核科學與技術(shù)基礎(chǔ)考試試卷及答案2025年考試時間：120分鐘總分：100分一、單項選擇題（每題2分，共10分）1.關(guān)于原子核的基本性質(zhì)，下列描述錯誤的是（）A.原子核的質(zhì)量數(shù)A等于質(zhì)子數(shù)Z與中子數(shù)N之和B.原子核的半徑與質(zhì)量數(shù)A的立方根成正比（經(jīng)驗公式R≈1.2×10?1?A1/3m）C.穩(wěn)定原子核的中子數(shù)N通常略大于質(zhì)子數(shù)Z（輕核區(qū)N≈Z，重核區(qū)N>Z）D.原子核的結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)A的增大呈單調(diào)遞增趨勢2.某放射性核素發(fā)生β?衰變后，生成核的（）A.質(zhì)子數(shù)增加1，質(zhì)量數(shù)不變B.質(zhì)子數(shù)減少1，質(zhì)量數(shù)減少1C.質(zhì)子數(shù)不變，質(zhì)量數(shù)減少2D.質(zhì)子數(shù)增加2，質(zhì)量數(shù)增加43.下列核反應中，屬于可控核聚變的典型反應是（）A.23?U+n→1?1Ba+?2Kr+3nB.2H+3H→?He+n+17.6MeVC.??Co→??Ni+β?+γD.1?B+n→?Li+α4.熱中子反應堆中，慢化劑的主要作用是（）A.吸收多余中子，控制反應速率B.將高能中子減速到熱中子能區(qū)（約0.025eV）C.傳遞反應堆核心的熱量至蒸汽發(fā)生器D.屏蔽反應堆產(chǎn)生的γ輻射5.根據(jù)輻射防護的ALARA原則，下列措施中不符合該原則的是（）A.縮短人員在輻射場中的停留時間B.盡量使用自動化設(shè)備代替人工操作C.在滿足實驗要求的前提下，增大與輻射源的距離D.為降低成本，使用厚度僅1mm的鉛板屏蔽100keV的X射線二、填空題（每空1分，共10分）1.原子核的結(jié)合能計算公式為ΔE=（Δm）c2，其中Δm為________與________的質(zhì)量差。2.放射性衰變的指數(shù)規(guī)律公式為N(t)=N?e^(-λt)，其中λ稱為________，其與半衰期T?/?的關(guān)系為________。3.核力的主要特性包括短程性、飽和性和________（任填一種）。4.熱中子的最概然能量約為________eV，對應的中子速度約為________m/s（已知kT≈0.025eV，k為玻爾茲曼常數(shù)）。5.γ光子與物質(zhì)相互作用的三種主要方式為________、康普頓散射和________。三、簡答題（每題8分，共24分）1.簡述α衰變、β衰變和γ衰變的主要區(qū)別（從釋放粒子、質(zhì)量數(shù)變化、穿透能力三個方面說明）。2.壓水堆（PWR）中為何選擇輕水（H?O）同時作為慢化劑和冷卻劑？需結(jié)合輕水的慢化能力和冷卻特性分析。3.解釋“核反應截面”的物理意義，并說明宏觀截面與微觀截面的關(guān)系及單位差異。四、計算題（每題12分，共24分）1.已知23?U的半衰期為4.5×10?年，初始時刻（t=0）樣品中23?U的原子數(shù)為N?=1×102?個。（1）計算23?U的衰變常數(shù)λ（以年?1為單位）；（2）求經(jīng)過1.5×10?年后，剩余的23?U原子數(shù)N(t)；（3）若該樣品中同時含有23?U（半衰期7.04×10?年），初始原子數(shù)為N?'=1×102?個，判斷經(jīng)過1.5×10?年后，23?U是否幾乎衰變完畢（需通過計算說明）。（注：ln2≈0.693）2.某實驗堆的中子通量Φ=2×1013n·cm?2·s?1，堆內(nèi)某材料的微觀吸收截面σ?=500b（1b=10?2?cm2），材料的原子數(shù)密度N=4×1022cm?3。（1）計算該材料的宏觀吸收截面Σ?（單位：cm?1）；（2）求中子在該材料中的吸收反應率R?（單位：cm?3·s?1）；（3）若中子能量為0.025eV（熱中子），計算中子的速度v（已知中子質(zhì)量m?=1.675×10?2?kg，1eV=1.602×10?1?J）。五、綜合分析題（共32分）隨著核能在清潔能源領(lǐng)域的應用擴展，核反應堆的安全性設(shè)計成為關(guān)鍵。以壓水堆（PWR）為例，回答以下問題：（1）說明壓水堆的“慢化-反射層”系統(tǒng)如何影響中子的有效利用（8分）；（2）分析控制棒的材料選擇原則（需結(jié)合中子吸收截面、抗輻照性能、機械強度等因素，8分）；（3）解釋“負反應性溫度系數(shù)”的物理意義及其對反應堆安全的作用（8分）；（4）列舉三種壓水堆的典型安全防護措施，并簡述其工作原理（8分）。答案及解析一、單項選擇題1.D（結(jié)合能隨A增大先增后減，鐵元素附近達到峰值）2.A（β?衰變釋放電子，質(zhì)子數(shù)Z+1，質(zhì)量數(shù)A不變）3.B（氘氚聚變?yōu)榈湫涂煽睾司圩兎磻?.B（慢化劑通過彈性散射降低中子能量）5.D（1mm鉛板無法有效屏蔽100keVX射線，違反“合理可行盡量低”原則）二、填空題1.核子總質(zhì)量；原子核質(zhì)量2.衰變常數(shù)；λ=ln2/T?/?3.電荷無關(guān)性（或強相互作用）4.0.025；2200（v=√(2E/m?)≈2200m/s）5.光電效應；電子對效應三、簡答題1.區(qū)別如下：-釋放粒子：α衰變?yōu)楹ず耍?He2?），β衰變?yōu)殡娮樱é?）或正電子（β?），γ衰變?yōu)楣庾樱é茫?質(zhì)量數(shù)變化：α衰變質(zhì)量數(shù)A減4，β衰變A不變，γ衰變A不變。-穿透能力：α粒子最弱（空氣中僅幾厘米），β粒子中等（幾毫米鋁），γ光子最強（需幾厘米鉛或幾十厘米混凝土）。2.原因：-慢化能力：輕水中氫核（質(zhì)子）與中子質(zhì)量相近，彈性散射時能量轉(zhuǎn)移效率高（每次碰撞中子能量損失約64%），慢化劑溫度系數(shù)為負（溫度升高，慢化能力下降，反應性降低，利于安全）。-冷卻特性：輕水比熱容大（4.18kJ·kg?1·K?1）、導熱性好（0.6W·m?1·K?1），可高效傳遞堆芯熱量；且化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易分解。3.物理意義：核反應截面σ表示一個靶核與一個中子發(fā)生特定反應的概率，單位為靶恩（b，1b=10?2?cm2）。-宏觀截面Σ=Nσ（N為原子數(shù)密度），表示單位體積內(nèi)所有靶核對中子的反應概率，單位為cm?1。四、計算題1.（1）λ=ln2/T?/?≈0.693/(4.5×10?)≈1.54×10?1?年?1；（2）N(t)=N?e^(-λt)=1×102?×e^(-1.54×10?1?×1.5×10?)≈1×102?×e^(-0.231)≈7.94×1023個；（3）23?U的λ'=0.693/(7.04×10?)≈9.84×10?1?年?1，t=1.5×10?年時，N'(t)=N?'e^(-λ't)=1×102?×e^(-9.84×10?1?×1.5×10?)=1×102?×e^(-1.476)≈2.29×101?個（剩余約23%，未衰變完畢）。2.（1）Σ?=Nσ?=4×1022cm?3×500×10?2?cm2=20cm?1；（2）R?=ΦΣ?=2×1013n·cm?2·s?1×20cm?1=4×101?cm?3·s?1；（3）E=?m?v2→v=√(2E/m?)=√(2×0.025×1.602×10?1?/1.675×10?2?)≈2200m/s。五、綜合分析題（1）慢化-反射層作用：慢化劑（輕水）通過彈性散射將快中子（MeV級）減速至熱中子能區(qū)（0.025eV），提高23?U的熱中子裂變截面（約580b）；反射層（通常為含硼水或鈹）將泄漏出堆芯的中子反射回堆芯，減少中子損失，提高中子有效增殖系數(shù)k?ff。（2）控制棒材料選擇：-高中子吸收截面：如鎘（σ?≈2450b）、硼（1?B的σ?≈3840b）、鉿（σ?≈105b），確保高效吸收中子；-抗輻照性能：材料在中子輻照下不易腫脹、脆化（如鉿的輻照穩(wěn)定性優(yōu)于鎘）；-機械強度：需承受高溫（300℃）、高壓（15MPa）環(huán)境，常用不銹鋼包殼封裝吸收材料。（3）負反應性溫度系數(shù)：指堆芯溫度升高時，反應性（ρ=(k?ff-1)/k?ff）降低的特性。例如，輕水慢化劑溫度升高時，密度降低，慢化能力下降，熱中子減少，k?ff減小；同時燃料溫度升高時，多普勒展寬增大，共振吸收增加，有效裂變中子數(shù)減少。負溫度系數(shù)可自動抑制功率上升，防止超溫事