2025年核工程與核技術(shù)專業(yè)考試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種核反應(yīng)釋放能量的效率最高？A.鈾-235的自發(fā)裂變B.氘-氚的核聚變C.钚-239的誘發(fā)裂變D.鈷-60的β衰變答案：B解析：核聚變的質(zhì)量虧損率（約0.7%）高于核裂變（約0.1%），因此單位質(zhì)量釋放能量更高。2.壓水堆（PWR）中，控制棒的主要材料是？A.鎘（Cd）或硼（B）B.鋯（Zr）C.不銹鋼D.石墨答案：A解析：控制棒需高效吸收熱中子，鎘和硼的熱中子吸收截面大（鎘約2450靶恩，硼-10約3837靶恩），是常用材料。3.核反應(yīng)堆中，“多普勒展寬”現(xiàn)象主要影響哪種反應(yīng)截面？A.裂變截面（σ_f）B.彈性散射截面（σ_s）C.輻射俘獲截面（σ_γ）D.非彈性散射截面（σ_in）答案：A解析：多普勒展寬是因核燃料溫度升高導(dǎo)致靶核熱運(yùn)動(dòng)加劇，使共振吸收峰展寬，主要影響鈾-238等核素的共振吸收截面，間接影響有效裂變截面。4.下列哪種輻射的外照射防護(hù)需重點(diǎn)考慮“屏蔽厚度與能量平方成正比”的規(guī)律？A.α射線B.β射線C.γ射線D.中子答案：C解析：γ射線的屏蔽遵循指數(shù)衰減規(guī)律（I=I?e^(-μx)），其中線性衰減系數(shù)μ與γ光子能量相關(guān)，高能量γ需更厚屏蔽（如鉛或混凝土）。5.核燃料循環(huán)中，“后處理”的主要目的是？A.提取未燃盡的鈾和钚B.降低核燃料富集度C.處理放射性廢氣D.生產(chǎn)新的易裂變核素答案：A解析：后處理通過化學(xué)方法（如PUREX流程）分離乏燃料中的鈾（U）、钚（Pu）和裂變產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)鈾钚再利用，減少高放廢物量。6.高溫氣冷堆（HTGR）的冷卻劑是？A.輕水（H?O）B.重水（D?O）C.氦氣（He）D.液態(tài)鈉（Na）答案：C解析：高溫氣冷堆采用氦氣作為冷卻劑，具有化學(xué)惰性、高導(dǎo)熱性和耐高溫特性（出口溫度可達(dá)950℃以上）。7.下列哪項(xiàng)是核反應(yīng)堆“固有安全性”的典型特征？A.依靠主動(dòng)控制系統(tǒng)維持安全B.堆芯熔化后能自動(dòng)停止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C.需外部電源驅(qū)動(dòng)冷卻泵D.僅通過控制棒調(diào)節(jié)反應(yīng)性答案：B解析：固有安全性指反應(yīng)堆在事故工況下（如失電、斷流）無需人為干預(yù)，通過物理機(jī)制（如負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)、熱膨脹）自動(dòng)停堆并導(dǎo)出余熱。8.放射性核素的衰變常數(shù)λ與半衰期T?/?的關(guān)系為？A.λ=ln2/T?/?B.λ=T?/?/ln2C.λ=1/T?/?D.λ=ln(1/2)/T?/?答案：A解析：根據(jù)衰變定律N(t)=N?e^(-λt)，當(dāng)t=T?/?時(shí)N(T?/?)=N?/2，解得λ=ln2/T?/?。9.下列哪種堆型屬于第四代反應(yīng)堆技術(shù)？A.壓水堆（PWR）B.沸水堆（BWR）C.鈉冷快堆（SFR）D.重水堆（CANDU）答案：C解析：第四代反應(yīng)堆目標(biāo)包括更高安全性、資源利用率和廢物最少化，鈉冷快堆（SFR）是六大候選堆型之一（其他包括高溫氣冷堆、熔鹽堆等）。10.核電廠“縱深防御”原則的第一層防御是？A.事故緩解B.防止偏離正常運(yùn)行C.控制事故后果D.設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故應(yīng)對(duì)答案：B解析：縱深防御分為五層，第一層為“防止偏離正常運(yùn)行”（通過高質(zhì)量設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行避免異常工況）。二、填空題（每空1分，共20分）1.核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界條件是有效增殖因子k_eff=______。答案：12.壓水堆一回路的主要功能是______和______，其工作壓力通常約為______MPa。答案：導(dǎo)出堆芯熱量、慢化中子；15.53.輻射防護(hù)的三原則是______、______和______。答案：實(shí)踐正當(dāng)性、劑量限制、優(yōu)化防護(hù)4.快中子反應(yīng)堆（快堆）中，______（填“易裂變核素”或“可轉(zhuǎn)換核素”）通過吸收中子轉(zhuǎn)化為新的易裂變核素，實(shí)現(xiàn)核燃料增殖。答案：可轉(zhuǎn)換核素（如鈾-238轉(zhuǎn)化為钚-239）5.核反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)的核心參數(shù)包括______、______和______（任填三個(gè)）。答案：堆芯功率密度、冷卻劑流速、燃料包殼最高溫度6.氚（3H）的衰變類型是______，衰變產(chǎn)物為______（填元素符號(hào)）。答案：β?衰變；3He7.核安全法規(guī)中，“設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（DBA）”指______（需簡(jiǎn)要描述）。答案：核電廠設(shè)計(jì)中考慮的、預(yù)計(jì)發(fā)生概率較低但后果需控制在可接受范圍內(nèi)的事故（如主冷卻劑管道小破口失水事故）8.小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）的主要優(yōu)勢(shì)包括______、______和______（任填三個(gè)）。答案：模塊化制造降低成本、靈活部署、固有安全性高三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述多普勒效應(yīng)（DopplerEffect）在壓水堆中的安全意義。答案：多普勒效應(yīng)指核燃料溫度升高時(shí)，鈾-238等核素的共振吸收截面因靶核熱運(yùn)動(dòng)加劇而展寬，導(dǎo)致更多中子被共振吸收，反應(yīng)性下降。在壓水堆中，這一效應(yīng)提供了負(fù)的溫度反應(yīng)性系數(shù)（即溫度升高時(shí)k_eff降低）。當(dāng)堆芯因功率上升而溫度升高時(shí)，多普勒效應(yīng)自動(dòng)抑制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，防止超功率運(yùn)行，是重要的固有安全機(jī)制。2.對(duì)比壓水堆（PWR）與沸水堆（BWR）的熱工設(shè)計(jì)差異。答案：（1）冷卻劑流程：PWR一回路與二回路完全隔離（通過蒸汽發(fā)生器換熱），BWR冷卻劑直接在堆芯沸騰產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)；（2）壓力控制：PWR一回路壓力高（約15.5MPa），避免冷卻劑沸騰；BWR壓力較低（約7MPa），允許堆芯內(nèi)產(chǎn)生飽和蒸汽；（3）放射性控制：PWR二回路無放射性，BWR汽輪機(jī)回路接觸放射性冷卻劑，需額外輻射防護(hù)；（4）反應(yīng)性控制：PWR主要通過控制棒和硼濃度調(diào)節(jié)，BWR可通過調(diào)節(jié)冷卻劑流量（改變空泡份額）影響反應(yīng)性。3.說明核燃料元件包殼的作用及常用材料。答案：包殼的核心作用是：（1）物理隔離：防止裂變產(chǎn)物（如碘-131、銫-137）泄漏到冷卻劑中；（2）機(jī)械支撐：約束燃料芯塊，承受堆內(nèi)壓力和溫度梯度；（3）化學(xué)屏障：避免燃料與冷卻劑直接反應(yīng)（如鈾與水的腐蝕）。常用材料：壓水堆使用鋯-4合金（Zr-4，含1.5%錫、0.1%鐵、0.1%鉻），因鋯的熱中子吸收截面小（約0.18靶恩），且耐蝕性好；快堆因中子能量高，常用不銹鋼或鎳基合金（如HT-9）。4.解釋“放射性廢物分類”的依據(jù)及高放廢物（HLW）的處理策略。答案：分類依據(jù)：放射性比活度、半衰期、釋熱率。我國(guó)分為極長(zhǎng)壽命高放廢物（如錒系核素）、中放廢物（如反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料）和低放廢物（如勞保用品）。高放廢物處理策略：（1）固化：通過玻璃固化（將廢物與硼硅酸鹽玻璃熔融）或陶瓷固化（形成類似天然礦物的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)）降低溶出率；（2）深地質(zhì)處置：將固化體置于地下500-1000米的穩(wěn)定地質(zhì)層（如花崗巖、鹽巖），利用地質(zhì)屏障隔離數(shù)萬年；（3）嬗變（未來方向）：通過快堆或加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)（ADS）將長(zhǎng)壽命核素轉(zhuǎn)化為短壽命或穩(wěn)定核素。5.分析鈉冷快堆（SFR）的“增殖”特性及其對(duì)核資源利用的意義。答案：增殖特性：快堆中，可轉(zhuǎn)換核素鈾-238（占天然鈾99.3%）吸收快中子后經(jīng)β衰變生成易裂變核素钚-239（23?U(n,γ)→23?U→23?Np→23?Pu）。由于快堆中子能量高、無慢化劑，中子損失少，增殖比（新產(chǎn)生易裂變核素/消耗易裂變核素）可達(dá)1.2-1.4，即每消耗1個(gè)钚-239核，可生成1.2-1.4個(gè)新的易裂變核素。意義：天然鈾中僅0.7%是鈾-235，傳統(tǒng)熱堆只能利用約1%的鈾資源；快堆通過增殖可將鈾資源利用率提升至60%-70%，大幅延長(zhǎng)核燃料供應(yīng)，解決鈾資源短缺問題。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.已知鈾-235的熱中子裂變截面σ_f=582靶恩，熱中子通量Φ=2×1013cm?2·s?1，某壓水堆堆芯鈾-235密度N=0.04atoms·barn?1（1barn=10?2?cm2）。計(jì)算該堆芯的裂變率（單位：fissions·cm?3·s?1）及每秒每立方厘米釋放的能量（假設(shè)每次裂變釋放200MeV）。答案：（1）裂變率F=N·σ_f·ΦN=0.04atoms·barn?1=0.04×102?atoms·cm?2（因1barn=10?2?cm2，故1atoms·barn?1=102?atoms·cm?2）σ_f=582barn=582×10?2?cm2Φ=2×1013cm?2·s?1F=0.04×102?×582×10?2?×2×1013=0.04×582×2×1013=4.656×101?fissions·cm?3·s?1（2）能量釋放率P=F×200MeV·fission?11MeV=1.602×10?13JP=4.656×101?×200×1.602×10?13=4.656×200×1.602×101=4.656×3204≈14,960W·cm?3（即14.96kW·cm?3）2.某核設(shè)施產(chǎn)生能量為1MeV的γ射線，需用鉛（Pb）屏蔽至本底水平（1μSv·h?1）。已知鉛對(duì)1MeVγ的線性衰減系數(shù)μ=0.17cm?1，初始劑量率為10Sv·h?1，計(jì)算所需屏蔽厚度（結(jié)果保留兩位小數(shù)）。答案：根據(jù)γ射線衰減公式：I=I?e^(-μx)劑量率與γ強(qiáng)度成正比，故：1μSv·h?1=10Sv·h?1×e^(-0.17x)轉(zhuǎn)換單位：10Sv=10×10?μSv=10?μSv則：1=10?×e^(-0.17x)取自然對(duì)數(shù)：ln(1/10?)=-0.17x-16.118=-0.17x→x=16.118/0.17≈94.81cm五、綜合分析題（20分）結(jié)合福島核事故（2011年）的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，論述先進(jìn)壓水堆（如華龍一號(hào)、AP1000）在安全設(shè)計(jì)上的改進(jìn)措施。答案：福島核事故的直接原因是東日本大地震引發(fā)的海嘯摧毀了福島第一核電站的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致堆芯失去冷卻（全廠斷電，SBO），最終發(fā)生堆芯熔化和氫氣爆炸。事故暴露了傳統(tǒng)壓水堆在極端外部事件應(yīng)對(duì)、非能動(dòng)安全系統(tǒng)可靠性等方面的缺陷。先進(jìn)壓水堆針對(duì)以下方面進(jìn)行了改進(jìn)：1.非能動(dòng)安全系統(tǒng)：AP1000采用非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)（PRHRS），利用重力和自然循環(huán)導(dǎo)出堆芯余熱（無需泵、風(fēng)機(jī)等能動(dòng)設(shè)備）。例如，事故時(shí)，內(nèi)置換料水箱（IRWST）的水通過熱交換器冷卻一回路，蒸汽上升至安全殼頂部冷凝后回流，形成自然循環(huán)。華龍一號(hào)（HPR1000）也設(shè)計(jì)了類似的非能動(dòng)堆腔注水系統(tǒng)（PCCS），通過安全殼外冷卻水的蒸發(fā)和冷凝帶走熱量，無需外部電源。2.嚴(yán)重事故緩解措施：傳統(tǒng)壓水堆未充分考慮堆芯熔化后的應(yīng)對(duì)。先進(jìn)堆增加了“堆芯熔池冷卻”設(shè)計(jì)：如AP1000的“堆腔淹沒系統(tǒng)”，事故時(shí)向反應(yīng)堆壓力容器外注水，通過導(dǎo)熱將熔池?zé)崃繉?dǎo)出，防止壓力容器熔穿；華龍一號(hào)設(shè)置了熔融物滯留（IVR）結(jié)構(gòu)，通過堆腔注水冷卻壓力容器外表面，確保熔池被約束在容器內(nèi)，避免安全殼失效。3.外部事件防護(hù)能力提升：福島事故因海嘯超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（設(shè)計(jì)海嘯高度5.7m，實(shí)際達(dá)14-15m）導(dǎo)致應(yīng)急電源失效。先進(jìn)堆提高了外部事件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)：如華龍一號(hào)的防海嘯高度按極端海嘯（如5000年一遇）設(shè)計(jì)，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)、直流電源等關(guān)鍵設(shè)備布置在更高位置（如核島廠房+18m以上），并增加冗余（設(shè)置多組應(yīng)急電源）。4.氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制：福島事故中，鋯水反應(yīng)（Zr+2H?O→ZrO?+2H?）產(chǎn)生的氫氣在安全殼內(nèi)聚集并爆炸。先進(jìn)堆采用氫氣復(fù)合器（如AP1000的非能動(dòng)催化復(fù)合器），利用催化劑在常溫下將氫氣與氧氣反應(yīng)生成水，避免氫氣積聚；同時(shí)安全殼設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)（如華龍一號(hào)的鋼襯里+混凝土屏蔽），提高抗爆能力。5.數(shù)字化儀