2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫(kù)——核反應(yīng)堆的原理和工作機(jī)制考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。每小題2分，共20分）1.能夠使快中子減速到熱中子的物質(zhì)稱為（）。A.核燃料B.慢化劑C.冷卻劑D.控制棒2.在核反應(yīng)堆中，吸收中子能力強(qiáng)的材料通常用于制作（）。A.慢化劑B.冷卻劑C.控制棒D.反射層3.使反應(yīng)堆能夠自行維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最低臨界質(zhì)量或最小臨界體積，稱為（）。A.臨界狀態(tài)B.亞臨界狀態(tài)C.超臨界狀態(tài)D.自持狀態(tài)4.當(dāng)反應(yīng)堆功率升高時(shí)，若慢化劑溫度升高導(dǎo)致其密度降低，進(jìn)而引起中子泄漏增加，這種效應(yīng)稱為（）。A.燃料棒中毒B.慢化劑稀釋C.溫度負(fù)系數(shù)D.空泡效應(yīng)5.控制棒的主要功能是（）。A.吸收中子，調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率B.加速中子，提高反應(yīng)堆效率C.減速中子，降低反應(yīng)堆功率D.引發(fā)中子，啟動(dòng)反應(yīng)堆6.在壓水堆（PWR）中，一回路和二回路之間的熱量傳遞主要通過(guò)（）實(shí)現(xiàn)。A.蒸汽輪機(jī)B.熱交換器C.核燃料D.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)7.重水堆（CANDU）使用重水作為慢化劑和冷卻劑，其主要優(yōu)點(diǎn)之一是（）。A.慢化效果好B.安全性高C.成本低D.以上都是8.核反應(yīng)堆堆芯的輻射水平最高的部分是（）。A.慢化劑區(qū)域B.冷卻劑管道C.核燃料棒D.堆芯邊界9.能夠減少?gòu)姆磻?yīng)堆堆芯泄漏的中子的邊界層稱為（）。A.反射層B.屏蔽層C.保護(hù)層D.包容層10.在核反應(yīng)堆中，反應(yīng)堆壓力容器的主要功能是（）。A.慢化中子B.冷卻堆芯C.包容高溫高壓的反應(yīng)堆堆芯D.驅(qū)動(dòng)控制棒二、填空題（請(qǐng)將正確答案填在題后的橫線上。每空2分，共20分）1.核反應(yīng)堆中，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的關(guān)鍵是確保足夠的中子能夠被燃料原子核吸收并引發(fā)新的裂變，同時(shí)保持合適的中子泄漏率。2.核裂變過(guò)程中釋放的能量，一部分以裂變碎片和中子的動(dòng)能形式存在，另一部分以__________和__________形式存在。3.控制棒通常由具有大吸收截面的材料制成，如__________或__________。4.負(fù)溫度系數(shù)是指反應(yīng)堆反應(yīng)性隨堆芯溫度升高而__________的現(xiàn)象，這通常被認(rèn)為是一種重要的安全特性。5.核反應(yīng)堆的屏蔽系統(tǒng)通常包括中子屏蔽、__________屏蔽和熱屏蔽。6.在輕水堆中，水既作為慢化劑，也作為冷卻劑，分為一回路和二回路。7.快堆使用快速中子進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，其冷卻劑通常不含有易裂變物質(zhì)，常見(jiàn)的冷卻劑有__________和__________。8.核反應(yīng)堆的固有安全性是指反應(yīng)堆在沒(méi)有外部輔助系統(tǒng)的情況下，具備防止堆芯熔化等嚴(yán)重事故的能力，這通常依賴于__________和__________。9.活化產(chǎn)物是指核反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中，非裂變物質(zhì)（如結(jié)構(gòu)材料）吸收中子后形成的具有放射性的同位素。10.針對(duì)核反應(yīng)堆可能發(fā)生的極端事故，需要進(jìn)行__________分析，評(píng)估事故后果并制定應(yīng)對(duì)措施。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)潔明了地回答下列問(wèn)題。每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠持續(xù)進(jìn)行需要滿足的三個(gè)基本條件。2.簡(jiǎn)述核反應(yīng)堆中慢化劑的作用及其選擇原則。3.簡(jiǎn)述核反應(yīng)堆中控制棒的作用及其工作原理。4.簡(jiǎn)述核反應(yīng)堆安全性的基本要求，并舉例說(shuō)明一種重要的安全特性。四、計(jì)算題（請(qǐng)列出必要的公式和計(jì)算步驟，最后得出結(jié)果。每小題10分，共20分）1.某核反應(yīng)堆的功率為1000MW，假設(shè)每個(gè)鈾-235裂變平均釋放200MeV的能量，其中5%的能量以中子動(dòng)能形式損失，40%以裂變碎片動(dòng)能形式損失，其余能量轉(zhuǎn)化為熱能。求該反應(yīng)堆每秒鐘大約有多少個(gè)鈾-235原子核發(fā)生裂變？（結(jié)果保留一位有效數(shù)字）2.一個(gè)無(wú)限大均勻反應(yīng)堆，中子源強(qiáng)度為S個(gè)/秒·cm3，中子在慢化劑中的宏觀吸收截面為Σa=0.01cm?1，宏觀散射截面為Σs=10cm?1。假設(shè)散射是各向同性的，求反應(yīng)堆的平衡中子注量率Φ(cm?2·s?1)。五、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述問(wèn)題。共20分）1.比較壓水堆（PWR）和沸水堆（BWR）在核燃料、冷卻劑、慢化劑、一回路與二回路關(guān)系、主要優(yōu)點(diǎn)和潛在缺點(diǎn)等方面的異同點(diǎn)。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.A4.C5.A6.B7.D8.C9.A10.C二、填空題1.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)2.γ射線，熱能3.釙-210，鎘4.降低5.γ射線6.蒸汽7.液態(tài)金屬鈉，氦氣8.負(fù)反應(yīng)性系數(shù)，負(fù)空泡系數(shù)9.活化10.安全三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)持續(xù)進(jìn)行需要滿足三個(gè)基本條件：①存在足夠數(shù)量的易裂變材料（燃料）；②中子能有效慢化到能引發(fā)裂變的能量；③中子泄漏率低，即足夠多的中子被燃料吸收引發(fā)裂變。答：①存在足夠數(shù)量的易裂變材料（燃料）；②中子能有效慢化到能引發(fā)裂變的能量；③中子泄漏率低，足夠多的中子被燃料吸收引發(fā)裂變。2.解析思路：慢化劑的作用是將快中子減速到熱中子（約0.025eV），以增加中子與易裂變材料發(fā)生反應(yīng)的幾率。選擇原則包括：①慢化效果好（散射截面大，平均自由程長(zhǎng)）；②中子吸收截面小（減少對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的損失）；③化學(xué)物理性質(zhì)穩(wěn)定，不易與裂變產(chǎn)物反應(yīng)；④經(jīng)濟(jì)耐用，來(lái)源充足。答：慢化劑的作用是將快中子減速到能引發(fā)易裂變材料裂變的能量。選擇原則包括：慢化效果好，中子吸收截面小，化學(xué)物理性質(zhì)穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)耐用等。3.解析思路：控制棒的作用是吸收中子，用于啟動(dòng)、停堆和調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率。工作原理是通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（機(jī)械或電磁）將控制棒插入或拔出堆芯，改變吸收中子的數(shù)量，從而調(diào)節(jié)反應(yīng)堆的反應(yīng)性，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。答：控制棒的作用是吸收中子，用于啟動(dòng)、停堆和調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率。工作原理是通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將其插入或拔出堆芯，改變吸收中子的數(shù)量，從而調(diào)節(jié)反應(yīng)堆的反應(yīng)性。4.解析思路：核反應(yīng)堆安全性的基本要求是防止堆芯熔化、放射性物質(zhì)泄漏到環(huán)境中，確保人員和設(shè)備安全。重要的安全特性包括：①固有安全性（如負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)、負(fù)空泡系數(shù)）；②多重冗余的安全系統(tǒng)（如安全閥、緊急停堆系統(tǒng)）；③包容性結(jié)構(gòu)（如壓力容器、安全殼）。舉例說(shuō)明時(shí)，負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)意味著溫度升高導(dǎo)致反應(yīng)性降低，有助于自穩(wěn)。答：核反應(yīng)堆安全性的基本要求是防止堆芯熔化、放射性物質(zhì)泄漏，確保人員和設(shè)備安全。重要的安全特性包括固有安全性（如負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)、負(fù)空泡系數(shù)）和多重冗余的安全系統(tǒng)。例如，負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)是指反應(yīng)堆功率升高導(dǎo)致堆芯溫度升高，進(jìn)而引起慢化劑密度降低、中子泄漏增加，導(dǎo)致反應(yīng)性降低，有助于防止功率失控。四、計(jì)算題1.解析思路：首先計(jì)算每個(gè)裂變釋放的總有效熱能，然后根據(jù)總功率和有效熱能計(jì)算出每秒的裂變次數(shù)?？偣β?每秒裂變次數(shù)×每次裂變釋放的有效熱能。注意單位換算（MeV到J）。解：每次裂變釋放的有效熱能E=200MeV×(1-5%-40%)=200MeV×0.55=110MeV。1MeV=1.602×10?13J。E=110×1.602×10?13J=1.7622×10?11J。每秒裂變次數(shù)N=總功率/每次裂變釋放的有效熱能=1000MW/E。N=(1000×10?W)/(1.7622×10?11J/s)≈5.67×101?s?1。結(jié)果保留一位有效數(shù)字：N≈6×101?s?1。答：每秒鐘大約有6×101?個(gè)鈾-235原子核發(fā)生裂變。2.解析思路：在無(wú)限大均勻反應(yīng)堆中，平衡狀態(tài)下中子源產(chǎn)生的中子全部被吸收和散射。宏觀吸收截面Σa是單位體積中吸收中子的概率總和，宏觀散射截面Σs是單位體積中散射中子的概率總和。每次散射后，中子的方向是均勻的。平衡中子注量率Φ可以通過(guò)中子源強(qiáng)度S和總的中子虧損率（吸收+散射到體外）來(lái)計(jì)算?？偺潛p率等于ΣaΦ+ΣsΦ。因此ΣaΦ+ΣsΦ=S。解出Φ=S/(Σa+Σs)。解：總的中子虧損率=ΣaΦ+ΣsΦ=(Σa+Σs)Φ。平衡中子注量率Φ=S/(Σa+Σs)。Φ=0.01cm?1/(0.01cm?1+10cm?1)cm?2·s?1。Φ=0.01/10.01cm?2·s?1。Φ≈0.001cm?2·s?1。答：反應(yīng)堆的平衡中子注量率Φ≈0.001cm?2·s?1。五、論述題1.解析思路：對(duì)比PWR和BWR需要在多個(gè)維度進(jìn)行對(duì)比，包括：①核燃料（通常都使用鈾燃料，形式可能是烏棒或二氧化鈾）；②冷卻劑（PWR是高壓水，BWR是常壓水）；③慢化劑（兩者都是水）；④一回路與二回路（PWR有明顯的兩個(gè)回路，BWR的一回路水直接變成蒸汽進(jìn)入二回路）；⑤主要優(yōu)點(diǎn)（PWR結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、固有安全性好，BWR啟動(dòng)快、成本可能較低）；⑥潛在缺點(diǎn)（PWR對(duì)重水有依賴性，BWR蒸汽進(jìn)入堆芯可能影響中子經(jīng)濟(jì)性和控制棒效率，存在壓力容器頂部事故風(fēng)險(xiǎn)）。需要條理清晰，覆蓋主要方面。答：壓水堆（PWR）和沸水堆（BWR）是兩種常見(jiàn)的核反應(yīng)堆類型，它們?cè)诙鄠€(gè)方面存在差異：核燃料：兩者通常都使用鈾燃料，燃料形式多為二氧化鈾陶瓷芯塊，封裝在燃料棒內(nèi)。PWR燃料棒外有鋯合金鋯管，BWR燃料棒外有鋯合金鋯管，但BWR的燃料棒在運(yùn)行時(shí)是浸在充滿飽和蒸汽的水中。冷卻劑與慢化劑：PWR和BWR都使用水作為慢化劑和冷卻劑。PWR使用加壓水（通常大于飽和蒸汽壓）作為冷卻劑，水在高壓下保持液態(tài)，可以比常壓水容納更高的溫度。BWR使用常壓水作為冷卻劑和慢化劑，水在堆芯內(nèi)沸騰產(chǎn)生蒸汽。一回路與二回路：PWR具有明顯的一回路和二回路。一回路的水在高壓下循環(huán)通過(guò)堆芯，將熱量傳遞給二回路的水，二回路水變成蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。BWR的一回路和二回路是直接相連的，水在堆芯內(nèi)沸騰產(chǎn)生的蒸汽直接進(jìn)入二回路驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)。主要優(yōu)點(diǎn)：PWR：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單緊湊，采用一體化壓力容器，固有安全性較好（如負(fù)的反應(yīng)性溫度系數(shù)和負(fù)的空泡系數(shù)），燃料利用率