2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——核材料的選材原則和性能評價考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題1.選擇核燃料材料時，要求其具有足夠大的裂變截面和良好的中子經(jīng)濟性，以實現(xiàn)持續(xù)的核裂變鏈式反應(yīng)。對于常見的鈾-235，其裂變主要產(chǎn)物是兩種元素的原子核，并釋放出數(shù)個中子和大量的能量。2.在核反應(yīng)堆中，慢化劑的主要功能是將快中子減速到熱中子能量范圍，以便能被裂變?nèi)剂细咝?。輕水和石墨是兩種常見的慢化劑，它們利用中子與原子核的彈性散射來實現(xiàn)減速。3.核材料的輻照損傷是指材料在受到中子或其他高能粒子輻照時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學成分和宏觀性能發(fā)生的變化。這些變化可能包括點缺陷的產(chǎn)生與聚集、晶格畸變、相變、原子活化、材料腫脹以及力學性能的劣化等。4.選擇核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料時，除了要求其具有足夠的機械強度和抗輻照性能外，還必須考慮其與冷卻劑、燃料元件等相接觸時的相容性，例如避免發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂或相互反應(yīng)生成脆性相。5.中子屏蔽材料的選擇需要重點關(guān)注其中子吸收截面。常用的屏蔽材料如水、混凝土和含硼材料，它們通過吸收中子來降低輻射水平，同時還需要考慮材料的成本、重量、化學穩(wěn)定性和對其他射線的屏蔽能力。二、簡答題1.簡述選擇鋯合金作為核反應(yīng)堆壓力容器材料的主要原因，并指出其主要面臨的輻照挑戰(zhàn)。2.闡述核材料性能評價的意義，并列舉幾種評價核材料在輻照后結(jié)構(gòu)變化和性能演變常用的實驗方法。3.為什么輕水在核反應(yīng)堆中既能作為慢化劑，又能作為冷卻劑？分析其優(yōu)缺點。4.解釋什么是核材料的“中子毒化”現(xiàn)象，并說明選擇慢化劑時需要考慮如何避免或減輕這種效應(yīng)。5.對于核反應(yīng)堆用結(jié)構(gòu)材料，什么是輻照脆化？它對反應(yīng)堆的安全運行構(gòu)成什么威脅？三、比較題1.比較核燃料材料（如鈾dioxide）與慢化劑（如輕水）在選材原則上的主要差異。2.比較鋯合金和鎢作為核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料在性能、優(yōu)缺點及適用場合上的不同。四、論述題1.針對一個追求高功率密度和長壽命的先進核反應(yīng)堆設(shè)計，論述在材料選擇方面面臨的主要挑戰(zhàn)，并分析幾種有潛力的候選材料及其需要解決的關(guān)鍵問題。2.討論核材料的放射性及其對材料選擇和應(yīng)用的影響。在選擇核燃料、慢化劑、冷卻劑和結(jié)構(gòu)材料時，應(yīng)如何權(quán)衡材料的固有放射性水平與其性能、成本等其他因素？試卷答案一、填空題1.鈾、钚(或其他裂變產(chǎn)物)，中子2.彈性散射3.力學性能，化學成分，微觀結(jié)構(gòu)4.相容性5.宏觀吸收截面二、簡答題1.答案：主要原因：中子吸收截面小（避免吸收過多熱中子），與裂變碎片、冷卻劑相容性好（避免腐蝕、應(yīng)力腐蝕），具有良好的機械性能（高溫下強度、蠕變抗力），相對豐富的資源。主要挑戰(zhàn)：輻照脆化（輻照后材料變脆，韌性下降），吸気導(dǎo)致腫脹（材料體積膨脹，可能致密化），材料的長期可靠性（如材料的退火行為）。解析思路：首先明確壓力容器材料的核心功能是包容燃料，要求低中子吸收以保證中子經(jīng)濟，并承受高溫高壓。然后從材料科學角度分析其物理化學性能要求（相容性、力學性能），并指出輻照環(huán)境對其產(chǎn)生的典型不利影響（脆化、腫脹），這些是選材的關(guān)鍵考量點和主要挑戰(zhàn)。2.答案：意義：性能評價是判斷材料是否滿足應(yīng)用要求、預(yù)測材料在服役環(huán)境下的行為、優(yōu)化材料設(shè)計、確保核設(shè)施安全可靠運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。常用方法：輻照實驗（在模擬實際條件的反應(yīng)堆或加速器中輻照樣品，然后進行多種測試）、退火實驗（研究輻照損傷的恢復(fù)過程）、無損檢測（如超聲、中子成像，監(jiān)測輻照過程中的結(jié)構(gòu)變化）、材料表征（如電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)變化、X射線衍射分析相變、活化分析測量感生放射性）。解析思路：先闡述性能評價的目的和重要性（服務(wù)于工程應(yīng)用和安全）。然后列舉評價輻照后材料變化的主要手段，區(qū)分實驗研究和無損檢測，并說明每種方法能提供的信息類型。3.答案：輕水既能慢化又能冷卻的原因：輕水具有良好的中子慢化能力（氫原子質(zhì)量輕，散射截面大，減速效果好），同時其熱導(dǎo)率尚可，沸點較高（在常壓下），且作為水本身，對反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料（如不銹鋼）在正常操作溫度下具有良好的相容性，成本低廉，來源豐富。優(yōu)點：天然放射性水平低，慢化冷卻效果好，技術(shù)成熟，經(jīng)濟性佳。缺點：對中子輻照較為敏感（水中氫的慢化作用會隨中子通量增加而減弱，且會產(chǎn)生感生放射性如氚），中子吸收截面相對較大（相比零反應(yīng)性材料），高溫下熱導(dǎo)率下降較快，高壓下操作有安全風險。解析思路：從物理性質(zhì)（中子截面、熱物理性質(zhì)）和工程經(jīng)濟性角度解釋其雙重功能的原因。然后分別列出其作為慢化劑和冷卻劑的優(yōu)點（通用性、有效性、經(jīng)濟性）和缺點（輻照敏感性、中子吸收、高溫性能、操作壓力）。4.答案：中子毒化現(xiàn)象是指反應(yīng)堆中某些材料（主要是慢化劑或結(jié)構(gòu)材料中的雜質(zhì)，如硼、鎘、鈾、釷等）吸收中子后生成吸收截面很大的核素，這些核素的增加使得中子被吸收的概率增大，有效中子數(shù)減少，從而降低了反應(yīng)堆的功率輸出或中子經(jīng)濟性。選擇慢化劑時需考慮：選用本身吸收截面小的材料；盡量減少材料中易產(chǎn)生毒性的雜質(zhì)含量；或者選用對這些雜質(zhì)不敏感的材料；有時會通過添加“稀釋劑”來降低雜質(zhì)濃度的影響。解析思路：首先定義中子毒化（關(guān)鍵核素的吸收截面增加導(dǎo)致中子經(jīng)濟惡化）。然后解釋產(chǎn)生毒化的原因（雜質(zhì)核素吸收截面大）。最后提出選材策略（選用低毒材料、控制雜質(zhì)、添加稀釋劑），這些策略旨在減少或延緩毒化效應(yīng)的發(fā)生。5.答案：輻照脆化是指材料在受到中子輻照后，其韌性（特別是低溫韌性）顯著下降而變脆的現(xiàn)象。這通常是由輻照產(chǎn)生的缺陷（如點缺陷、空位、間隙原子）聚集形成缺陷團簇或引起晶格畸變、相變（如形成脆性相）等微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的。威脅：脆化會導(dǎo)致材料在低于其常規(guī)屈服強度的應(yīng)力下發(fā)生斷裂，特別是在反應(yīng)堆啟停、事故工況或應(yīng)力集中區(qū)域，可能引發(fā)部件失效、泄漏甚至堆芯熔毀等嚴重事故，嚴重威脅核電站的安全運行。三、比較題1.答案：核燃料材料選材核心是高裂變截面、中子經(jīng)濟性（易裂變核素的增殖）、抗輻照穩(wěn)定性、合適的裂變產(chǎn)物釋放特性。主要關(guān)注核性能，對力學性能要求相對燃料本身，對與冷卻劑/慢化劑的相容性要求高。核材料選材原則，特別是結(jié)構(gòu)材料，核心是低中子吸收截面、良好的高溫力學性能（強度、蠕變）、抗輻照損傷（輻照脆化、腫脹）、與冷卻劑/燃料/慢化劑的長期相容性、資源豐富、經(jīng)濟性好。選材需同時平衡核性能和工程性能，更強調(diào)綜合性和長期服役的可靠性。解析思路：分別提煉兩類材料選材的首要原則和核心關(guān)注點。燃料側(cè)重“能否有效裂變且持續(xù)裂變”，結(jié)構(gòu)材料側(cè)重“能否在輻照和高溫下穩(wěn)定工作并與其他部件兼容”。對比其側(cè)重點的不同，突出結(jié)構(gòu)材料選材的綜合性和工程挑戰(zhàn)性。2.答案：鋯合金（如Zr-4）：優(yōu)點是中子吸收截面非常低（對熱中子幾乎透明），與鈾dioxide燃料相容性好（低腐蝕性），具有良好的高溫力學性能和抗輻照性能（相對），是壓水堆壓力容器和燃料包殼的理想選擇。缺點是成本相對較高，在特定輻照條件下可能發(fā)生輻照腫脹和輻照脆化，對輻照后材料性能的長期演變?nèi)孕璩掷m(xù)研究。鎢：優(yōu)點是具有極高的熔點（超過3400°C），中子吸收截面適中，化學性質(zhì)穩(wěn)定，可用于制造在極端高溫或強輻照環(huán)境下工作的部件，如某些先進反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料或高溫氣冷堆的堆內(nèi)構(gòu)件。缺點是脆性大（常溫下），高溫下韌性仍有限，加工困難，成本極高，輻照損傷可能引起顯著腫脹，對結(jié)構(gòu)連接帶來挑戰(zhàn)。解析思路：按照優(yōu)缺點結(jié)構(gòu)，分別對比兩種材料的關(guān)鍵特性。重點突出它們各自最突出的性能（鋯的低截面、高相容性；鎢的高溫、高熔點）以及對應(yīng)的局限或挑戰(zhàn)（鋯的輻照脆化；鎢的脆性、加工性、輻照腫脹）。結(jié)合其典型應(yīng)用場合說明這些特性為何重要。四、論述題1.答案：主要挑戰(zhàn)：追求高功率密度意味著更高的熱功率密度和更高的中子通量，這對材料提出了極其苛刻的要求。材料必須能承受極高的輻照劑量和快速的溫度變化，同時保持優(yōu)異的力學性能和抗輻照損傷能力（抗脆化、抗腫脹）。高功率密度通常與更高的運行溫度相關(guān)，要求材料具有優(yōu)異的高溫蠕變抗力和熱導(dǎo)率。此外，更高的中子通量意味著更嚴重的中子毒化和材料活化問題，需要選擇固有毒性低、抗輻照腐蝕能力強的材料。候選材料及其問題：先進燃料（如陶瓷燃料、氣態(tài)燃料）面臨封裝、傳熱、裂變產(chǎn)物釋放等挑戰(zhàn)；先進慢化劑（如鈹、気化鋰）可能存在中子經(jīng)濟、成本、輻照效應(yīng)等問題；先進冷卻劑（如熔鹽、氦氣）需解決傳熱、材料相容性、安全性等問題；新型結(jié)構(gòu)材料（如耐高溫合金、陶瓷基復(fù)合材料）需克服制備、連接、輻照損傷等難題。解析思路：首先點明高功率密度對材料的主要物理化學要求（抗輻照、耐高溫、高力學性能）。然后從輻照效應(yīng)（脆化、腫脹、毒化）、高溫性能、材料相容性等方面分析挑戰(zhàn)。最后列舉幾種有潛力的方向或材料，并簡要指出其面臨的具體科學或工程問題。2.答案：核材料的放射性來源主要有兩個方面：一是材料本身包含的天然放射性核素（如鈾、釷系核素）；二是材料在受到中子輻照后轉(zhuǎn)變成的感生放射性核素。放射性對材料選擇的影響體現(xiàn)在：首先，會帶來輻射防護問題，需要考慮操作人員的安全和環(huán)境的放射性污染；其次，感生放射性核素的衰變會釋放熱量，可能導(dǎo)致材料內(nèi)部溫度升高（輻照自熱），影響材料性能和結(jié)構(gòu)完整性；再次，某些感生放射性核素具有長半衰期，會產(chǎn)生長期放射性廢物，給核設(shè)施的安全運行和最終退役帶來挑戰(zhàn)。在選擇核材料時需權(quán)衡：對于要求高純度