2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——核反應堆中的冷卻劑選擇考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述核反應堆冷卻劑需要具備的主要物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，并說明這些性質(zhì)對反應堆安全運行的重要性。二、試比較重水和輕水作為核反應堆冷卻劑的主要異同點，包括中子學特性、材料相容性、經(jīng)濟性等方面的考慮。三、熔鹽冷卻劑在快堆設計中具有獨特優(yōu)勢，請列舉其至少三點主要優(yōu)點，并分析其在運行中可能面臨的技術挑戰(zhàn)。四、液態(tài)金屬（如鈉鉀合金）為何適用于快堆？請從熱工水力性能、中子學特性和材料兼容性三個方面進行闡述。五、氣冷堆（如高熱中子氣冷堆）選擇氦氣作為冷卻劑的主要原因是什么？這種選擇對反應堆的設計和運行帶來了哪些特殊要求？六、在核反應堆運行過程中，冷卻劑與結構材料、燃料包殼等發(fā)生相互作用，可能產(chǎn)生哪些影響？請結合具體實例說明。七、假設設計一個用于發(fā)電的壓水堆，請根據(jù)壓水堆的特點，論述選擇輕水作為冷卻劑的合理性，并簡述其可能存在的局限性。八、對于一個需要高功率密度和固有安全性的小型模塊化反應堆，你認為哪種冷卻劑類型（水、重水、熔鹽、氣體或液態(tài)金屬）可能更為適合？請給出你的理由，并考慮相關的技術成熟度和經(jīng)濟性。試卷答案一、冷卻劑需要具備的主要物理性質(zhì)包括：高熱導率（高效傳遞熱量）、良好流動性（確保循環(huán)暢通）、合適的沸點和熔點（適應反應堆運行溫度）、低中子吸收截面（減少對中子經(jīng)濟性的影響）、低汽化潛熱（提高循環(huán)效率）?；瘜W性質(zhì)包括：化學穩(wěn)定性好（不與堆內(nèi)材料發(fā)生劇烈反應）、低腐蝕性、輻照穩(wěn)定性（長期運行下性能變化小）。這些性質(zhì)對反應堆安全運行的重要性體現(xiàn)在：確保反應堆能將核反應產(chǎn)生的巨大熱量有效導出，防止過熱；保證冷卻劑循環(huán)順暢，避免局部干涸或堵塞；減少對中子經(jīng)濟性的不利影響，維持鏈式反應穩(wěn)定；避免因腐蝕或化學變化導致材料失效，保障結構完整性和長期安全運行。二、重水（D?O）與輕水（H?O）作為冷卻劑的異同點：相同點：均為水冷堆常用冷卻劑，具有良好的熱工水力性能和相對成熟的堆型設計；均為慢化劑和中子吸收劑。不同點：中子學特性不同，重水對熱中子的吸收截面遠小于輕水，且慢化效果更好，適用于對中子經(jīng)濟性要求高的反應堆（如CANDU）；重水成本較高，天然存在放射性（Tritium），對材料相容性要求更苛刻；輕水成本低廉、易得，無天然放射性，但輕水對熱中子的吸收較強，且存在沸騰風險（BWR）或臨界風險（PWR），對堆內(nèi)構件和壓力邊界的要求更高，經(jīng)濟性通常優(yōu)于重水。三、熔鹽冷卻劑的主要優(yōu)點：可在很高溫度下（可達600-1000°C）保持液態(tài)，熱容量和導熱性高，可實現(xiàn)很高的功率密度；中子輻照透明度高，吸收截面小，對中子經(jīng)濟性影響??；不易發(fā)生沸騰，適合在高溫下運行；可實現(xiàn)燃料的在線連續(xù)添加或更換。技術挑戰(zhàn)：材料腐蝕問題嚴重，需選用耐腐蝕性極好的材料（如熔鹽本身或特定合金）；熔鹽的化學分析和管理復雜；存在潛在的密封問題和長期運行下的化學穩(wěn)定性問題；系統(tǒng)設計復雜，成本較高。四、液態(tài)金屬（如鈉鉀合金NaK）適用于快堆的原因：熱工水力性能：液態(tài)金屬熱導率極高，遠超傳統(tǒng)冷卻劑，能夠高效傳遞熱量；液態(tài)時無相變，無沸騰風險，流動性好，壓降小，可承受極高功率密度。中子學特性：液態(tài)金屬的中子吸收截面非常低（尤其是鈉），對中子經(jīng)濟性影響極小，有利于實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換比和高效的快中子增殖。材料兼容性：鈉鉀合金具有良好的中子輻照穩(wěn)定性，能與快堆用結構材料（如鋯合金）形成穩(wěn)定的合金層，提高材料抗輻照性能。（注：主要指鈉鉀合金，其他液態(tài)金屬如鋰、鉛鉍合金等各有特點，但鈉鉀合金在快堆早期研究中應用較多，具有代表性。）五、氣冷堆選擇氦氣的主要原因是：氦氣是唯一一種在室溫下為氣態(tài)且熱中子吸收截面極小的惰性氣體，這對維持快中子譜和減少中子損失至關重要；氦氣具有良好的熱導率，有利于高效散熱；化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易與堆內(nèi)材料發(fā)生反應。這種選擇帶來的特殊要求：需要采用特殊的全封閉回路設計以保持氦氣壓力和純度；對管道和密封件的材料性能要求極高，需能承受高溫高壓；系統(tǒng)成本較高，運行維護復雜。六、冷卻劑與結構材料、燃料包殼等發(fā)生相互作用可能產(chǎn)生的影響：1.腐蝕與溶解：冷卻劑（特別是水或重水中的溶解鹽、熔鹽、液態(tài)金屬）可能腐蝕或溶解反應堆壓力容器、管道、燃料包殼等結構材料，導致材料性能下降、厚度減薄、泄漏甚至破裂，危及反應堆安全。例如，輕水堆中溶解的氧氣可能導致奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂。2.輻照損傷與嬗變：中子輻照下，冷卻劑本身會發(fā)生嬗變，產(chǎn)生氚（水/重水）、氦（熔鹽/鈉）、活化產(chǎn)物等，可能影響冷卻劑的性能（如增加粘度、改變密度）或帶來安全風險（如氚釋放）。同時，輻照也會損傷結構材料和燃料包殼，使其產(chǎn)生輻照脆化、晶粒長大、吸氫等變化，影響其力學性能和結構完整性。3.相容性不良：冷卻劑可能與某些材料發(fā)生化學反應或相容性不良，生成沉淀物、垢層或脆性化合物，堵塞流道、降低傳熱效率、誘發(fā)應力腐蝕或脆性斷裂。4.材料性能劣化：長期高溫、高壓及中子輻照的共同作用下，即使是相容性較好的材料也會發(fā)生性能劣化，如蠕變、輻照腫脹、輻照硬化等，最終影響反應堆的長期運行壽命和可靠性。七、選擇輕水作為壓水堆冷卻劑的合理性：1.熱工性能：輕水具有良好的熱導率和汽化潛熱，能有效將堆芯熱量導出，適應壓水堆通常運行在近臨界狀態(tài)的需求。2.中子學：輕水既是慢化劑（將快中子慢化為熱中子）又是冷卻劑，其熱中子吸收截面適中，能滿足慢化要求，同時通過減少中子泄漏，有利于維持反應堆功率。3.經(jīng)濟性與成熟度：輕水成本低廉、來源豐富、化學性質(zhì)穩(wěn)定（無天然放射性），相關技術和堆型設計非常成熟，運行經(jīng)驗豐富，安全性記錄良好。4.結構材料相容性：輕水與壓水堆常用的鋯合金包殼和低碳鋼/不銹鋼結構材料具有較好的相容性。局限性：輕水對熱中子的吸收相對較強，對中子經(jīng)濟性的提升不如重水；存在沸騰風險（在壓水堆的堆芯區(qū)域）；輕水堆的固有安全性相對較低，需要復雜的安全系統(tǒng)（如安全閥、緊急停堆系統(tǒng)）；對水質(zhì)有嚴格要求，以防止腐蝕和結垢。八、我認為熔鹽冷卻劑可能更適合用于小型模塊化反應堆（SMR）。理由：1.高功率密度適應性：熔鹽的高熱容量和導熱性使其非常適合高功率密度應用，這對于需要緊湊設計的SMR至關重要。2.固有安全性潛力：熔鹽冷卻劑在正常功率下通常為液態(tài)，不易發(fā)生沸騰，且具有負的反應性溫度系數(shù)（功率增加導致溫度升高，反應性降低），具備一定的固有安全性。3.燃料處理能力：熔鹽可以方便地在反應堆內(nèi)進行燃料的連續(xù)添加或取出，便于實現(xiàn)燃料的在線管理和優(yōu)化，可能簡化SMR的維護。4.潛在的中子經(jīng)濟性：熔鹽的中子吸收截