2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫(kù)——核反應(yīng)堆中的燃料循環(huán)技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在核燃料循環(huán)中，將乏燃料中的鈾和钚與長(zhǎng)壽命裂變碎片分離的過(guò)程主要稱為？A.燃料制造B.豐度濃縮C.核燃料后處理D.廢料處置2.下列哪種方法不屬于常用的鈾同位素分離技術(shù)？A.氣體擴(kuò)散法B.氣體離心法C.電解法D.離子交換法3.用于核燃料后處理的常用萃取劑四丁基氫氧化物（TBP）通常溶解在哪種有機(jī)溶劑中？A.水B.乙醇C.甲苯D.丙酮4.在PUREX流程中，用于將鈾和钚從裂變產(chǎn)物中萃取出來(lái)的主要化學(xué)試劑是？A.硫酸B.氫氧化鈉C.TBP-有機(jī)溶劑體系D.氯化鈉5.乏燃料在經(jīng)過(guò)后處理回收鈾和钚后，剩余的主要放射性廢物通常被稱為？A.燃料元件B.高放廢物(HLW)C.中低放廢物(ILW/LLW)D.天然鈾6.熱中子反應(yīng)截面對(duì)核燃料循環(huán)中的哪個(gè)環(huán)節(jié)有顯著影響？A.燃料元件制造B.乏燃料貯存C.燃料后處理D.高放廢物處置7.MOX燃料的含義是？A.金屬氧化物燃料B.多元氧化物燃料C.磷酸鈾氧燃料D.鉬鈾氧化物燃料8.核能利用中，深地質(zhì)處置庫(kù)的主要功能是？A.儲(chǔ)存新燃料元件B.處理中低放廢物C.存放乏燃料D.埋藏高放廢物9.導(dǎo)致核燃料需要循環(huán)利用的主要原因之一是？A.提高反應(yīng)堆功率B.增加反應(yīng)堆成本C.提高鈾資源利用率，減少長(zhǎng)壽命核廢料產(chǎn)生D.替代核裂變技術(shù)10.在核燃料循環(huán)的化學(xué)分離過(guò)程中，通常利用不同核素在化學(xué)性質(zhì)上的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)分離。二、填空題1.從核反應(yīng)堆中取出、尚未經(jīng)過(guò)任何處理的核燃料稱為_(kāi)_______。2.燃料后處理的主要目標(biāo)是回收________和________，并去除長(zhǎng)壽命的次級(jí)核素。3.氣體離心法分離鈾同位素的主要依據(jù)是鈾同位素在________中蒸氣壓的差異。4.燃料后處理產(chǎn)生的含鈾、钚溶液通常稱為_(kāi)_______。5.高放廢物(HLW)的主要成分是乏燃料經(jīng)過(guò)后處理后的________和________。6.核燃料循環(huán)中產(chǎn)生的中低放廢物通常采用________或________等方法進(jìn)行處理。7.快堆使用的燃料通常是________燃料。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述核燃料循環(huán)的主要環(huán)節(jié)及其目的。2.簡(jiǎn)述PUREX流程的基本原理和主要步驟。3.簡(jiǎn)述高放廢物深地質(zhì)處置的主要挑戰(zhàn)。4.簡(jiǎn)述MOX燃料相比于UO2燃料的主要優(yōu)缺點(diǎn)。四、計(jì)算題假設(shè)某核反應(yīng)堆產(chǎn)生的乏燃料中，鈾的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%，钚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，其余為裂變產(chǎn)物和其他雜質(zhì)。現(xiàn)進(jìn)行后處理，要求鈾和钚的回收率達(dá)到95%。試計(jì)算：(1)從100噸乏燃料中理論上可以回收多少噸鈾和多少噸钚？(2)如果回收率未能達(dá)到預(yù)期，可能的原因有哪些？（列舉兩點(diǎn)）五、論述題論述發(fā)展先進(jìn)核燃料循環(huán)技術(shù)的意義，并簡(jiǎn)述其中一種先進(jìn)燃料循環(huán)技術(shù)的原理及其潛在優(yōu)勢(shì)。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.C5.B6.A7.D8.D9.C10.√二、填空題1.乏燃料2.鈾钚3.氣體4.鏈液5.高放廢物(HLW)裂變產(chǎn)物6.固化包裝7.钚(或MOX)三、簡(jiǎn)答題1.核燃料循環(huán)的主要環(huán)節(jié)及其目的：*乏燃料貯存：目的是安全存放從反應(yīng)堆取出后的乏燃料，待其放射性衰變至一定程度后再進(jìn)行處理。目的在于安全管理和等待處理技術(shù)成熟。*核燃料后處理：目的是從乏燃料中分離出可回收的鈾和钚，并將其與長(zhǎng)壽命裂變碎片分離，以減少長(zhǎng)壽命核廢料的體積和放射性。*核燃料制造：目的是將濃縮的鈾（或回收的鈾、钚）制成適合核反應(yīng)堆使用的燃料元件（如UO2陶瓷芯塊，封裝在金屬或陶瓷包殼中）。目的在于提供反應(yīng)堆的燃料。*(可選，根據(jù)課程重點(diǎn))廢料處理與處置：目的是對(duì)燃料循環(huán)各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的放射性廢物（特別是高放廢物）進(jìn)行最終的安全處置，防止其對(duì)環(huán)境和人類造成長(zhǎng)期危害。目的在于實(shí)現(xiàn)核能利用的可持續(xù)性和安全性。2.PUREX流程的基本原理和主要步驟：*基本原理：利用鈾、钚與裂變產(chǎn)物在化學(xué)性質(zhì)上的差異，以及它們與萃取劑和稀釋劑的相互作用差異，通過(guò)溶劑萃取技術(shù)進(jìn)行分離。*主要步驟：*溶解：將乏燃料切成小塊后，在高溫堿性溶液（如NaOH）中溶解，形成含有鈾、钚、裂變產(chǎn)物等的鹽溶液（主要是硝酸鹽溶液）。*第一次萃?。簩⑷芙庖号c有機(jī)萃取劑（如TBP-煤油體系）接觸，鈾和钚由于在堿性介質(zhì)中呈陽(yáng)離子狀態(tài)，且與萃取劑有較好的親和力而被萃取到有機(jī)相中，大部分裂變產(chǎn)物留在水相。*洗滌：用水或稀酸洗滌有機(jī)相，去除可能共萃的雜質(zhì)。*反萃：將富含鈾、钚的有機(jī)相與稀硝酸接觸，鈾和钚因在酸性條件下親和力降低而被反萃回水相，返回第一步。*第二次萃取：將反萃后的水相（含鈾、钚、裂變產(chǎn)物）與新的有機(jī)萃取劑（或經(jīng)過(guò)處理的萃余液）接觸。此時(shí)，鈾和钚在酸性條件下親和力相對(duì)較高，而大多數(shù)裂變產(chǎn)物（特別是呈陰離子或中性分子狀態(tài)）親和力較低，從而實(shí)現(xiàn)鈾、钚與裂變產(chǎn)物的分離，鈾、钚進(jìn)入有機(jī)相，裂變產(chǎn)物留在水相。*(后續(xù)步驟通常包括：第二次洗滌、第二次反萃、蒸發(fā)濃縮、結(jié)晶等，最終得到純化的鈾和钚化合物。)3.高放廢物深地質(zhì)處置的主要挑戰(zhàn)：*長(zhǎng)期安全性與屏障系統(tǒng)可靠性：需要確保在數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)年內(nèi)，多重屏障系統(tǒng)（廢料固化體、包裝容器、緩沖/回填材料、地質(zhì)圍巖）能夠有效阻止放射性物質(zhì)泄漏到周圍環(huán)境。材料長(zhǎng)期性能、腐蝕、滲透性等是關(guān)鍵問(wèn)題。*地質(zhì)選址與環(huán)境兼容性：需要選擇地質(zhì)條件穩(wěn)定、遠(yuǎn)離人口密集區(qū)、與地下水系統(tǒng)隔離良好的地點(diǎn)。地質(zhì)勘探、評(píng)估和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)要求高。*社會(huì)接受度與公眾溝通：廢料處置設(shè)施通常位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，可能引發(fā)當(dāng)?shù)鼐用窈凸姷膿?dān)憂與反對(duì)，需要有效的信息公開(kāi)和溝通機(jī)制。*技術(shù)成熟度與成本問(wèn)題：深地質(zhì)處置技術(shù)仍需不斷完善和驗(yàn)證，且建設(shè)和運(yùn)行成本高昂。*法律法規(guī)與長(zhǎng)期責(zé)任：需要建立明確的法律框架，確保處置設(shè)施的長(zhǎng)期管理和監(jiān)護(hù)責(zé)任得到落實(shí)。4.MOX燃料相比于UO2燃料的主要優(yōu)缺點(diǎn)：*優(yōu)點(diǎn)：*可以利用乏燃料中回收的钚(Pu)和鈾(U)，提高鈾資源利用率，減少高放廢物體積。*钚的燃耗較高，可以在相同的燃料裝載量下產(chǎn)生更多的能量，或減少換料次數(shù)。*使用MOX燃料可以在現(xiàn)有壓水堆(PWR)或重水堆(RWR)中實(shí)現(xiàn)核燃料循環(huán)，技術(shù)相對(duì)成熟。*缺點(diǎn)：*MOX燃料制備工藝相對(duì)復(fù)雜，成本可能高于UO2燃料。*MOX燃料在反應(yīng)堆中運(yùn)行時(shí)，可能產(chǎn)生不同的裂變產(chǎn)物分布和不同的中子譜，對(duì)反應(yīng)堆性能和安全參數(shù)有影響。*MOX燃料中可能含有易裂變核素钚(Pu)，其安全管理和防止核擴(kuò)散的要求更高。*MOX燃料的長(zhǎng)期貯存和后處理問(wèn)題仍需解決。四、計(jì)算題(1)回收鈾質(zhì)量=100噸*0.7%*95%=0.65噸回收钚質(zhì)量=100噸*0.3%*95%=0.285噸答：理論上可以回收0.65噸鈾和0.285噸钚。(2)可能的原因：*萃取過(guò)程效率不高（如萃取劑分配系數(shù)低、乳化等）。*反萃過(guò)程效率不高（如酸度不夠、反萃劑選擇不當(dāng)?shù)龋?溶解過(guò)程不徹底（如燃料元件破損不嚴(yán)重）。*流程設(shè)計(jì)或操作問(wèn)題（如流量控制不當(dāng)、設(shè)備故障）。五、論述題發(fā)展先進(jìn)核燃料循環(huán)技術(shù)的意義：發(fā)展先進(jìn)核燃料循環(huán)技術(shù)對(duì)于核能的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.大幅提高鈾資源利用率：通過(guò)回收和再利用乏燃料中的鈾和钚，可以顯著減少對(duì)天然鈾資源的依賴，使得有限的鈾資源支撐更長(zhǎng)時(shí)間的核能發(fā)展。2.減少高放核廢料產(chǎn)生量與放射性持續(xù)時(shí)間：后處理和先進(jìn)循環(huán)技術(shù)（如快堆、氣態(tài)擴(kuò)散回收等）能大幅減少最終需要處置的高放廢料體積，并降低其中長(zhǎng)壽命核素的種類和數(shù)量，縮短其高放射性持續(xù)時(shí)間，降低長(zhǎng)期環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。3.增強(qiáng)核能安全性：通過(guò)更有效地分離長(zhǎng)壽命核素，可以減少長(zhǎng)壽命廢料對(duì)核設(shè)施退役后環(huán)境的長(zhǎng)期負(fù)擔(dān)，提高核能利用的整體安全性。4.促進(jìn)核擴(kuò)散防范：通過(guò)對(duì)乏燃料和廢料的嚴(yán)格管理和處理，可以增加核材料（特別是钚）的防擴(kuò)散難度，提升核安全保障水平。5.拓展核能應(yīng)用范圍：先進(jìn)燃料循環(huán)技術(shù)（如快堆、熔鹽堆等）為實(shí)現(xiàn)更高效的核能利用和嬗變長(zhǎng)壽命放射性廢物提供了可能，有助于拓展核能的應(yīng)用場(chǎng)景。簡(jiǎn)述其中一種先進(jìn)燃料循環(huán)技術(shù)的原理及其潛在優(yōu)勢(shì)：快堆燃料循環(huán)技術(shù)：*原理：快堆使用快中子（能量高于熱中子）來(lái)維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。其燃料通常是含有高濃度鈾（如20%或更高）或包含钚的MOX燃料?？於阎凶幽軌蛴行У厥光?238裂變（生成钚-239）和回收的钚-239發(fā)生裂變。因此，快堆不僅能利用鈾-235，還能利用鈾-238和钚-239，實(shí)現(xiàn)“增殖”，即產(chǎn)生的易裂變物質(zhì)多于消耗的。其燃料循環(huán)通常包括：快堆運(yùn)行產(chǎn)生增殖燃料（含更多钚）、將乏燃料后處理（分離出未燃耗的鈾和钚）、再制成新的快堆燃料，形成閉合循環(huán)。