2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫(kù)——核能發(fā)展與可再生能源考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述原子核的組成及其主要性質(zhì)。說(shuō)明放射性衰變的主要類(lèi)型及其特征。二、解釋核裂變的物理過(guò)程。列舉實(shí)現(xiàn)核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的必要條件。簡(jiǎn)述壓水堆（PWR）的基本工作原理及其主要組成部分的名稱和功能。三、核聚變被視為未來(lái)潛在的清潔能源，請(qǐng)簡(jiǎn)述其基本原理與核裂變?cè)淼闹饕獏^(qū)別。目前實(shí)現(xiàn)核聚變能源利用面臨哪些重大的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)？四、核燃料循環(huán)是核能利用的重要組成部分。請(qǐng)簡(jiǎn)述核燃料循環(huán)的主要步驟，并說(shuō)明核裂變過(guò)程中產(chǎn)生的主要長(zhǎng)壽命放射性核廢料及其處理面臨的困難。五、比較核能與風(fēng)能、太陽(yáng)能這兩種可再生能源在資源特性、發(fā)電穩(wěn)定性、環(huán)境影響及發(fā)展前景等方面的主要異同。六、核能的安全運(yùn)行至關(guān)重要。請(qǐng)闡述核電站運(yùn)行中需要重點(diǎn)防范的主要風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型（至少列舉三種），并說(shuō)明為保障核安全通常采取的關(guān)鍵技術(shù)和管理措施。七、小型模塊化反應(yīng)堆（SMRs）被認(rèn)為是核能發(fā)展的重要方向之一。請(qǐng)說(shuō)明SMRs相較于傳統(tǒng)大型反應(yīng)堆的主要特點(diǎn)，并探討其在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中可能扮演的角色及優(yōu)勢(shì)。八、在全球應(yīng)對(duì)氣候變化和推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的背景下，核能在可持續(xù)發(fā)展中扮演著怎樣的角色？請(qǐng)結(jié)合核能的特點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn)，談?wù)勀銓?duì)核能在未來(lái)能源體系中地位和作用的看法。試卷答案一、原子核由質(zhì)子和中子組成，帶正電荷和幾乎相同的靜止質(zhì)量。中子不帶電，質(zhì)量略大于質(zhì)子。原子核主要性質(zhì)包括：具有復(fù)雜的能級(jí)結(jié)構(gòu)（類(lèi)似原子的電子能級(jí)，但能級(jí)間距大得多）；存在核力（強(qiáng)相互作用），將核子束縛在一起；具有放射性，可自發(fā)地發(fā)生衰變，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌嘶蛄Ｗ?；具有質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。放射性衰變的主要類(lèi)型包括：1.α衰變：重原子核釋放出α粒子（氦核，2He4），伴隨質(zhì)量數(shù)減少4，原子序數(shù)減少2。特點(diǎn)是釋放能量較大，穿透能力弱。2.β衰變：中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，釋放出電子（β-）和反電子中微子，或質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶樱尫懦稣娮樱é?）和中微子。伴隨原子序數(shù)改變（β-增1，β+減1），質(zhì)量數(shù)不變。特點(diǎn)是穿透能力較強(qiáng)。3.γ衰變：高能量原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能量態(tài)或基態(tài)時(shí)釋放出高能光子（γ射線）。伴隨原子核從激發(fā)態(tài)回到穩(wěn)定態(tài)，質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)不變。特點(diǎn)是穿透能力最強(qiáng)。二、核裂變是重核（如鈾-235、钚-239）在中子的轟擊下分裂成兩個(gè)或多個(gè)質(zhì)量中等的核，同時(shí)釋放出中子（通常2-3個(gè)）和巨大的能量。裂變過(guò)程釋放的中子若能引起其他重核裂變，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，則能量可以持續(xù)放大。實(shí)現(xiàn)核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的必要條件：1.臨界質(zhì)量：裂變物質(zhì)必須達(dá)到足夠的質(zhì)量，以維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。2.中子增殖系數(shù)大于1：每次裂變產(chǎn)生的中子中，至少有一個(gè)能引起下一次裂變，且數(shù)量在不斷增加。3.中子有效增殖：必須有足夠的中子慢化劑將快中子減速為熱中子，提高中子被裂變材料吸收的幾率；同時(shí)需要有足夠的中子反射層減少中子泄漏。壓水堆（PWR）的基本工作原理：利用核裂變產(chǎn)生的熱量將堆芯冷卻劑（水）加熱成高溫高壓的水，高溫高壓水通過(guò)一回路循環(huán)流經(jīng)蒸汽發(fā)生器，將二回路的水加熱成蒸汽，蒸汽再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。主要組成部分：1.核反應(yīng)堆堆芯：包含燃料棒、控制棒、冷卻劑等，是核裂變發(fā)生的場(chǎng)所。2.壓力容器：堅(jiān)固的容器，承壓并容納堆芯。3.冷卻劑泵：將一回路水泵入堆芯。4.蒸汽發(fā)生器：實(shí)現(xiàn)一回路與二回路的熱量交換。5.汽輪機(jī)：將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。6.發(fā)電機(jī)：將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。7.主控棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：用于提升或插入控制棒，調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率或使反應(yīng)堆停堆。三、核聚變是輕核（如氫的同位素氘D和氚T）在極高溫高壓條件下結(jié)合成較重的核（如氦He），同時(shí)釋放出巨大的能量?；驹硎强朔俗娱g的庫(kù)侖排斥力，使核子結(jié)合在一起，根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程（E=mc2）釋放質(zhì)量虧損對(duì)應(yīng)的能量。與核裂變相比：1.燃料：聚變?nèi)剂希?、氚）在地球上?chǔ)量極其豐富（氘在海水中，氚可通過(guò)鋰制備），而裂變?nèi)剂希ㄢ?、钚）是有限的天然資源。2.放射性：聚變產(chǎn)生的直接產(chǎn)物（如氦）是穩(wěn)定的，主要放射性來(lái)自于裂變過(guò)程產(chǎn)生的次級(jí)核素或氚的放射性。因此，聚變被認(rèn)為具有更低的長(zhǎng)期能量和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。3.反應(yīng)條件：聚變需要極高的溫度（上億度）和足夠高的密度，以使核子獲得足夠的動(dòng)能克服庫(kù)侖斥力并維持有效的碰撞。這通常需要復(fù)雜的約束技術(shù)。面臨的主要挑戰(zhàn)：1.實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的等離子體約束：如何在極高溫度下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地約束高密度的等離子體，是磁約束聚變（MCF）和慣性約束聚變（ICF）共同面臨的核心難題。2.達(dá)到聚變條件：需要維持極高的溫度（>1億K）、足夠的等離子體密度和能量約束時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)凈能量增益。3.材料科學(xué)挑戰(zhàn)：聚變堆運(yùn)行環(huán)境極端（高溫、高輻照），需要開(kāi)發(fā)能夠承受這些苛刻條件的新型材料。4.工程與經(jīng)濟(jì)性：建造和運(yùn)行聚變實(shí)驗(yàn)裝置成本極高，如何實(shí)現(xiàn)聚變能的工程化和商業(yè)化應(yīng)用，達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行性，仍需長(zhǎng)期努力。四、核燃料循環(huán)的主要步驟包括：1.鈾礦開(kāi)采與選冶：從礦石中提取鈾礦石，并加工成濃縮鈾。2.燃料制造：將濃縮鈾制成核燃料棒（通常為二氧化鈾陶瓷，嵌入鋯合金管）。3.核燃料使用（在反應(yīng)堆中）：燃料棒在反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生核裂變，釋放能量。4.乏燃料后處理（非增殖堆）：從反應(yīng)堆取出已使用過(guò)的燃料棒（乏燃料），將其冷卻一段時(shí)間后，通過(guò)化學(xué)方法分離出可重復(fù)使用的鈾和钚，剩余高放射性廢料進(jìn)行固化處理。5.高放射性廢料處置：將固化后的高放射性廢料安全地儲(chǔ)存和處置，通常采用深地質(zhì)處置庫(kù)。核裂變過(guò)程中產(chǎn)生的主要長(zhǎng)壽命放射性核廢料包括：1.鈾系廢料：裂變產(chǎn)生的鈾-239、钚-239、镎-239等長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物及其子體（如鈳系元素）。2.錒系廢料：裂變產(chǎn)生的鏷-231、鋦-244等長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物及其子體。處理面臨的困難：1.核素半衰期長(zhǎng)：這些核廢料具有極長(zhǎng)的半衰期（從幾十年到數(shù)百萬(wàn)年），需要極長(zhǎng)時(shí)間的嚴(yán)格管理和安全監(jiān)護(hù)。2.放射性強(qiáng)、放射性毒性大：即使是固態(tài)，其釋放的放射性仍然很強(qiáng)，且部分核素具有高毒性。3.缺乏安全、永久的處置方案：全球范圍內(nèi)尚未建成并成功運(yùn)行商業(yè)化的深地質(zhì)處置庫(kù)，公眾接受度也是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。五、核能與風(fēng)能、太陽(yáng)能的主要異同：相同點(diǎn)：1.清潔低碳：核能發(fā)電過(guò)程不排放溫室氣體和大氣污染物；風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電也是零排放能源。2.資源相對(duì)豐富：核燃料（鈾）資源雖然有限但儲(chǔ)量較大，且技術(shù)進(jìn)步可利用更貧鈾；風(fēng)能和太陽(yáng)能資源極為豐富，取之不盡。不同點(diǎn)：1.資源特性與穩(wěn)定性：核能（裂變）具有持續(xù)、穩(wěn)定的輸出能力，不受天氣、晝夜等外部因素影響；風(fēng)能和太陽(yáng)能具有間歇性、波動(dòng)性，受天氣、季節(jié)、晝夜變化影響大，需要儲(chǔ)能或與其他能源配合使用。2.發(fā)電穩(wěn)定性與電網(wǎng)影響：核電站提供基荷電力，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性貢獻(xiàn)大；風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電具有波動(dòng)性，主要提供峰荷或填谷電力，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性和調(diào)峰能力提出更高要求。3.環(huán)境影響：核能主要的環(huán)境問(wèn)題是核安全和核廢料處理；風(fēng)能和太陽(yáng)能的環(huán)境影響主要在土地使用、視覺(jué)景觀、制造過(guò)程能耗和材料回收等方面。4.技術(shù)成熟度與基礎(chǔ)設(shè)施：核裂變技術(shù)相對(duì)成熟，但建設(shè)周期長(zhǎng)、投資巨大；風(fēng)能和太陽(yáng)能技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，成本快速下降，建設(shè)周期相對(duì)較短，但需要大規(guī)模并網(wǎng)和儲(chǔ)能設(shè)施。5.發(fā)展前景：核能是重要的基荷能源，在能源轉(zhuǎn)型中仍將發(fā)揮重要作用；風(fēng)能和太陽(yáng)能是增長(zhǎng)最快的可再生能源，未來(lái)潛力巨大，有望成為主要的電力來(lái)源。六、核電站運(yùn)行中需要重點(diǎn)防范的主要風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型：1.核事故（如堆芯熔毀）：由于設(shè)計(jì)缺陷、操作失誤、自然災(zāi)害等原因?qū)е路磻?yīng)堆堆芯嚴(yán)重?fù)p壞，放射性物質(zhì)大量釋放。這是最嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)。2.核燃料元件損壞：超負(fù)荷運(yùn)行、制造缺陷、運(yùn)行環(huán)境問(wèn)題等導(dǎo)致燃料棒破損，可能引發(fā)燃料熔化或放射性物質(zhì)泄漏。3.失水事故：冷卻劑大量流失或喪失，導(dǎo)致堆芯過(guò)熱，可能引發(fā)燃料熔化、蒸汽爆炸等。4.輻射事故：在設(shè)備維修、運(yùn)行異常等情況中，導(dǎo)致工作人員或公眾受到過(guò)量輻射照射。保障核安全的關(guān)鍵技術(shù)和管理措施：1.縱深防御（多層屏障）：采用多重物理屏障（燃料芯塊、包殼、一回路壓力容器、安全殼）和應(yīng)急系統(tǒng)，將放射性物質(zhì)限制在芯塊內(nèi)，即使屏障被破壞也能限制放射性物質(zhì)的外泄。2.先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)：采用具有固有安全性或增強(qiáng)安全性的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)（如壓水堆的穩(wěn)態(tài)安全特性、先進(jìn)小型模塊化反應(yīng)堆的被動(dòng)安全設(shè)計(jì)）。3.嚴(yán)格的運(yùn)行規(guī)程與人員培訓(xùn)：制定詳細(xì)、嚴(yán)格的操作規(guī)程，加強(qiáng)人員培訓(xùn)和技能認(rèn)證，確保操作人員能夠正確執(zhí)行規(guī)程，應(yīng)對(duì)異常情況。4.有效的核燃料管理：確保燃料在制造、運(yùn)輸、使用、后處理各環(huán)節(jié)的安全可控。5.輻射防護(hù)措施：對(duì)工作人員進(jìn)行個(gè)體劑量監(jiān)測(cè)，提供個(gè)人防護(hù)用品，對(duì)工作場(chǎng)所進(jìn)行輻射監(jiān)測(cè)，確保符合安全標(biāo)準(zhǔn)。6.應(yīng)急準(zhǔn)備與響應(yīng)：制定完善的應(yīng)急計(jì)劃，配備應(yīng)急設(shè)備，定期進(jìn)行應(yīng)急演練，確保在發(fā)生事故時(shí)能迅速、有效地采取應(yīng)對(duì)措施，保護(hù)人員安全和環(huán)境。7.核安保：防止核材料被盜、非法轉(zhuǎn)讓或?yàn)E用，采取物理防護(hù)、技術(shù)防護(hù)和管理措施。七、小型模塊化反應(yīng)堆（SMRs）的主要特點(diǎn)：1.規(guī)模小：?jiǎn)闻_(tái)功率通常在幾十至幾百兆瓦，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)大型壓水堆（通常1000MWe以上）。2.模塊化設(shè)計(jì)：整個(gè)反應(yīng)堆可以像大型設(shè)備一樣在工廠預(yù)制，然后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，建設(shè)周期相對(duì)較短。3.部署靈活：可以單個(gè)部署，也可以多臺(tái)并聯(lián)部署，適應(yīng)不同規(guī)模的電力需求或特定應(yīng)用場(chǎng)景。4.設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化與標(biāo)準(zhǔn)化：設(shè)計(jì)通常更簡(jiǎn)單，采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可復(fù)制性強(qiáng)，有助于降低成本和縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。5.潛在應(yīng)用多樣化：除了發(fā)電，還可以用于海水淡化、供暖、制氫、孤島供電等綜合應(yīng)用。6.可能采用先進(jìn)技術(shù)：常常采用先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)（如非能動(dòng)安全設(shè)計(jì)、高溫氣冷堆等）。SMRs在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中可能扮演的角色及優(yōu)勢(shì)：1.填補(bǔ)能源缺口與提供穩(wěn)定電力：可靈活部署在大型電網(wǎng)難以覆蓋或電網(wǎng)需要穩(wěn)定基荷的偏遠(yuǎn)地區(qū)、工業(yè)區(qū)。2.與可再生能源協(xié)同：可為波動(dòng)性較大的可再生能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能）提供穩(wěn)定的基荷電力和儲(chǔ)能支持，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。3.提高核能普及性：標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和模塊化制造可能降低核電站的準(zhǔn)入門(mén)檻，使更多地區(qū)能夠利用核能。4.推動(dòng)先進(jìn)核能技術(shù)商業(yè)化：為驗(yàn)證和推廣先進(jìn)核能技術(shù)（如非能動(dòng)安全）提供了一個(gè)相對(duì)較低風(fēng)險(xiǎn)的商業(yè)化途徑。5.替代傳統(tǒng)小型電源：可替代老舊的燃煤電廠、燃油發(fā)電機(jī)等，減少碳排放和污染物排放。八、核能在可持續(xù)發(fā)展中扮演著重要角色，主要體現(xiàn)在：1.提供清潔低碳基荷電力：核能發(fā)電不排放二氧化碳等溫室氣體，是應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要能源選擇，能夠提供穩(wěn)定可靠的基荷電力，支撐可再生能源的大規(guī)模發(fā)展。2.保障能源安全：對(duì)于缺乏化石燃料資源的國(guó)家，發(fā)展核能可以減少對(duì)外部能源的依賴，提高國(guó)家能源自給率和能源安全水平。3.支持可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)：核能有助于提供持續(xù)、穩(wěn)定的電力供應(yīng)，支持經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善民生、促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步，是聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs）所支持的清潔能源轉(zhuǎn)型的重要組成部分。面臨挑戰(zhàn)與看法：挑戰(zhàn)：核安全與核安保問(wèn)題始終是公眾關(guān)注的焦點(diǎn)；核廢料的長(zhǎng)期安全處