2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——核材料的性能與應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪種材料通常被用作核反應堆的慢化劑？A.鈾-235B.重水C.鉛D.石墨2.放射性同位素鐳-226衰變時，主要發(fā)生的衰變方式是？A.α衰變B.β?衰變C.β?衰變D.γ衰變3.在核反應堆中，控制棒的主要作用是？A.吸收中子，調節(jié)反應堆功率B.產生中子，維持鏈式反應C.減速中子D.冷卻堆芯4.下列哪種材料被認為是良好的輻射屏蔽材料，主要是因為其高密度和足夠大的原子序數(shù)？A.水B.混凝土C.空氣D.鋁5.能夠發(fā)生自持鏈式核裂變反應的物質稱為？A.慢化劑B.冷卻劑C.裂變材料D.中子吸收材料6.中子與原子核發(fā)生彈性散射時，下列哪個量是守恒的？A.動能B.動量C.勢能D.速度7.半衰期是指放射性核素樣品中有一半原子核發(fā)生衰變所需的時間，這個概念適用于？A.單一放射性核素B.所有物質C.只有液體物質D.只有固體物質8.在核醫(yī)學中，用于腫瘤放射治療的放射性核素，通常要求其半衰期？A.盡可能長B.盡可能短C.適中D.無特定要求9.下列哪種材料具有良好的中子吸收性能，常被用作核反應堆的控制棒？A.鈾-238B.鎘C.氙-135D.鈉10.高溫氣冷堆通常選用氦氣作為冷卻劑，其主要優(yōu)勢是？A.熱導率高B.化學性質穩(wěn)定，不易與材料發(fā)生反應C.沸點低D.易于液化二、填空題1.放射性衰變過程遵守______定律，表明衰變是自發(fā)進行的、隨機發(fā)生的統(tǒng)計過程。2.核反應堆中，為了使快中子減速成為熱中子，通常使用______和______作為慢化劑。3.材料在輻照下可能發(fā)生結構、化學成分和力學性能的變化，這種現(xiàn)象稱為______效應。4.能夠使中子從快中子轉變?yōu)闊嶂凶拥倪^程稱為______。5.用于核反應堆燃料包殼的材料，需要具備低中子吸收截面、良好的高溫力學性能和抗腐蝕性能等，鋯合金是其中一種典型代表，其最常用的形式是______。6.輻射防護中通常采用“時間、距離、屏蔽”三個原則，其中增加______可以有效降低受照劑量率。7.核聚變反應主要發(fā)生在______條件下，釋放出巨大的能量。8.在核反應堆中，吸收中子的能力最強，但不引起裂變的材料稱為______材料。9.放射性核素衰變時釋放的α粒子實質上是______原子核。10.核材料的______截面是衡量其在中子作用下發(fā)生散射或吸收概率的重要物理量。三、簡答題1.簡述核材料與常規(guī)材料在性能要求上的主要區(qū)別。2.解釋什么是核裂變，并簡述核裂變反應釋放能量的基本原理。3.為什么說對核反應堆用材料進行輻照性能研究至關重要？四、計算題1.某放射性核素的質量為1克，其半衰期為10天。請計算：(1)經(jīng)過30天后，該核素剩余多少克？(5分)(2)經(jīng)過30天后，該核素發(fā)生了多少次衰變？假設阿伏伽德羅常數(shù)N_A=6.022x1023mol?1，核素摩爾質量為Mg/mol。(5分)(3)30天后，該核素衰變產生的子核的放射性活度是多少？(假設子核也是放射性的，且衰變常數(shù)遠小于母核，母核剩余量遠小于子核)(5分)五、論述題結合核材料的具體性能要求，論述為什么鋯合金（如Zr-4）被廣泛用作核反應堆的燃料包殼材料，并分析其在運行中可能面臨的主要挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.B2.A3.A4.B5.C6.B7.A8.B9.B10.B二、填空題1.指數(shù)衰減2.石墨；重水(或氘水)3.輻照損傷4.中子慢化5.鋯鋯合金(或Zralloy)6.距離7.極高溫；極高密度(或極端條件)8.中子吸收9.氦10.中子三、簡答題1.解析思路：核材料需承受極端物理環(huán)境（高溫、高壓、強中子輻照、強輻射場）和化學環(huán)境（可能伴隨腐蝕介質），常規(guī)材料難以滿足。核材料性能不僅要求傳統(tǒng)力學、熱學、化學穩(wěn)定性，更關鍵的是獨特的核物理性能（如中子截面、裂變特性、放射性等）及其在輻照下的演化行為。例如，要求低中子吸收截面以保證鏈式反應，要求抗輻照損傷以保證長期安全運行，要求與裂變產物等放射性物質長期隔離（化學穩(wěn)定性）。2.解析思路：核裂變是指重原子核（如鈾-235或钚-239）在中子的轟擊下，分裂成兩個或多個質量較小的原子核，同時釋放出中子和巨大的能量。能量釋放原理基于質量虧損，根據(jù)愛因斯坦質能方程E=mc2，核裂變過程中產生的裂變碎片和釋放的中子的總質量小于裂變前原子核和中子的總質量，這部分“丟失”的質量轉化為了裂變過程中釋放的巨大能量。3.解析思路：核反應堆在運行過程中，燃料元件、結構材料等會持續(xù)受到高能中子流、裂變碎片、γ射線等的輻照，導致材料發(fā)生微觀結構、化學成分、晶體缺陷等方面的變化，進而影響其宏觀力學性能（強度下降、脆化）、熱物理性能（熱導率降低）、以及發(fā)生嬗變和活化，產生放射性。這些變化直接關系到反應堆的安全、可靠和經(jīng)濟性。因此，必須通過輻照實驗和理論研究，全面了解材料在真實輻照條件下的性能演變規(guī)律和機理，為材料選用、結構設計、運行管理和老化評估提供科學依據(jù)。四、計算題1.解析思路：(1)利用半衰期公式N(t)=N?*(1/2)^(t/T?)，其中N?=1g，T?=10天，t=30天。計算得到剩余質量。(2)衰變次數(shù)等于原始核數(shù)減去剩余核數(shù)。原始核數(shù)N?=m/M*N_A，剩余核數(shù)N(t)已在(1)中算出。衰變次數(shù)ΔN=N?-N(t)。注意單位換算。(3)放射性活度A=λ*N(t)，其中λ=ln(2)/T?是衰變常數(shù)。用計算出的N(t)和給定的T?代入即可。計算過程：(1)N(30天)=1*(1/2)^(30/10)=1*(1/2)3=0.125g(2)N?=(1g/M)*6.022x1023mol?1=6.022x1023/M個原子ΔN=(6.022x1023/M)-0.125*(6.022x1023/M)=(6.022x1023/M)*(1-0.125)=(6.022x1023/M)*0.875ΔN=5.219x1023/M個原子(3)λ=ln(2)/10天≈0.0693天?1A=λ*N(30天)=0.0693天?1*0.125g*(6.022x1023/M)/(6.022x1023/M)個?1A=0.0693*0.125*1g/天≈0.00866g/天(或轉化為Ci/Bq等單位，取決于M和時間單位換算)五、論述題解析思路：論述需緊扣核反應堆對燃料包殼的核心要求：密封性、耐腐蝕性、低中子吸收、良好的力學性能（高溫下）、抗輻照腫脹和損傷。分析鋯合金如何滿