)

व्यंजक की व्युत्पत्ति: मंदन काल (t s ) वह औसत समय है जो एक न्यूट्रॉन को प्रारंभिक उच्च ऊर्जा E 0 से अंतिम निम्न ऊर्जा E f तक मंद होने में लगता है।

दो क्रमिक संघट्टों के बीच का औसत समय dt = λ s / v होता है, जहाँ λ s = 1/Σ s प्रकीर्णन माध्य मुक्त पथ है और v न्यूट्रॉन का वेग है। एक संघट्ट में औसत लॉगरिदमिक ऊर्जा हानि ξ = -dE/E है, जहाँ dE ऊर्जा में परिवर्तन है। हम लिख सकते हैं dE = -ξE प्रति संघट्ट।

ऊर्जा dE से बदलने में लगने वाला समय dt है। एक संघट्ट में लगने वाला समय dt = λ s / v है। तो, ऊर्जा के संबंध में समय परिवर्तन की दर है: dt/dE = (समय प्रति संघट्ट) / (ऊर्जा हानि प्रति संघट्ट) = (λ s /v) / (ξE)

कुल मंदन काल t s को प्रारंभिक ऊर्जा E 0 से अंतिम ऊर्जा E f तक समाकलित करके प्राप्त किया जाता है: t s = ∫ E f E 0 (λ s / (ξEv)) dE

हम जानते हैं कि E = (1/2)mv 2 , इसलिए v = √(2E/m)। इसे सूत्र में प्रतिस्थापित करने पर: t s = ∫ E f E 0 [λ s / (ξE √(2E/m))] dE t s = (λ s / ξ) √(m/2) ∫ E f E 0 E -3/2 dE

समाकलन करने पर: ∫ E -3/2 dE = -2E -1/2

t s = (λ s / ξ) √(m/2) [-2E -1/2 ] E f E 0 t s = (2λ s / ξ) √(m/2) [E f -1/2 – E 0 -1/2 ]

चूंकि आमतौर पर E 0 >> E f , पद E 0 -1/2 नगण्य हो जाता है। t s ≈ (2λ s / ξ) √(m/2) (1/√E f ) चूंकि v f = √(2E f /m), इसे इस रूप में भी लिखा जा सकता है: t s ≈ 2λ s / (ξv f )

मंदन काल की गणना: दिए गए मान: E 0 = 2 MeV = 3.204 x 10 -13 J E f = 0.025 eV = 4.005 x 10 -21 J Σ s = 0.385 cm -1 ⇒ λ s = 1/Σ s = 1/0.385 cm ≈ 2.597 cm = 0.02597 m ξ = 0.158 m = 1.67 x 10 -27 kg

हम अधिक सटीक सूत्र का उपयोग करेंगे: t s = (2 0.02597 m / 0.158) √(1.67×10 -27 kg / 2) [1/√(4.005×10 -21 J) – 1/√(3.204×10 -13 J)]

t s ≈ 0.3287 √(8.35×10 -28 ) [1/(6.328×10 -11 ) – 1/(5.66×10 -7 )] t s ≈ 0.3287 (2.89×10 -14 ) [1.58×10 10 – 1.766×10 6 ]

चूंकि 1.58×10 10 >> 1.766×10 6 , हम सन्निकटन का उपयोग कर सकते हैं: t s ≈ 0.3287 (2.89×10 -14 ) (1.58×10 10 ) t s ≈ 1.50 x 10 -4 s

अतः, ग्रेफाइट में मंदन काल लगभग 1.50 x 10 -4 सेकंड या 0.15 मिलीसेकंड है।

(b) अभिक्रिया की देहली ऊर्जा (Threshold Energy)

अभिक्रिया 19 F(n, p) 19 O एक ऊष्माशोषी (endoergic) अभिक्रिया है क्योंकि इसका Q-मान ऋणात्मक है। ऐसी अभिक्रिया के लिए, आपतित कण (न्यूट्रॉन) के पास अभिक्रिया को संभव बनाने के लिए एक न्यूनतम गतिज ऊर्जा होनी चाहिए, जिसे देहली ऊर्जा (E th ) कहा जाता है।

देहली ऊर्जा की गणना निम्न सूत्र से की जाती है: E th = -Q (1 + m i / M T ) जहाँ: Q = अभिक्रिया का Q-मान = -3.9 MeV m i = आपतित कण का द्रव्यमान (न्यूट्रॉन, m n ≈ 1 amu) M T = लक्ष्य नाभिक का द्रव्यमान ( 19 F, M F ≈ 19 amu)

मानों को सूत्र में रखने पर: E th = -(-3.9 MeV) (1 + 1 / 19) E th = 3.9 MeV (20 / 19) E th = 3.9 MeV 1.05263 E th ≈ 4.105 MeV

अतः, अभिक्रिया के लिए देहली ऊर्जा लगभग 4.105 MeV है। इसका अर्थ है कि आपतित न्यूट्रॉन के पास इस अभिक्रिया को होने देने के लिए कम से कम 4.105 MeV की गतिज ऊर्जा होनी चाहिए।

Q5. (a) Using the method of spherical harmonics for a non-multiplying 1-D plane geometry, write the exact infinite coupled equations. Hence, for a large absorbing system, obtain equations under P 1 approximation. (b) Discuss briefly the different kinds of initial and boundary conditions which help to solve the transport equation.

Ans.

(a) गोलाकार हार्मोनिक्स विधि और P 1 सन्निकटन

अनंत युग्मित समीकरण: एक गैर-गुणन माध्यम में, 1-D समतल ज्यामिति के लिए, स्थिर-अवस्था बोल्ट्जमान परिवहन समीकरण (स्रोत और प्रकीर्णन को समदैशिक मानते हुए) है: μ (∂ψ(x, μ)/∂x) + Σ t ψ(x, μ) = (Σ s /2)∫ -1 1 ψ(x, μ’)dμ’ + S(x)/2 जहाँ ψ(x, μ) कोणीय न्यूट्रॉन फ्लक्स है, μ = cos(θ), Σ t कुल मैक्रोस्कोपिक क्रॉस-सेक्शन है, Σ s प्रकीर्णन क्रॉस-सेक्शन है, और S(x) समदैशिक स्रोत है।

गोलाकार हार्मोनिक्स विधि में, हम कोणीय फ्लक्स को लेजेंड्रे बहुपदों P l (μ) की एक श्रृंखला में विस्तारित करते हैं: ψ(x, μ) = Σ l=0 ∞ [(2l+1)/2] ψ l (x) P l (μ) जहाँ ψ l (x) फ्लक्स के l-वें क्षण हैं।

इस विस्तार को परिवहन समीकरण में प्रतिस्थापित करने और लेजेंड्रे बहुपदों के लिए पुनरावृत्ति संबंध का उपयोग करने पर: (2l+1)μP l (μ) = (l+1)P l+1 (μ) + lP l-1 (μ)

और P k (μ) से गुणा करके μ पर समाकलन करने पर, हमें क्षणों ψ l (x) के लिए सटीक अनंत युग्मित समीकरणों का एक सेट मिलता है: (l+1) (d/dx)ψ l+1 (x) + l (d/dx)ψ l-1 (x) + (2l+1)Σ t ψ l (x) = (2l+1)Σ s ψ 0 (x)δ l0 + (2l+1)S l (x) यह समीकरणों का एक अनंत पदानुक्रम है, जो l = 0, 1, 2, … के लिए मान्य है। δ l0 क्रोनकर डेल्टा है।

P 1 सन्निकटन के तहत समीकरण: P 1 सन्निकटन में, हम यह मानकर श्रृंखला को l=1 पर काट देते हैं कि ψ l = 0 for l ≥ 2। यह सन्निकटन एक बड़े, कमजोर अवशोषक माध्यम के लिए उपयुक्त है जहाँ फ्लक्स लगभग समदैशिक है।

l = 0 के लिए समीकरण सेट करना: (1)(d/dx)ψ 1 (x) + 0 + Σ t ψ 0 (x) = Σ s ψ 0 (x) + S 0 (x) ⇒ (d/dx)ψ 1 (x) + (Σ t – Σ s )ψ 0 (x) = S 0 (x) चूंकि Σ a = Σ t – Σ s , हमें मिलता है: 1. (d/dx)ψ 1 (x) + Σ a ψ 0 (x) = S 0 (x)

l = 1 के लिए समीकरण सेट करना: (2)(d/dx)ψ 2 (x) + (1)(d/dx)ψ 0 (x) + 3Σ t ψ 1 (x) = 3S 1 (x) P 1 सन्निकटन (ψ 2 = 0) का उपयोग करते हुए: 2. (d/dx)ψ 0 (x) + 3Σ t ψ 1 (x) = 3S 1 (x)

ये दो समीकरण P 1 सन्निकटन का प्रतिनिधित्व करते हैं। ψ 0 (x) अदिश फ्लक्स Φ(x) है, और ψ 1 (x) न्यूट्रॉन धारा J(x) है। इन समीकरणों को मिलाकर प्रसिद्ध विसरण समीकरण (diffusion equation) प्राप्त किया जा सकता है।

(b) प्रारंभिक और सीमा शर्तें परिवहन समीकरण को हल करने के लिए, अद्वितीय समाधान प्राप्त करने हेतु प्रारंभिक और सीमा शर्तों को निर्दिष्ट करना आवश्यक है।

प्रारंभिक शर्त (Initial Condition): यह समय t=0 पर सिस्टम में न्यूट्रॉन वितरण को परिभाषित करती है। गणितीय रूप से, इसे इस प्रकार लिखा जाता है: ψ( r , E, Ω , 0) = f( r , E, Ω ) जहाँ f एक ज्ञात फलन है जो प्रारंभिक न्यूट्रॉन फ्लक्स का वर्णन करता है।

सीमा शर्तें (Boundary Conditions): ये शर्तें सिस्टम की भौतिक सीमाओं पर न्यूट्रॉन फ्लक्स के व्यवहार को निर्दिष्ट करती हैं। कुछ सामान्य प्रकार हैं:

  • निर्वात सीमा शर्त (Vacuum Boundary Condition): यह बताती है कि निर्वात से कोई न्यूट्रॉन सिस्टम में प्रवेश नहीं करता है। यदि n सतह पर बाहर की ओर सामान्य सदिश है, तो: ψ( r s , E, Ω ) = 0, सभी Ω के लिए जहाँ Ω · n < 0 जहाँ r s सतह पर एक बिंदु है। यह एक सटीक शर्त है।
  • अंतरापृष्ठ शर्त (Interface Condition): दो अलग-अलग मीडिया के बीच अंतरापृष्ठ पर, कोणीय फ्लक्स सभी दिशाओं के लिए निरंतर होना चाहिए। ψ 1 ( r s , E, Ω ) = ψ 2 ( r s , E, Ω )
  • परावर्तक सीमा शर्त (Reflective Boundary Condition): यदि सिस्टम में समरूपता का एक तल है, तो एक दिशा में निकलने वाले न्यूट्रॉनों का फ्लक्स विपरीत दिशा में सममित बिंदु से प्रवेश करने वाले फ्लक्स के बराबर होता है। ψ( r s , E, Ω ) = ψ( r s , E, Ω’ ), जहाँ Ω’ , Ω का परावर्तन है।
  • बहिर्वेशित सीमा शर्त (Extrapolated Boundary Condition): यह विसरण सिद्धांत में प्रयुक्त एक अनुमानित शर्त है। यह मानती है कि अदिश फ्लक्स भौतिक सीमा से परे एक “बहिर्वेशित दूरी” (extrapolated distance ‘d’) पर शून्य हो जाता है। Φ(R + d) = 0, जहाँ R भौतिक सीमा है।

Q6. (a) Write down the transport equation for a non-multiplying system. Obtain 1-D equation for a homogeneous moderating infinite slab. (b) State Fick’s law. Write its mathematical expression. Discuss its importance in neutron transport.

Ans.

(a) परिवहन समीकरण

एक गैर-गुणन प्रणाली के लिए परिवहन समीकरण: बोल्ट्जमान परिवहन समीकरण एक दिए गए फेज स्पेस वॉल्यूम तत्व में न्यूट्रॉनों के लिए एक संतुलन समीकरण है। एक गैर-गुणन (non-multiplying) प्रणाली के लिए, जहाँ कोई विखंडन नहीं होता है, समय-निर्भर समीकरण को कोणीय न्यूट्रॉन फ्लक्स ψ( r , E, Ω , t) के संदर्भ में लिखा जा सकता है:

(1/v) (∂ψ/∂t) + Ω·∇ψ + Σ t (r, E)ψ = ∫ 0 ∞ dE’ ∫ 4π dΩ’ Σ s (r, E’→E, Ω’→Ω)ψ(r, E’, Ω’, t) + S(r, E, Ω, t)

इस समीकरण में प्रत्येक पद का एक भौतिक अर्थ है:

  • (1/v) (∂ψ/∂t): समय के साथ कोणीय फ्लक्स में परिवर्तन की दर।
  • Ω·∇ψ: दिशा Ω में न्यूट्रॉनों के प्रवाह के कारण होने वाला शुद्ध रिसाव (leakage)।
  • Σ t (r, E)ψ: संघट्टों (अवशोषण या प्रकीर्णन) के कारण फ्लक्स से न्यूट्रॉनों की हानि।
  • ∫∫ Σ s (…)ψ(…) dE’ dΩ’: ऊर्जा E’ और दिशा Ω’ से ऊर्जा E और दिशा Ω में प्रकीर्णन के माध्यम से न्यूट्रॉनों का लाभ।
  • S(r, E, Ω, t): बाहरी स्रोतों से न्यूट्रॉनों के उत्पादन की दर।

एक सजातीय मंदक अनंत स्लैब के लिए 1-D समीकरण:

हम निम्नलिखित सरलीकरण करते हैं: 1. स्थिर-अवस्था (Steady State): समय के साथ कोई परिवर्तन नहीं, इसलिए (∂ψ/∂t) = 0। 2. अनंत स्लैब (Infinite Slab): फ्लक्स केवल एक दिशा, मान लीजिए x-अक्ष, के साथ बदलता है। इसलिए, ∇ψ → (∂ψ/∂x) i । 3. 1-D ज्यामिति: Ω·∇ψ → μ(∂ψ/∂x), जहाँ μ = cos(θ) और θ, x-अक्ष के साथ बना कोण है। 4. सजातीय (Homogeneous): क्रॉस-सेक्शन (Σ t , Σ s ) स्थिति पर निर्भर नहीं करते हैं। 5. मंदक (Moderating): हम प्रकीर्णन पद को बनाए रखते हैं।

इन शर्तों के तहत, समीकरण बन जाता है: μ (∂ψ(x, E, μ)/∂x) + Σ t (E)ψ(x, E, μ) = ∫ 0 ∞ dE’ ∫ -1 1 dμ’ Σ s (E’→E, μ’→μ)ψ(x, E’, μ’) + S(x, E, μ)

यदि हम आगे यह मान लें कि प्रकीर्णन प्रयोगशाला फ्रेम में समदैशिक (isotropic) है (एक सामान्य सन्निकटन), तो Σ s (E’→E, μ’→μ) = Σ s (E’→E) / 2। समीकरण और सरल हो जाता है: μ (∂ψ(x, E, μ)/∂x) + Σ t (E)ψ(x, E, μ) = (1/2) ∫ 0 ∞ dE’ Σ s (E’→E) ∫ -1 1 dμ’ ψ(x, E’, μ’) + S(x, E, μ) यह एक सजातीय मंदक अनंत स्लैब के लिए 1-D परिवहन समीकरण है।

(b) फिक का नियम (Fick’s Law)

कथन: फिक का नियम कहता है कि एक सतह के पार कणों (जैसे न्यूट्रॉन) का शुद्ध विसरण (diffusion) उस सतह के पार सांद्रता प्रवणता (concentration gradient) के समानुपाती होता है। सरल शब्दों में, कण उच्च सांद्रता वाले क्षेत्र से कम सांद्रता वाले क्षेत्र की ओर जाते हैं।

गणितीय व्यंजक: न्यूट्रॉन परिवहन के संदर्भ में, फिक के नियम को इस प्रकार लिखा जाता है: J(r) = -D ∇Φ(r) जहाँ:

  • J(r): न्यूट्रॉन धारा घनत्व सदिश (neutrons/cm²-s) है, जो न्यूट्रॉनों के शुद्ध प्रवाह की दिशा और परिमाण का प्रतिनिधित्व करता है।
  • Φ(r): अदिश न्यूट्रॉन फ्लक्स (neutrons/cm²-s) है, जो न्यूट्रॉन “सांद्रता” का एक माप है।
  • ∇Φ(r): अदिश फ्लक्स की प्रवणता है, जो उस दिशा को इंगित करती है जिसमें फ्लक्स सबसे तेजी से बढ़ता है।
  • D: विसरण गुणांक (diffusion coefficient) (cm में) है, जो माध्यम की एक संपत्ति है जो यह बताती है कि न्यूट्रॉन कितनी आसानी से इसमें फैलते हैं।
  • ऋणात्मक चिह्न इंगित करता है कि शुद्ध प्रवाह प्रवणता के नीचे, यानी उच्च फ्लक्स से निम्न फ्लक्स की ओर होता है।

न्यूट्रॉन परिवहन में महत्व: फिक का नियम विसरण सिद्धांत (diffusion theory) का आधार है, जो अधिक जटिल परिवहन सिद्धांत का एक व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला सन्निकटन है। इसका महत्व इस प्रकार है: 1. सरलीकरण: यह न्यूट्रॉन संतुलन समीकरण को बहुत सरल करता है। निरंतरता समीकरण में रिसाव पद ∇· J , ∇·(-D∇Φ) = -D∇ 2 Φ (स्थिर D के लिए) बन जाता है। 2. समाधान में आसानी: यह जटिल समाकल-अवकल (integro-differential) परिवहन समीकरण को एक बहुत सरल आंशिक अवकल समीकरण (partial differential equation) – विसरण समीकरण – में बदल देता है। यह समीकरण गणितीय रूप से हल करने में बहुत आसान है। 3. व्यावहारिक अनुप्रयोग: हालांकि यह एक सन्निकटन है (जो कमजोर अवशोषक मीडिया में, सीमाओं और स्रोतों से दूर सबसे अच्छा काम करता है), यह बड़े रिएक्टरों में समग्र न्यूट्रॉन संतुलन, क्रांतिकता गणना (criticality calculations) और फ्लक्स वितरण का अनुमान लगाने के लिए आश्चर्यजनक रूप से सटीक परिणाम प्रदान करता है। यह रिएक्टर भौतिकी में डिजाइन और विश्लेषण के लिए एक अनिवार्य उपकरण है।

Q7. Consider an infinite homogeneous moderating medium with a monoenergetic point source emitting S neutrons per second. Show that L² is equal to one-sixth the average of the square of the vector (crow-flight) distance that a neutron travels from the point where it is emitted to the point where it is finally absorbed.

Ans. हमें यह सिद्ध करना है कि L 2 = 2>/6 , जहाँ L तापीय विसरण लंबाई (thermal diffusion length) है और 2> एक न्यूट्रॉन द्वारा उत्सर्जन बिंदु से अवशोषण बिंदु तक तय की गई सीधी-रेखा दूरी (crow-flight distance) के वर्ग का औसत है।

हम एक अनंत, सजातीय माध्यम में मूल बिंदु (r=0) पर स्थित एक मोनोएनर्जेटिक बिंदु स्रोत (S न्यूट्रॉन/सेकंड) के लिए स्थिर-अवस्था तापीय न्यूट्रॉन विसरण समीकरण से शुरू करते हैं: D∇ 2 Φ( r ) – Σ a Φ( r ) + Sδ( r ) = 0 जहाँ D विसरण गुणांक है, Σ a मैक्रोस्कोपिक अवशोषण क्रॉस-सेक्शन है, Φ( r ) अदिश फ्लक्स है, और δ( r ) डिराक डेल्टा फलन है जो स्रोत को मूल बिंदु पर स्थानीयकृत करता है।

औसत वर्ग दूरी 2> को इस प्रकार परिभाषित किया गया है: 2> = [∫ V r 2

(अवशोषण दर प्रति इकाई आयतन) dV] / (कुल अवशोषण दर)

अवशोषण दर प्रति इकाई आयतन Σ a Φ( r ) है। एक अनंत माध्यम में, स्रोत से उत्सर्जित सभी न्यूट्रॉन अंततः अवशोषित हो जाते हैं, इसलिए कुल अवशोषण दर स्रोत की ताकत S के बराबर होती है। अतः, 2> = (1/S) ∫ V r 2 Σ a Φ( r ) dV

अब, हमें Φ( r ) के लिए विसरण समीकरण को हल करने की आवश्यकता है। गोलीय समरूपता के कारण, ∇ 2 Φ = (1/r 2 ) d/dr (r 2 dΦ/dr)। r > 0 के लिए, समीकरण है: D(1/r 2 ) d/dr (r 2 dΦ/dr) – Σ a Φ(r) = 0

इसे हल करने के लिए, हम u(r) = rΦ(r) प्रतिस्थापित करते हैं। समीकरण d 2 u/dr 2 – (Σ a /D)u = 0 में बदल जाता है। विसरण लंबाई L 2 = D/Σ a को परिभाषित करते हुए, हमारे पास है: d 2 u/dr 2 – (1/L 2 )u = 0

इस समीकरण का हल u(r) = Ae -r/L + Be r/L है। चूँकि फ्लक्स को r→∞ पर परिमित होना चाहिए, B=0 होना चाहिए। इसलिए, Φ(r) = (A/r)e -r/L ।

स्थिरांक A को स्रोत की स्थिति से निर्धारित किया जाता है। मूल विसरण समीकरण को मूल बिंदु के चारों ओर एक छोटे गोले पर समाकलित करने और गॉस के प्रमेय का उपयोग करने पर, हमें मिलता है: A = S / (4πD)। तो, फ्लक्स वितरण है: Φ(r) = [S / (4πDr)] e -r/L

अब हम इस फ्लक्स का उपयोग 2> की गणना के लिए करते हैं। गोलीय निर्देशांक में, dV = 4πr 2 dr। 2> = (Σ a /S) ∫ 0 ∞ r 2

[S / (4πDr)] e -r/L

(4πr 2 dr) 2> = (Σ a /D) ∫ 0 ∞ r 3 e -r/L dr

यह एक मानक गामा फलन समाकल है, ∫ 0 ∞ x n e -ax dx = n!/a n+1 । यहाँ, n=3 और a=1/L। ∫ 0 ∞ r 3 e -r/L dr = 3! / (1/L) 4 = 6L 4

इस परिणाम को 2> के व्यंजक में प्रतिस्थापित करने पर: 2> = (Σ a /D) (6L 4 )

चूंकि L 2 = D/Σ a , हमारे पास Σ a /D = 1/L 2 है। 2> = (1/L 2 ) * (6L 4 ) = 6L 2

अतः, हम पाते हैं: L 2 = 2>/6

यह दर्शाता है कि विसरण लंबाई का वर्ग, एक न्यूट्रॉन द्वारा अपने जन्म से अवशोषण तक तय की गई औसत वर्ग सीधी-रेखा दूरी के एक-छठे हिस्से के बराबर है।

Q8. Derive two-group diffusion equations for a critical homogeneous reactor for steady state case. Ignore the presence of delayed neutrons.

Ans. दो-समूह विसरण समीकरण (two-group diffusion equations) रिएक्टर में न्यूट्रॉन ऊर्जा स्पेक्ट्रम को दो ऊर्जा समूहों में विभाजित करके न्यूट्रॉन व्यवहार का वर्णन करते हैं: समूह 1 (तीव्र न्यूट्रॉन) और समूह 2 (तापीय न्यूट्रॉन)। हम एक क्रांतिक (critical), सजातीय (homogeneous) रिएक्टर के लिए स्थिर-अवस्था (steady state) के मामले पर विचार करेंगे, और विलंबित न्यूट्रॉनों (delayed neutrons) की उपस्थिति को अनदेखा करेंगे।

क्रांतिकता की स्थिति का मतलब है कि न्यूट्रॉन उत्पादन की दर न्यूट्रॉन हानि (अवशोषण और रिसाव) की दर के बराबर है, जिससे न्यूट्रॉन जनसंख्या स्थिर रहती है (∂Φ/∂t = 0)।

प्रत्येक समूह के लिए न्यूट्रॉन संतुलन समीकरण इस प्रकार लिखा जा सकता है: [उत्पादन] + [प्रकीर्णन से लाभ] = [अवशोषण] + [रिसाव] + [प्रकीर्णन से हानि]

समूह 1 (तीव्र न्यूट्रॉन) के लिए समीकरण:

  • उत्पादन: सभी विखंडन न्यूट्रॉन तीव्र समूह में पैदा होते हैं। उत्पादन दर तीव्र और तापीय दोनों विखंडन से होती है। चूंकि विलंबित न्यूट्रॉनों को अनदेखा किया जाता है, उत्पादन दर ν(Σ f1 Φ 1 + Σ f2 Φ 2 ) है, जहाँ ν प्रति विखंडन न्यूट्रॉनों की संख्या है, Σ f1 और Σ f2 क्रमशः समूह 1 और 2 में विखंडन क्रॉस-सेक्शन हैं, और Φ 1 , Φ 2 समूह फ्लक्स हैं।
  • हानि:
    • रिसाव (Leakage): फिक के नियम (J 1 = -D 1 ∇Φ 1 ) से, रिसाव दर ∇·J 1 = -D 1 ∇ 2 Φ 1 है।
    • अवशोषण (Absorption): तीव्र समूह में अवशोषण दर Σ a1 Φ 1 है।
    • प्रकीर्णन से हानि (Slowing Down): तीव्र न्यूट्रॉन समूह 2 में मंद होकर समूह 1 से हट जाते हैं। इस निष्कासन दर को Σ R1 Φ 1 के रूप में दर्शाया जाता है, जहाँ Σ R1 समूह 1 से निष्कासन क्रॉस-सेक्शन है।

तीव्र समूह के लिए संतुलन समीकरण है: ν(Σ f1 Φ 1 + Σ f2 Φ 2 ) = Σ a1 Φ 1 + Σ R1 Φ 1 – D 1 ∇ 2 Φ 1

पुनर्व्यवस्थित करने पर, हमें समूह 1 के लिए पहला दो-समूह समीकरण मिलता है: D 1 ∇ 2 Φ 1 – (Σ a1 + Σ R1 )Φ 1 + ν(Σ f1 Φ 1 + Σ f2 Φ 2 ) = 0

अक्सर, Σ a1 + Σ R1 को कुल निष्कासन क्रॉस-सेक्शन Σ 1 के रूप में लिखा जाता है। कई रिएक्टरों में, तीव्र विखंडन (Σ f1 ) नगण्य होता है, जो समीकरण को और सरल करता है।

समूह 2 (तापीय न्यूट्रॉन) के लिए समीकरण:

  • उत्पादन: तापीय समूह में कोई न्यूट्रॉन पैदा नहीं होता है। इस समूह के लिए स्रोत पद समूह 1 से मंद होने वाले न्यूट्रॉन हैं। यह स्रोत दर समूह 1 से निष्कासन दर के ठीक बराबर है, जो Σ R1 Φ 1 है।
  • हानि:
    • रिसाव (Leakage): रिसाव दर -D 2 ∇ 2 Φ 2 है।
    • अवशोषण (Absorption): तापीय समूह में अवशोषण दर Σ a2 Φ 2 है। इस पद में विखंडन और गैर-विखंडन दोनों प्रकार के कैप्चर शामिल हैं।

तापीय समूह के लिए संतुलन समीकरण है: Σ R1 Φ 1 = Σ a2 Φ 2 – D 2 ∇ 2 Φ 2

पुनर्व्यवस्थित करने पर, हमें समूह 2 के लिए दूसरा दो-समूह समीकरण मिलता है: D 2 ∇ 2 Φ 2 – Σ a2 Φ 2 + Σ R1 Φ 1 = 0

ये दो युग्मित अवकल समीकरण (coupled differential equations) एक स्थिर-अवस्था, क्रांतिक, सजातीय रिएक्टर के लिए दो-समूह विसरण मॉडल बनाते हैं। वे रिएक्टर में तीव्र और तापीय दोनों न्यूट्रॉन फ्लक्स के स्थानिक वितरण का वर्णन करते हैं।

IGNOU MPHE-026 Previous Year Solved Question Paper in English

Q1. (a) Calculate the density of nuclear matter with nucleon mass = 1.67 x 10 -24 g and R 0 = 1.24 fm. (b) How many grams of 12 C can produce 8.2 x 10 4 MJ energy, if 4 MeV of energy is produced when a 12 C atom is burnt ? Express your result in tons.

Ans. (a) Calculation of Nuclear Matter Density The density of nuclear matter (ρ) is approximately constant, independent of the mass number (A), because the nuclear radius is given by R = R 0 A 1/3 , where R 0 is a constant. The mass of a nucleus ≈ A m n , where A is the mass number and m n is the mass of a single nucleon. The volume of a nucleus V = (4/3)πR 3 = (4/3)π(R 0 A 1/3 ) 3 = (4/3)πR 0 3 A. Therefore, the density (ρ) can be calculated as: ρ = Mass / Volume = (A m n ) / [(4/3)πR 0 3 A] = m n / [(4/3)πR 0 3 ] The given values are: Nucleon mass (m n ) = 1.67 x 10 -24 g R 0 = 1.24 fm = 1.24 x 10 -13 cm (since 1 fm = 10 -13 cm) Substituting the values into the formula: ρ = (1.67 x 10 -24 g) / [(4/3)π (1.24 x 10 -13 cm) 3 ] ρ = (1.67 x 10 -24 g) / [(4/3) 3.14159 1.906624 x 10 -39 cm 3 ] ρ = (1.67 x 10 -24 g) / [7.986 x 10 -39 cm 3 ] ρ ≈ 2.09 x 10 14 g/cm 3 Thus, the density of nuclear matter is approximately 2.09 x 10 14 g/cm 3 . (b) Calculation of Mass of 12 C Required First, we convert all energy values to the SI unit of Joules (J). Energy produced per 12 C atom burnt = 4 MeV = 4 x 10 6 eV = 4 x 10 6 (1.602 x 10 -19 J/eV) = 6.408 x 10 -13 J Total energy required = 8.2 x 10 4 MJ = 8.2 x 10 4 x 10 6 J = 8.2 x 10 10 J Next, we calculate the number of 12 C atoms needed: Number of atoms = Total Energy / Energy per atom = (8.2 x 10 10 J) / (6.408 x 10 -13 J/atom) ≈ 1.279 x 10 23 atoms Now, we find the number of moles of 12 C: Number of moles = Number of atoms / Avogadro’s Number (N A ) = (1.279 x 10 23 ) / (6.022 x 10 23 mol -1 ) ≈ 0.2124 moles The molar mass of 12 C is 12 g/mol. Therefore, the required mass is: Mass = Number of moles Molar mass = 0.2124 mol 12 g/mol ≈ 2.549 g Finally, we express this mass in tons (1 ton = 1000 kg = 10 6 g): Mass in tons = 2.549 g / (10 6 g/ton) = 2.549 x 10 -6 tons Thus, the required mass of 12 C is 2.549 grams or 2.549 x 10 -6 tons .

Q2. Establish the four factor formula : K ∞ = ηεpf for an infinite reactor. How this relation would be modified if the reactor is made only of 235 U or is made finite.

Ans. Establishment of the Four Factor Formula The four-factor formula, K ∞ = ηεpf, describes the neutron multiplication cycle in a reactor of infinite size. It defines the ratio of the number of neutrons in one generation to the number in the preceding generation. Let’s establish it by following the life cycle of one generation, starting with N thermal neutrons being absorbed in the fuel. 1. Reproduction Factor (η): The average number of fission neutrons produced per thermal neutron absorbed by the fuel. If Σ f fuel and Σ a fuel are the macroscopic cross sections for fission and absorption for thermal neutrons in the fuel, and ν neutrons are produced per fission, then: η = ν (Σ f fuel / Σ a fuel ) After the absorption of N thermal neutrons, the number of fast neutrons produced is = Nη. 2. Fast Fission Factor (ε): This factor accounts for the fission caused by fast neutrons (energy > 1 MeV) in fissile isotopes like 238 U. It is defined as: ε = (Total number of fast neutrons from thermal + fast fission) / (Number of fast neutrons from thermal fission) Since fast fission produces extra neutrons, the value of ε is slightly greater than 1 (typically 1.02 to 1.04). The total number of neutrons after fast fission = Nηε. 3. Resonance Escape Probability (p): As the fast neutrons slow down, they pass through a resonance energy region where they have a high probability of being captured by non-fissile materials like 238 U. ‘p’ is the probability that a neutron will escape this resonance capture and slow down to thermal energies. The number of neutrons reaching thermal energy = Nηεp. 4. Thermal Utilization Factor (f): This is the ratio of thermal neutrons absorbed in the fuel to the total thermal neutrons absorbed in the reactor (fuel + moderator + structural materials). f = (Thermal neutrons absorbed in fuel) / (Total thermal neutrons absorbed in reactor) = Σ a fuel / Σ a total The number of thermal neutrons that will be absorbed in the fuel for the next generation = Nηεp f. The infinite multiplication factor, K ∞ , is defined as the ratio of neutrons produced in one generation to the neutrons absorbed in the preceding generation: K ∞ = (Thermal neutrons absorbed in next generation) / (Thermal neutrons absorbed in initial generation) K ∞ = (Nηεpf) / N K ∞ = ηεpf Modification for a Reactor made only of 235 U: If the reactor is made of pure 235 U only, then:

  • Fast Fission Factor (ε) ≈ 1: In the absence of 238 U, there is no significant contribution from fast fission.
  • Resonance Escape Probability (p) ≈ 1: 235 U has very small resonance absorption peaks compared to 238 U. Therefore, nearly all neutrons escape resonance capture during slowdown.

In this case, the formula simplifies to:

K

∞

≈ ηf

. Since there is no moderator, f=1 (all absorptions are in fuel), so

K

∞

≈ η

.


Modification for a Finite Reactor:

In a finite reactor, neutrons can leak out of the system’s boundaries. The four-factor formula only describes the neutron cycle in an infinite system. For a finite reactor, we must account for neutron leakage. This is done using the

effective multiplication factor (K

eff

)

.

K

eff

= K

∞

* P

NL

Where P

NL

is the

non-leakage probability

. This can be split into two parts:

  • P F : The non-leakage probability for a fast neutron (while it is slowing down).
  • P T : The non-leakage probability for a thermal neutron (before it is absorbed).

So, P

NL

= P

F

P

T

.

Thus, the modified relation for a finite reactor is:


K

eff

= ηεpf

P

F

* P

T

For a reactor to be critical, K

eff

must equal 1.

Q3. (a) A 2.6 MeV neutron collides with hydrogen. Calculate the probability that the energy of neutron is within the energy range 0.63 and 0.75 MeV after collision. If a neutron loses 0.75 MeV in LAB system, what is the scattering angle in the CM system ? (b) On an average, the neutron loses half of its energy per collision with a target nucleus. How many elastic collisions are needed for a 2 MeV neutron to become a thermal neutron having an energy 0.4 eV?

Ans. (a) Neutron Collision with Hydrogen Part 1: Probability in Energy Range When a neutron collides elastically with a target nucleus, its energy E’ after the collision lies in a range relative to the initial energy E: αE ≤ E’ ≤ E, where α = ((A-1)/(A+1)) 2 and A is the mass number of the target nucleus. For hydrogen, A = 1, so α = ((1-1)/(1+1)) 2 = 0. This means the neutron’s energy E’ after collision is uniformly distributed between 0 and the initial energy E. The probability density function p(E’) is: p(E’) = 1/E, for 0 ≤ E’ ≤ E p(E’) = 0, otherwise Given: Initial neutron energy (E) = 2.6 MeV Energy range = 0.63 MeV to 0.75 MeV The probability of finding the neutron within this energy range is calculated by integration: P(0.63 ≤ E’ ≤ 0.75) = ∫ 0.63 0.75 p(E’) dE’ = ∫ 0.63 0.75 (1/E) dE’ = (1/E) [E’] 0.63 0.75 = (1/2.6) (0.75 – 0.63) = 0.12 / 2.6 ≈ 0.04615 Thus, the probability that the neutron’s energy is between 0.63 and 0.75 MeV after collision is approximately 0.0462 or 4.62% . Part 2: Scattering Angle in CM system If a neutron loses 0.75 MeV in the LAB system, its final energy (E’) after the collision is: E’ = E – energy loss = 2.6 MeV – 0.75 MeV = 1.85 MeV The relationship between the LAB energy (E’) and the CM (Center of Mass) scattering angle (θ c ) is given by: E’ = (E/2) [(1 + α) + (1 – α)cos(θ c )] For hydrogen (A=1, α=0), this simplifies to: E’ = (E/2) [1 + cos(θ c )] Substituting the values: 1.85 = (2.6 / 2) [1 + cos(θ c )] 1.85 = 1.3 (1 + cos(θ c )) 1 + cos(θ c ) = 1.85 / 1.3 ≈ 1.423 cos(θ c ) = 1.423 – 1 = 0.423 θ c = arccos(0.423) θ c ≈ 64.97° Therefore, the scattering angle in the CM system is approximately 65° . (b) Number of Elastic Collisions Required When a neutron loses, on average, half of its energy per collision, its energy (E n ) after n collisions will be: E n = E 0 (1/2) n where E 0 is the initial energy. Given: Initial energy (E 0 ) = 2 MeV = 2 x 10 6 eV Final thermal energy (E n ) = 0.4 eV We want to find n: 0.4 = (2 x 10 6 ) (1/2) n (1/2) n = 0.4 / (2 x 10 6 ) = 0.2 x 10 -6 = 2 x 10 -7 Taking the logarithm of both sides: n log(1/2) = log(2 x 10 -7 ) -n log(2) = log(2) + log(10 -7 ) -n log(2) = log(2) – 7 log(10) Using base-10 log (log(2) ≈ 0.301): -n * (0.301) = 0.301 – 7 -0.301n = -6.699 n = 6.699 / 0.301 ≈ 22.25 Since the number of collisions must be an integer, we must round up to the next higher integer to bring the neutron to or below the desired energy level. Therefore, 23 elastic collisions are needed for a 2 MeV neutron to become a 0.4 eV thermal neutron.

Q4. (a) Derive an expression for the slowing down time for neutrons in a scattering medium. If 2 MeV neutrons are slowed down to 0.025 eV in graphite, obtain the corresponding time for slowing down. Take Σ s =0.385cm -1 , ξ=0.158 and m=1.67×10 -27 kg. (b) A neutron beam is incident on a stationary target of 19 F atoms. If the Q-value of the reaction 19 F(n, p) 19 O is -3.9 MeV, calculate the threshold energy of the reaction.

Ans. (a) Slowing Down Time for Neutrons Derivation of the Expression: The slowing down time (t s ) is the average time it takes for a neutron to slow from an initial high energy E 0 to a final low energy E f . The average time between two successive collisions is dt = λ s / v, where λ s = 1/Σ s is the scattering mean free path and v is the neutron’s speed. The average logarithmic energy decrement per collision is ξ = -dE/E, so we can write dE = -ξE per collision. The time taken for the energy to change by dE is dt. The rate of time change with respect to energy is: dt/dE = (time per collision) / (energy loss per collision) = (λ s /v) / (ξE) The total slowing down time t s is obtained by integrating from the initial energy E 0 down to the final energy E f : t s = ∫ E f E 0 (λ s / (ξEv)) dE We know E = (1/2)mv 2 , so v = √(2E/m). Substituting this into the formula: t s = ∫ E f E 0 [λ s / (ξE √(2E/m))] dE t s = (λ s / ξ) √(m/2) ∫ E f E 0 E -3/2 dE Performing the integration: ∫ E -3/2 dE = -2E -1/2 t s = (λ s / ξ) √(m/2) [-2E -1/2 ] E f E 0 t s = (2λ s / ξ) √(m/2) [E f -1/2 – E 0 -1/2 ] Since E 0 >> E f usually, the term E 0 -1/2 becomes negligible. t s ≈ (2λ s / ξ) √(m/2) (1/√E f ) As v f = √(2E f /m), this can also be written as: t s ≈ 2λ s / (ξv f ) Calculation of Slowing Down Time: Given values: E 0 = 2 MeV = 3.204 x 10 -13 J E f = 0.025 eV = 4.005 x 10 -21 J Σ s = 0.385 cm -1 ⇒ λ s = 1/Σ s = 1/0.385 cm ≈ 2.597 cm = 0.02597 m ξ = 0.158 m = 1.67 x 10 -27 kg (This is the neutron mass) We will use the more exact formula: t s = (2 0.02597 m / 0.158) √(1.67×10 -27 kg / 2) [1/√(4.005×10 -21 J) – 1/√(3.204×10 -13 J)] t s ≈ 0.3287 √(8.35×10 -28 ) [1/(6.328×10 -11 ) – 1/(5.66×10 -7 )] t s ≈ 0.3287 (2.89×10 -14 ) [1.58×10 10 – 1.766×10 6 ] Since 1.58×10 10 >> 1.766×10 6 , the approximation holds: t s ≈ 0.3287 (2.89×10 -14 ) (1.58×10 10 ) t s ≈ 1.50 x 10 -4 s Thus, the slowing down time in graphite is approximately 1.50 x 10 -4 seconds or 0.15 milliseconds . (b) Threshold Energy of the Reaction The reaction 19 F(n, p) 19 O is an endoergic reaction because its Q-value is negative. For such a reaction to occur, the incident particle (neutron) must have a minimum kinetic energy, called the threshold energy (E th ), to make the reaction possible. The threshold energy is calculated by the formula: E th = -Q (1 + m i / M T ) Where: Q = Q-value of the reaction = -3.9 MeV m i = mass of incident particle (neutron, m n ≈ 1 amu) M T = mass of target nucleus ( 19 F, M F ≈ 19 amu) Plugging the values into the formula: E th = -(-3.9 MeV) (1 + 1 / 19) E th = 3.9 MeV (20 / 19) E th = 3.9 MeV 1.05263 E th ≈ 4.105 MeV Therefore, the threshold energy for the reaction is approximately 4.105 MeV . This means the incident neutron must have at least 4.105 MeV of kinetic energy for this reaction to take place.

Q5. (a) Using the method of spherical harmonics for a non-multiplying 1-D plane geometry, write the exact infinite coupled equations. Hence, for a large absorbing system, obtain equations under P 1 approximation. (b) Discuss briefly the different kinds of initial and boundary conditions which help to solve the transport equation.

Ans. (a) Spherical Harmonics Method and P 1 Approximation Exact Infinite Coupled Equations: For a non-multiplying medium in 1-D plane geometry, the steady-state Boltzmann transport equation (assuming isotropic scattering and source) is: μ (∂ψ(x, μ)/∂x) + Σ t ψ(x, μ) = (Σ s /2)∫ -1 1 ψ(x, μ’)dμ’ + S(x)/2 where ψ(x, μ) is the angular neutron flux, μ = cos(θ), Σ t is the total macroscopic cross section, Σ s is the scattering cross section, and S(x) is the isotropic source. In the spherical harmonics method, we expand the angular flux in a series of Legendre polynomials P l (μ): ψ(x, μ) = Σ l=0 ∞ [(2l+1)/2] ψ l (x) P l (μ) where ψ l (x) are the l-th moments of the flux. Substituting this expansion into the transport equation, using the recurrence relation for Legendre polynomials: (2l+1)μP l (μ) = (l+1)P l+1 (μ) + lP l-1 (μ) and multiplying by P k (μ) and integrating over μ, we obtain an exact infinite set of coupled equations for the moments ψ l (x): (l+1) (d/dx)ψ l+1 (x) + l (d/dx)ψ l-1 (x) + (2l+1)Σ t ψ l (x) = (2l+1)Σ s ψ 0 (x)δ l0 + (2l+1)S l (x) This is an infinite hierarchy of equations, valid for l = 0, 1, 2, … . δ l0 is the Kronecker delta. Equations under P 1 Approximation: In the P 1 approximation, we truncate the series at l=1, assuming that ψ l = 0 for l ≥ 2. This approximation is suitable for a large, weakly absorbing medium where the flux is nearly isotropic. Setting up the equations for l = 0: (1)(d/dx)ψ 1 (x) + 0 + Σ t ψ 0 (x) = Σ s ψ 0 (x) + S 0 (x) ⇒ (d/dx)ψ 1 (x) + (Σ t – Σ s )ψ 0 (x) = S 0 (x) Since Σ a = Σ t – Σ s , we get: 1. (d/dx)ψ 1 (x) + Σ a ψ 0 (x) = S 0 (x) Setting up the equations for l = 1: (2)(d/dx)ψ 2 (x) + (1)(d/dx)ψ 0 (x) + 3Σ t ψ 1 (x) = 3S 1 (x) Using the P 1 approximation (ψ 2 = 0): 2. (d/dx)ψ 0 (x) + 3Σ t ψ 1 (x) = 3S 1 (x) These two equations represent the P 1 approximation. ψ 0 (x) is the scalar flux Φ(x), and ψ 1 (x) is the neutron current J(x). These equations can be combined to yield the famous diffusion equation. (b) Initial and Boundary Conditions To solve the transport equation, specifying initial and boundary conditions is necessary to obtain a unique solution. Initial Condition: This defines the neutron distribution in the system at time t=0. Mathematically, it is written as: ψ( r , E, Ω , 0) = f( r , E, Ω ) where f is a known function describing the initial neutron flux. Boundary Conditions: These conditions specify the behavior of the neutron flux at the physical boundaries of the system. Some common types are:

  • Vacuum Boundary Condition: This states that no neutrons enter the system from a vacuum. If n is the outward normal vector to the surface, then: ψ( r s , E, Ω ) = 0, for all Ω such that Ω · n < 0 where r s is a point on the surface. This is an exact condition.
  • Interface Condition: At the interface between two different media, the angular flux must be continuous for all directions. ψ 1 ( r s , E, Ω ) = ψ 2 ( r s , E, Ω )
  • Reflective Boundary Condition: If the system has a plane of symmetry, the flux of neutrons leaving in one direction is equal to the flux entering from the symmetric point in the opposite direction. ψ( r s , E, Ω ) = ψ( r s , E, Ω’ ), where Ω’ is the reflection of Ω .
  • Extrapolated Boundary Condition: This is an approximate condition used in diffusion theory. It assumes that the scalar flux goes to zero at an “extrapolated distance” ‘d’ beyond the physical boundary. Φ(R + d) = 0, where R is the physical boundary.

Q6. (a) Write down the transport equation for a non-multiplying system. Obtain 1-D equation for a homogeneous moderating infinite slab. (b) State Fick’s law. Write its mathematical expression. Discuss its importance in neutron transport.

Ans. (a) The Transport Equation Transport Equation for a Non-multiplying System: The Boltzmann transport equation is a balance equation for neutrons in a given phase-space volume element. For a non-multiplying system, where there is no fission, the time-dependent equation can be written in terms of the angular neutron flux ψ( r , E, Ω , t): (1/v) (∂ψ/∂t) + Ω·∇ψ + Σ t (r, E)ψ = ∫ 0 ∞ dE’ ∫ 4π dΩ’ Σ s (r, E’→E, Ω’→Ω)ψ(r, E’, Ω’, t) + S(r, E, Ω, t) Each term in this equation has a physical meaning:

  • (1/v) (∂ψ/∂t): The rate of change of the angular flux in time.
  • Ω·∇ψ: The net leakage of neutrons out of the volume element due to streaming in direction Ω .
  • Σ t (r, E)ψ: The loss of neutrons from the flux due to collisions (absorption or scattering).
  • ∫∫ Σ s (…)ψ(…) dE’ dΩ’: The gain of neutrons into energy E and direction Ω via scattering from other energies E’ and directions Ω’.
  • S(r, E, Ω, t): The rate of production of neutrons from external sources.


1-D Equation for a Homogeneous Moderating Infinite Slab:

We make the following simplifications:

1.

Steady State:

No change with time, so (∂ψ/∂t) = 0.

2.

Infinite Slab:

The flux varies only along one direction, say the x-axis. Thus, ∇ψ → (∂ψ/∂x)

i

.

3.

1-D Geometry:

Ω·∇ψ

→ μ(∂ψ/∂x), where μ = cos(θ) and θ is the angle with the x-axis.

4.

Homogeneous:

The cross sections (Σ

t

, Σ

s

) do not depend on position.

5.

Moderating:

We retain the scattering term.

Under these conditions, the equation becomes:


μ (∂ψ(x, E, μ)/∂x) + Σ

t

(E)ψ(x, E, μ) = ∫

0

∞

dE’ ∫

-1

1

dμ’ Σ

s

(E’→E, μ’→μ)ψ(x, E’, μ’) + S(x, E, μ)

If we further assume that scattering is isotropic in the lab frame (a common approximation), then Σ

s

(E’→E, μ’→μ) = Σ

s

(E’→E) / 2. The equation simplifies to:


μ (∂ψ(x, E, μ)/∂x) + Σ

t

(E)ψ(x, E, μ) = (1/2) ∫

0

∞

dE’ Σ

s

(E’→E) ∫

-1

1

dμ’ ψ(x, E’, μ’) + S(x, E, μ)

This is the 1-D transport equation for a homogeneous moderating infinite slab.


(b) Fick’s Law

Statement:

Fick’s law states that the net diffusion of particles (e.g., neutrons) across a surface is proportional to the concentration gradient across that surface. In simple terms, particles move from a region of higher concentration to a region of lower concentration.


Mathematical Expression:

In the context of neutron transport, Fick’s law is written as:


J(r) = -D ∇Φ(r)

Where:

  • J(r): Is the net neutron current density vector (neutrons/cm²-s), representing the direction and magnitude of the net flow of neutrons.
  • Φ(r): Is the scalar neutron flux (neutrons/cm²-s), which is a measure of the neutron “concentration”.
  • ∇Φ(r): Is the gradient of the scalar flux, pointing in the direction in which the flux increases most rapidly.
  • D: Is the diffusion coefficient (in cm), a property of the medium that describes how easily neutrons spread through it.
  • The negative sign indicates that the net flow is down the gradient, i.e., from high flux to low flux.


Importance in Neutron Transport:

Fick’s law is the foundation of

diffusion theory

, which is a widely used approximation to the more complex transport theory. Its importance is as follows:

1.

Simplification:

It greatly simplifies the neutron balance equation. The leakage term ∇·

J

in the continuity equation becomes ∇·(-D∇Φ) = -D∇

2

Φ (for constant D).

2.

Ease of Solution:

It transforms the complex integro-differential transport equation into a much simpler partial differential equation—the diffusion equation. This equation is far easier to solve mathematically.

3.

Practical Application:

Although it is an approximation (working best in weakly absorbing media, far from boundaries and sources), it provides surprisingly accurate results for predicting the overall neutron balance, criticality calculations, and flux distribution in large reactors. It is an indispensable tool for design and analysis in reactor physics.

Q7. Consider an infinite homogeneous moderating medium with a monoenergetic point source emitting S neutrons per second. Show that L² is equal to one-sixth the average of the square of the vector (crow-flight) distance that a neutron travels from the point where it is emitted to the point where it is finally absorbed.

Ans. We need to prove that L 2 = 2>/6 , where L is the thermal diffusion length and 2> is the mean square of the straight-line (crow-flight) distance a neutron travels from its point of emission to its point of absorption. We start with the steady-state thermal neutron diffusion equation for a monoenergetic point source (S neutrons/sec) located at the origin (r=0) in an infinite, homogeneous medium: D∇ 2 Φ( r ) – Σ a Φ( r ) + Sδ( r ) = 0 where D is the diffusion coefficient, Σ a is the macroscopic absorption cross section, Φ( r ) is the scalar flux, and δ( r ) is the Dirac delta function localizing the source at the origin. The mean square distance 2> is defined as: 2> = [∫ V r 2 (absorption rate per unit volume) dV] / (Total absorption rate) The absorption rate per unit volume is Σ a Φ( r ). In an infinite medium, all neutrons emitted from the source are eventually absorbed, so the total absorption rate is equal to the source strength S. Thus, 2> = (1/S) ∫ V r 2 Σ a Φ( r ) dV Now, we need to solve the diffusion equation for Φ( r ). Due to spherical symmetry, ∇ 2 Φ = (1/r 2 ) d/dr (r 2 dΦ/dr). For r > 0, the equation is: D(1/r 2 ) d/dr (r 2 dΦ/dr) – Σ a Φ(r) = 0 To solve this, we substitute u(r) = rΦ(r). The equation transforms to d 2 u/dr 2 – (Σ a /D)u = 0. Defining the diffusion length L 2 = D/Σ a , we have: d 2 u/dr 2 – (1/L 2 )u = 0 The solution to this is u(r) = Ae -r/L + Be r/L . Since the flux must be finite as r→∞, B must be 0. Therefore, Φ(r) = (A/r)e -r/L . The constant A is determined from the source condition. Integrating the original diffusion equation over a small sphere around the origin and using Gauss’s theorem, we find: A = S / (4πD). So, the flux distribution is: Φ(r) = [S / (4πDr)] e -r/L We now use this flux to calculate 2>. In spherical coordinates, dV = 4πr 2 dr. 2> = (Σ a /S) ∫ 0 ∞ r 2 [S / (4πDr)] e -r/L (4πr 2 dr) 2> = (Σ a /D) ∫ 0 ∞ r 3 e -r/L dr This is a standard gamma function integral, ∫ 0 ∞ x n e -ax dx = n!/a n+1 . Here, n=3 and a=1/L. ∫ 0 ∞ r 3 e -r/L dr = 3! / (1/L) 4 = 6L 4 Substituting this result into the expression for 2>: 2> = (Σ a /D) (6L 4 ) Since L 2 = D/Σ a , we have Σ a /D = 1/L 2 . 2> = (1/L 2 ) * (6L 4 ) = 6L 2 Therefore, we find: L 2 = 2>/6 This shows that the square of the diffusion length is equal to one-sixth of the mean square crow-flight distance a neutron travels from its birth to its absorption.

Q8. Derive two-group diffusion equations for a critical homogeneous reactor for steady state case. Ignore the presence of delayed neutrons.

Ans. The two-group diffusion equations describe neutron behavior by dividing the neutron energy spectrum into two energy groups: Group 1 (fast neutrons) and Group 2 (thermal neutrons). We will consider the steady-state case for a critical, homogeneous reactor, and ignore the presence of delayed neutrons. The criticality condition means the rate of neutron production equals the rate of neutron loss (absorption and leakage), leading to a steady neutron population (∂Φ/∂t = 0). The neutron balance equation for each group can be written as: [Production] + [In-scattering] = [Absorption] + [Leakage] + [Out-scattering] Equation for Group 1 (Fast Neutrons):

  • Production: All fission neutrons are born in the fast group. The production rate is from both fast and thermal fissions. Since delayed neutrons are ignored, the production rate is ν(Σ f1 Φ 1 + Σ f2 Φ 2 ), where ν is neutrons per fission, Σ f1 and Σ f2 are fission cross sections in groups 1 and 2, and Φ 1 , Φ 2 are the group fluxes.
  • Losses:
    • Leakage: From Fick’s Law (J 1 = -D 1 ∇Φ 1 ), the leakage rate is ∇·J 1 = -D 1 ∇ 2 Φ 1 .
    • Absorption: The absorption rate in the fast group is Σ a1 Φ 1 .
    • Out-scattering (Slowing Down): Fast neutrons are removed from Group 1 by slowing down into Group 2. This removal rate is represented as Σ R1 Φ 1 , where Σ R1 is the removal cross section from Group 1.

The balance equation for the fast group is:

ν(Σ

f1

Φ

1

+ Σ

f2

Φ

2

) = Σ

a1

Φ

1

+ Σ

R1

Φ

1

– D

1

∇

2

Φ

1

Rearranging, we get the first two-group equation for Group 1:


D

1

∇

2

Φ

1

– (Σ

a1

+ Σ

R1

)Φ

1

+ ν(Σ

f1

Φ

1

+ Σ

f2

Φ

2

) = 0

Often, Σ

a1

+ Σ

R1

is written as Σ

1

, the total removal cross section. In many reactors, fast fission (Σ

f1

) is negligible, simplifying the equation further.


Equation for Group 2 (Thermal Neutrons):

  • Production (Source Term): No neutrons are born thermal. The source for this group is the neutrons slowing down from Group 1. This source rate is exactly the removal rate from Group 1, which is Σ R1 Φ 1 .
  • Losses:
    • Leakage: The leakage rate is -D 2 ∇ 2 Φ 2 .
    • Absorption: The absorption rate in the thermal group is Σ a2 Φ 2 . This term includes both fission and non-fission capture.

The balance equation for the thermal group is:

Σ

R1

Φ

1

= Σ

a2

Φ

2

– D

2

∇

2

Φ

2

Rearranging, we get the second two-group equation for Group 2:


D

2

∇

2

Φ

2

– Σ

a2

Φ

2

+ Σ

R1

Φ

1

= 0

These two coupled differential equations form the two-group diffusion model for a steady-state, critical, homogeneous reactor. They describe the spatial distribution of both fast and thermal neutron fluxes in the reactor.


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