2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——環(huán)流核反應(yīng)堆的原理與應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.環(huán)流核反應(yīng)堆（CFR）的“環(huán)流”主要指什么物理量的循環(huán)或約束？A.反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料中的裂變碎片B.冷卻劑（如鈉）的強制循環(huán)流動C.中子的慢化過程和擴散D.核燃料在堆芯中的相對位置調(diào)整2.與熱中子反應(yīng)堆相比，快中子環(huán)流核反應(yīng)堆的主要優(yōu)勢之一是？A.對輕水堆芯材料要求更低B.能更有效地利用天然鈾資源C.中子經(jīng)濟性更好，尤其利于鈾-233的增殖D.運行溫度通常更低3.實現(xiàn)環(huán)流核反應(yīng)堆高固有安全性的關(guān)鍵物理特性之一是？A.需要復(fù)雜的多重安全系統(tǒng)B.具有強烈的正反應(yīng)性溫度系數(shù)C.反應(yīng)堆能自然實現(xiàn)熱工水力失穩(wěn)D.依賴外部電源驅(qū)動關(guān)鍵循環(huán)泵4.在鈉冷快堆這類環(huán)流核反應(yīng)堆中，使用鈉作為冷卻劑的主要原因是？A.鈉的導(dǎo)熱系數(shù)極低B.鈉在常溫下為固態(tài)，易于儲存和運輸C.鈉具有良好的高熱導(dǎo)率和中子吸收截面（相對于冷卻效果）D.鈉資源豐富且成本低廉5.環(huán)流核反應(yīng)堆在核燃料循環(huán)方面的一個潛在重要應(yīng)用是？A.大規(guī)模生產(chǎn)武器級钚B.經(jīng)濟地處理核電站產(chǎn)生的長壽命高水平放射性廢物C.僅限于富集鈾-235D.簡化所有類型的乏燃料的后處理流程6.對于一個具有固有增殖能力的環(huán)流核反應(yīng)堆，其關(guān)鍵設(shè)計特征通常是？A.采用負的反應(yīng)性溫度系數(shù)和負的中子經(jīng)濟性系數(shù)B.堆芯設(shè)計使得中子通量分布有利于裂變產(chǎn)物在增殖區(qū)俘獲中子C.必須使用高富集度的燃料D.冷卻劑必須具有很高的中子吸收截面7.環(huán)流核反應(yīng)堆的運行環(huán)境通常比壓水堆更為苛刻，這主要是由于？A.運行壓力更高B.運行溫度更高，且冷卻劑可能為液態(tài)金屬C.中子注量率更低D.系統(tǒng)更小，功率密度更高8.以下哪項技術(shù)是理解和設(shè)計環(huán)流核反應(yīng)堆物理性能所必需的？A.氣體動力學(xué)模擬B.靜電場計算C.中子輸運理論和反應(yīng)堆動力學(xué)分析D.結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元分析9.環(huán)流核反應(yīng)堆概念相較于傳統(tǒng)反應(yīng)堆，其面臨的主要工程挑戰(zhàn)之一是？A.燃料棒設(shè)計相對簡單B.如何在高溫、高輻照、強中子輻照條件下保證關(guān)鍵材料（如結(jié)構(gòu)材料、管道）的長期性能和完整性C.中子經(jīng)濟性較差D.安全性設(shè)計更容易實現(xiàn)10.從核能可持續(xù)發(fā)展和減少核廢料的角度看，環(huán)流核反應(yīng)堆被認為具有潛力，其潛力主要體現(xiàn)在？A.能直接燃燒所有類型的核廢料B.可以顯著減少高放射性廢物的產(chǎn)生量，并可能實現(xiàn)某些難裂變材料的增殖C.能完全消除對鈾礦資源的依賴D.能大幅降低反應(yīng)堆的運行成本二、填空題1.環(huán)流核反應(yīng)堆通常在______中子能量區(qū)運行，其主要核燃料的裂變中子截面隨能量變化的特點是______。2.環(huán)流核反應(yīng)堆實現(xiàn)高固有安全性的一個重要物理機制是反應(yīng)性隨______的強烈負反饋，例如通過______實現(xiàn)。3.對于鈉冷快堆，其主要的腐蝕問題是______，需要采取______等防護措施。4.與壓水堆相比，快堆（包括環(huán)流核反應(yīng)堆）的核燃料利用效率通常______，其乏燃料中長壽命核素的份額______。5.環(huán)流核反應(yīng)堆中“環(huán)流”機制的實現(xiàn)方式可以多種多樣，例如通過______（物理方式）或______（設(shè)計方式）來維持堆芯內(nèi)中子或帶電粒子的相對穩(wěn)定循環(huán)/約束。三、簡答題1.簡述快中子物理特性與熱中子物理特性在反應(yīng)堆物理分析中的主要區(qū)別，并說明這些區(qū)別如何影響環(huán)流核反應(yīng)堆的設(shè)計和運行。2.環(huán)流核反應(yīng)堆（特別是快堆）為何通常被認為具有比壓水堆更高的固有安全性？請列舉至少兩種關(guān)鍵機制。3.解釋什么是“增殖反應(yīng)堆”？簡述環(huán)流核反應(yīng)堆實現(xiàn)增殖的必要條件和基本原理。4.對于運行在極端工況（高溫、高輻照、強中子輻照）下的環(huán)流核反應(yīng)堆，對結(jié)構(gòu)材料提出了哪些特殊要求？為什么這些要求比常規(guī)反應(yīng)堆更苛刻？四、計算題1.(10分)假設(shè)一個簡化的環(huán)形中子回路構(gòu)成環(huán)流核反應(yīng)堆的一部分?；芈菲骄霃綖镽，中子平均速度為v。假設(shè)回路中中子注量率近似均勻分布，且沿回路運動方向反應(yīng)性有緩慢的空間變化，其反應(yīng)性變化率（單位長度變化量）為δα/dl。請推導(dǎo)該環(huán)形回路中平均中子通量隨時間變化的微分方程（假設(shè)無源項，僅考慮反應(yīng)性隨空間的變化引起的反饋效應(yīng)），并說明方程中各物理量的意義。2.(15分)一個特定設(shè)計的環(huán)流核反應(yīng)堆，在某一功率水平下運行，其反應(yīng)性裕度（相對于臨界）為-ρ。已知該反應(yīng)堆具有正的反應(yīng)性溫度系數(shù)（每度升溫引起的反應(yīng)性變化）。為保持反應(yīng)堆在功率變化或溫度波動下的穩(wěn)定運行，反應(yīng)堆控制系統(tǒng)需要引入一個負的反應(yīng)性反饋信號。假設(shè)冷卻劑溫度每升高1°C，反應(yīng)性變化為-δρ，控制系統(tǒng)引入的反饋信號與反應(yīng)性偏差成正比，比例常數(shù)為k。請簡述該負反饋機制如何抑制功率升高，并計算當(dāng)反應(yīng)堆因某種擾動導(dǎo)致反應(yīng)性增加Δρ時，為恢復(fù)到初始狀態(tài)，控制系統(tǒng)需要引入多少等效負反應(yīng)性（即kΔρ的值需要滿足什么條件）？五、論述題論述環(huán)流核反應(yīng)堆在處理核廢料和實現(xiàn)核燃料閉式循環(huán)方面的潛力與挑戰(zhàn)。請分別闡述其在減少高放廢物產(chǎn)生、處理乏燃料、利用貧鈾資源等方面的作用機制，并分析實現(xiàn)這些目標(biāo)所面臨的主要技術(shù)難題和限制因素。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.C5.B6.B7.B8.C9.B10.B二、填空題1.快；隨能量增加而迅速下降2.溫度；空泡；負空泡系數(shù)3.鈉與空氣/水反應(yīng)；包覆；冷卻劑凈化4.更高；更高5.自然循環(huán)；反應(yīng)性反饋三、簡答題1.解析思路：對比快中子與熱中子截面隨能量變化規(guī)律（快堆截面平坦且隨能量下降快，熱堆截面隨能量下降慢，存在共振吸收峰），說明快堆對中子經(jīng)濟性更敏感，需精確控制；對比反應(yīng)性溫度系數(shù)符號（快堆通常正，熱堆負），說明穩(wěn)定性差異；指出快堆需處理高能中子引起的材料活化、輻照損傷等問題，設(shè)計更復(fù)雜。2.解析思路：闡述快堆物理特性（高功率密度、強中子輻照）；說明自然循環(huán)（重力驅(qū)動，停堆無泵仍能冷卻）和負的反應(yīng)性溫度系數(shù)（升溫導(dǎo)致裂變減慢、吸收增加）如何提供停堆后的冷卻和安全裕度；提及空泡系數(shù)（停堆或功率下降導(dǎo)致慢化劑/冷卻劑密度下降，反應(yīng)性降低）的作用。3.解析思路：定義增殖反應(yīng)堆（輸出燃料量大于消耗量）；解釋快堆實現(xiàn)增殖的原理（高能中子能有效地使鈾-238轉(zhuǎn)化為钚-239，而钚-239是良好的裂變材料）；說明必要條件（高能中子源、足夠高的中子通量、良好的中子經(jīng)濟性設(shè)計）。4.解析思路：列舉要求（高高溫強度、高抗輻照損傷能力、抗腐蝕性、良好的中子透明度/小的中子吸收截面）；解釋為何苛刻（快堆功率密度大導(dǎo)致局部高溫，高能中子流導(dǎo)致材料快速輻照損傷和活化，冷卻劑（如鈉）具有強腐蝕性，材料需在高溫、腐蝕、輻照三重作用下長期保持性能）。四、計算題1.解析思路：環(huán)形回路中，中子沿回路運動，反應(yīng)性變化引起通量變化，兩者存在動態(tài)關(guān)聯(lián)。設(shè)回路長度L=2πR，中子平均速度v，時間t內(nèi)中子流過長度v*t。反應(yīng)性變化δα/dl引起通量Φ的變化dΦ，由中子平衡方程（源=泄漏+吸收+裂變）近似為dΦ/dt≈(φα/dl)*Φ。回路中總通量Φ≈Φ?（假設(shè)近似均勻），則dΦ/dt≈Φ?*(φα/dl)。中子沿回路運動，速度為v，則時間變化量dt對應(yīng)空間變化量dl=v*dt。代入得dΦ/dt≈Φ?*(φα/v)*(1/R)*dR/dt(R為回路半徑，假設(shè)R變化引起φ變化)。對于平均通量變化，更直接的表述是dΦ/dt≈-(φα/dl)*Φ，其中負號表示反應(yīng)性增加導(dǎo)致裂變減慢，通量下降（或反之）。注意題目要求的是微分方程，此形式已體現(xiàn)基本反饋關(guān)系。各量意義：Φ為平均中子通量，φα/dl為單位長度反應(yīng)性，v為平均中子速度（或更準(zhǔn)確地說是循環(huán)速度），R為回路半徑（在平均通量變化中，R的變化通過反饋影響通量）。2.解析思路：反應(yīng)堆功率變化通常與反應(yīng)性變化成正比（ΔP∝Δρ）。為穩(wěn)定，需功率下降時反應(yīng)堆趨向更負的反應(yīng)性（Δρ進一步減小）。負反饋機制：溫度升高導(dǎo)致反應(yīng)性下降（-δρ*ΔT），控制系統(tǒng)檢測到反應(yīng)性偏差（Δρ），產(chǎn)生一個負的反饋信號（-kΔρ），這個信號等效于引入了一個負的反應(yīng)性（-kΔρ），使得凈反應(yīng)性變化為Δρ'=Δρ-kΔρ=Δρ(1-k)。要恢復(fù)穩(wěn)定，Δρ'需要為負或趨向于負（即1-k≤0，k≥1）。當(dāng)反應(yīng)堆擾動導(dǎo)致反應(yīng)性增加Δρ時，為使其恢復(fù)到初始狀態(tài)（Δρ'=0），負反饋信號產(chǎn)生的等效負反應(yīng)性必須完全抵消掉擾動引起的正反應(yīng)性，即-kΔρ=-Δρ，因此需要k=1。這表明一個單位強度的反饋信號足以完全抑制單位強度的反應(yīng)性擾動。五、論述題解析思路：首先明確核廢料處理和燃料閉式循環(huán)的定義。闡述潛力：1）高放廢物：快堆（特別是帶在線焚燒或特殊設(shè)計的）能將乏燃料中的長壽命核素（如Pu,Am）進一步裂變或轉(zhuǎn)化為短壽命核素，顯著減少高放廢物體積和長期放射性；2）乏燃料處理：通過再處理（如MOX燃料）回收鈾、钚，實現(xiàn)燃料循環(huán)，減少一次性處置負擔(dān)；3）貧鈾資源：快堆能高效利用貧鈾（<0.1%U-235），將U-238轉(zhuǎn)化為Pu-23