2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——核反應(yīng)堆的熱力性能分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共15分。請將正確選項(xiàng)的字母填在括號內(nèi)）1.在壓水堆（PWR）中，一回路冷卻劑的主要功能是（）。A.引導(dǎo)核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)B.將堆芯產(chǎn)生的熱量傳遞到蒸汽發(fā)生器C.控制反應(yīng)堆的功率輸出D.吸收中子，慢化快中子2.與沸水堆（BWR）相比，壓水堆（PWR）的主要特點(diǎn)之一是（）。A.一回路冷卻劑在堆芯內(nèi)沸騰B.冷卻劑的出口溫度通常更高C.不需要蒸汽發(fā)生器D.對壓力容器的耐壓要求更高3.根據(jù)熱力學(xué)第一定律，核反應(yīng)堆熱力循環(huán)中，工質(zhì)在一個(gè)循環(huán)結(jié)束后，其（）的變化量為零。A.內(nèi)能B.焓C.熵D.功4.在核反應(yīng)堆的熱力分析中，反應(yīng)堆功率通常指（）。A.反應(yīng)堆輸出的電功率B.一回路冷卻劑帶出的熱功率C.蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽功率D.控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的機(jī)械功率5.當(dāng)核反應(yīng)堆的冷源溫度升高時(shí)，其熱效率通常會（）。A.升高B.降低C.不變D.無法確定二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）6.核反應(yīng)堆中，將快中子減速到熱中子的物質(zhì)稱為________。7.在核反應(yīng)堆的熱力循環(huán)中，蒸汽發(fā)生器（對于PWR）的作用是將一回路的熱量傳遞給________，并產(chǎn)生蒸汽。8.描述工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中吸收或釋放的熱量的物理量是________。9.熱力學(xué)第二定律指出，熱量不能自動地從________流向________。10.影響核反應(yīng)堆堆芯與冷卻劑之間傳熱的重要因素包括冷卻劑的種類、流速、溫度以及堆芯的結(jié)構(gòu)等。三、計(jì)算題（共35分）11.（10分）某壓水堆一回路，冷卻劑在堆芯入口的焓為3000kJ/kg，出口的焓為3200kJ/kg。假設(shè)冷卻劑在回路中的流動為穩(wěn)定流動，忽略動能和勢能變化，試計(jì)算每千克冷卻劑通過堆芯傳遞給二回路的熱量。12.（15分）一個(gè)簡化的朗肯循環(huán)（可近似用于分析蒸汽發(fā)生器的工作），工質(zhì)為水。已知蒸汽在進(jìn)入蒸汽發(fā)生器時(shí)的焓為2800kJ/kg，冷凝水在離開蒸汽發(fā)生器進(jìn)入冷凝器的焓為150kJ/kg。假設(shè)冷凝器中的冷卻水將冷凝水冷卻至30°C（可近似視為等溫放熱過程），冷卻水的平均比熱容為4.2kJ/(kg·°C)，每千克蒸汽冷凝時(shí)釋放的潛熱為2257kJ/kg。試估算該循環(huán)的朗肯效率（η=W_net/Q_in，其中W_net為循環(huán)凈功，Q_in為鍋爐吸收的熱量）。（提示：首先計(jì)算蒸汽在鍋爐中吸收的熱量Q_in，然后計(jì)算循環(huán)凈功W_net）。13.（10分）某核反應(yīng)堆，其熱效率為30%，需要輸出電功率為1000MW。試計(jì)算該反應(yīng)堆對應(yīng)的熱功率（熱源功率）是多少兆瓦？如果由于冷源溫度升高，熱效率下降到25%，為保持電功率輸出不變，反應(yīng)堆需要增加多少熱功率？四、簡答題（共30分）14.（10分）簡述壓水堆（PWR）一回路和二回路的主要區(qū)別。在一回路中，為什么冷卻劑需要加壓？15.（10分）什么是核反應(yīng)堆的熱功率密度？它在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中有何重要性？列舉一個(gè)可能影響熱功率密度的設(shè)計(jì)參數(shù)。16.（10分）分析一下，如果反應(yīng)堆的功率負(fù)荷增加（例如從50%增加到100%），對其熱力性能（至少包括熱效率、冷卻劑參數(shù)、傳熱特性等方面）可能產(chǎn)生哪些主要影響？試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.B5.B二、填空題6.慢化劑7.二回路冷卻劑（或冷卻水）8.焓9.熱的；冷的10.流速三、計(jì)算題11.解：根據(jù)穩(wěn)定流動能量方程（忽略動能和勢能變化），傳遞的熱量Q=ΔH=H_out-H_in。Q=3200kJ/kg-3000kJ/kg=200kJ/kg。每千克冷卻劑通過堆芯傳遞給二回路的熱量為200kJ/kg。12.解：(1)計(jì)算鍋爐吸收的熱量Q_in：Q_in=焓變（蒸汽進(jìn)入鍋爐）+冷凝釋放的潛熱Q_in=(2800kJ/kg-150kJ/kg)+2257kJ/kgQ_in=2650kJ/kg+2257kJ/kg=4907kJ/kg。(2)計(jì)算冷凝過程放出的熱量Q_out：Q_out=冷凝水焓+冷卻水帶走的熱量Q_out=150kJ/kg+(質(zhì)量流率×比熱容×溫度變化)假設(shè)冷卻水質(zhì)量流率等于蒸汽質(zhì)量流率（1kg），則：Q_out=150kJ/kg+(1kg×4.2kJ/(kg·°C)×(30°C-0°C))（假設(shè)冷凝水初始溫度為0°C）Q_out=150kJ/kg+126kJ/kg=276kJ/kg。(3)計(jì)算循環(huán)凈功W_net：W_net=Q_in-Q_out=4907kJ/kg-276kJ/kg=4631kJ/kg。(4)計(jì)算朗肯效率η：η=W_net/Q_in=4631kJ/kg/4907kJ/kg≈0.944。該循環(huán)的朗肯效率約為94.4%。13.解：(1)計(jì)算熱功率P_熱：η=W電/P_熱P_熱=W電/ηP_熱=1000MW/0.30=3333.33MW≈3333.3MW。(2)計(jì)算效率下降后的所需熱功率P_熱'：η'=0.25P_熱'=W電/η'=1000MW/0.25=4000MW。(3)計(jì)算需要增加的熱功率ΔP_熱：ΔP_熱=P_熱'-P_熱=4000MW-3333.3MW=666.7MW。反應(yīng)堆需要增加約666.7MW的熱功率。四、簡答題14.答：主要區(qū)別在于：一回路直接與核燃料和反應(yīng)堆核心接觸，攜帶核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，包含堆芯、壓力容器、蒸汽發(fā)生器（PWR）或直接冷卻劑循環(huán)回路（BWR）、主泵等部件，通常使用加壓水作為工質(zhì)以保持液態(tài)并提高熱力循環(huán)溫度；二回路不直接接觸核反應(yīng)，通過蒸汽發(fā)生器（PWR）或直接循環(huán)回路（BWR）與一回路換熱，將一回路傳遞來的熱量用于產(chǎn)生蒸汽（或直接驅(qū)動汽輪機(jī)，如某些設(shè)計(jì)），再驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電，包含鍋爐/蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)、凝汽器、給水泵等部件，通常使用水或蒸汽作為工質(zhì)。在PWR中，冷卻劑需要加壓，是為了在較高溫度下（如300°C以上）保持水的液態(tài)，同時(shí)根據(jù)理想氣體定律，提高水的飽和溫度，使得反應(yīng)堆可以在更高的熱力循環(huán)溫度下工作，從而提高熱效率。15.答：核反應(yīng)堆的熱功率密度是指單位體積的反應(yīng)堆堆芯所能產(chǎn)生的熱功率，通常單位為W/cm3或MW/m3。它在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中非常重要，因?yàn)椋?1)它直接關(guān)系到反應(yīng)堆的尺寸和重量：對于給定的功率輸出，熱功率密度越高，堆芯體積可以越小，反應(yīng)堆整體尺寸和重量也相應(yīng)減小。(2)它影響材料選擇和設(shè)計(jì)：堆芯部件需要承受高功率密度帶來的熱量和熱應(yīng)力，要求材料具有高的耐熱、耐腐蝕性能和良好的傳熱能力。過高熱功率密度可能導(dǎo)致材料損壞或傳熱惡化。(3)它與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)：高熱功率密度意味著單位體積產(chǎn)生更多熱量，對冷卻劑的流量和傳熱性能要求更高，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)更復(fù)雜?？赡苡绊憻峁β拭芏鹊脑O(shè)計(jì)參數(shù)包括：燃料類型和富集度、燃料芯塊尺寸、慢化劑和冷卻劑的種類、堆芯結(jié)構(gòu)布置（如柵格節(jié)距）、功率分布等。16.答：當(dāng)反應(yīng)堆功率負(fù)荷增加時(shí)，通常意味著堆芯功率密度增大或功率輸出總量增加：(1)熱效率：在冷源溫度和燃料熱值不變的情況下，反應(yīng)堆熱功率輸出增加，如果對外輸出功率（電功率）按比例增加，熱效率通常會保持相對穩(wěn)定。但如果輸出功率增加幅度小于熱功率增加幅度（例如，因功率提升導(dǎo)致散熱能力相對不足），熱功率中未能轉(zhuǎn)化為功的部分占比增加，熱效率可能會略有下降。然而，通常討論的是在散熱能力匹配的情況下，效率隨熱功率變化的趨勢，此時(shí)效率變化不大。(2)冷卻劑參數(shù)：堆芯功率增加導(dǎo)致一回路冷卻劑吸熱增多，出口溫度升高。同時(shí)，為將增