2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫(kù)——核廢料的再循環(huán)和資源化利用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共30分）1.下列哪種核素是典型的由鈾-235裂變產(chǎn)生，且具有較長(zhǎng)半衰期的高放裂變產(chǎn)物？A.鍶-90(90Sr)B.銫-137(137Cs)C.钚-239(239Pu)D.碘-131(131I)2.在核燃料循環(huán)的再循環(huán)階段，主要目的是什么？A.提高天然鈾的富集度B.將乏燃料直接進(jìn)行地質(zhì)處置C.分離和回收乏燃料中的鈾和钚等可利用核素D.制造更高濃度的钚金屬3.MOX燃料與常規(guī)的UO2燃料相比，其主要優(yōu)勢(shì)在于？A.發(fā)電效率更高B.對(duì)核裂變中子的利用率更低C.可以直接使用乏燃料作為原料D.更容易發(fā)生核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)4.從核物理角度看，高放廢物（HLW）難以處置的主要原因是？A.體積龐大B.放射性強(qiáng)度高，釋放大量熱量和射線，對(duì)包殼材料有強(qiáng)烈要求C.成分復(fù)雜D.成本高昂5.熱鹽反應(yīng)堆（MSR）與快堆（FR）相比，其主要特點(diǎn)之一是？A.使用固態(tài)核燃料B.反應(yīng)堆冷卻劑同時(shí)是核燃料（熔融鹽）C.中子經(jīng)濟(jì)性好，能有效增殖鈾-238D.通常在較高壓力下運(yùn)行6.核廢料資源化利用中，“核嬗變”技術(shù)的核心目標(biāo)是？A.增加核廢料的總量B.將長(zhǎng)壽命放射性核素轉(zhuǎn)化為短壽命或穩(wěn)定核素C.提高核廢料的放射性水平D.減少核廢料的總體積7.在核廢料處理中，采用玻璃固化技術(shù)的主要目的是？A.提高廢料的放射性B.使放射性核素與外界隔絕，提高長(zhǎng)期穩(wěn)定性C.便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存D.促進(jìn)核素的再循環(huán)8.乏燃料（RF）后處理過(guò)程中，使用純化溶劑萃取技術(shù)的關(guān)鍵目的是？A.增加乏燃料的體積B.分離出鈾、钚等易裂變/可裂變核素，去除長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物C.提高乏燃料的初始放射性強(qiáng)度D.將乏燃料轉(zhuǎn)化為高能燃料9.從核安全角度考慮，處理和再循環(huán)乏燃料時(shí)，需要特別關(guān)注的主要風(fēng)險(xiǎn)之一是？A.放射性污染環(huán)境B.包殼材料在長(zhǎng)期輻照下的破損C.可能產(chǎn)生易裂變材料，引發(fā)臨界事故D.產(chǎn)生大量的長(zhǎng)壽命核廢料10.將核廢料轉(zhuǎn)化為高熔點(diǎn)陶瓷（如TRISO包殼材料）進(jìn)行處置，其主要核物理優(yōu)勢(shì)在于？A.放射性衰減快B.對(duì)中子和射線的包容性好，密封性強(qiáng)，耐輻照C.易于分離和回收D.產(chǎn)能高二、填空題（每空2分，共20分）1.核廢料根據(jù)放射性活度、熱產(chǎn)生率、化學(xué)毒性等可分為高放廢物、中低放廢物和______。2.從反應(yīng)堆中取出不再使用的核燃料稱為_(kāi)_____。3.MOX是______和______的混合氧化物燃料的縮寫(xiě)。4.核廢料長(zhǎng)期處置的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)______和______。5.利用反應(yīng)堆中子將次級(jí)核素轉(zhuǎn)化為可裂變核素的技術(shù)稱為_(kāi)_____。6.玻璃固化高放廢物通常需要加入絡(luò)合劑來(lái)______長(zhǎng)壽命放射性核素，提高玻璃的耐輻照性。7.快堆通常以______作為慢化劑和冷卻劑。三、簡(jiǎn)答題（每題10分，共30分）1.簡(jiǎn)述核燃料循環(huán)中，乏燃料后處理的主要步驟及其核物理意義。2.與直接處置乏燃料相比，實(shí)施核燃料再循環(huán)的主要核物理和資源利用方面的優(yōu)勢(shì)是什么？3.簡(jiǎn)述核廢料長(zhǎng)期地質(zhì)處置的基本原理及其需要解決的關(guān)鍵核物理和工程問(wèn)題。四、計(jì)算題（共15分）假設(shè)某乏燃料組件在反應(yīng)堆中產(chǎn)生的總熱功率為100kW/kg（指乏燃料本身），其中長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物（半衰期大于100年）產(chǎn)生的熱量占40%，這些長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物主要集中在燃料碎片中，約占乏燃料總質(zhì)量的0.1%?，F(xiàn)計(jì)劃采用某種先進(jìn)后處理技術(shù)，去除這部分長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物，并制備成MOX燃料。請(qǐng)估算（僅作定性說(shuō)明或簡(jiǎn)單估算，無(wú)需精確數(shù)值結(jié)果）：1.經(jīng)過(guò)后處理，MOX燃料中長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物產(chǎn)生的熱功率占比預(yù)計(jì)會(huì)降低多少？2.從核安全角度看，去除長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物對(duì)MOX燃料的長(zhǎng)期儲(chǔ)存和處置有何潛在益處？（需結(jié)合核物理原理說(shuō)明）五、論述題（15分）論述核能可持續(xù)發(fā)展面臨的核廢料挑戰(zhàn)，并就核廢料的再循環(huán)和資源化利用（如嬗變技術(shù)）提出你的看法和需要克服的主要困難。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.B5.B6.B7.B8.B9.C10.B二、填空題1.乏燃料2.乏燃料3.鈾，钚4.安全，長(zhǎng)期隔離5.嬗變6.包容7.無(wú)三、簡(jiǎn)答題1.答：乏燃料后處理主要步驟包括：①乏燃料接收與解體，將燃料棒破碎；②溶解，將燃料碎片溶解在強(qiáng)堿性或酸性溶劑中，形成含核素的溶液；③分離純化，利用化學(xué)萃取或離子交換技術(shù)，將鈾、钚與長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物分離；④沉淀與固化，將分離出的鈾、钚制成化合物，并與其他放射性廢物混合，固化成玻璃或陶瓷塊體；⑤后處理廢液處理，處理分離過(guò)程中產(chǎn)生的含長(zhǎng)壽命核素的廢液。核物理意義：通過(guò)分離鈾和钚，可以回收有價(jià)值的核燃料，實(shí)現(xiàn)核資源的有效利用（增殖或非增殖循環(huán)），同時(shí)去除長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物，大幅減少高放廢物的體積和長(zhǎng)期放射性風(fēng)險(xiǎn)，簡(jiǎn)化后續(xù)處置要求。2.答：主要優(yōu)勢(shì)：①資源利用：回收鈾、钚等重元素，提高了鈾資源的利用率，對(duì)于緩解鈾資源壓力、實(shí)現(xiàn)核能可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。②減少高放廢物：去除長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物，顯著減少了需要長(zhǎng)期安全處置的高放廢料體積和放射性強(qiáng)度，降低了處置難度和長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)。③改善核廢料特性：再循環(huán)產(chǎn)生的MOX燃料通常具有更好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，可能有利于其后續(xù)處置。3.答：基本原理：將核廢料放置在遠(yuǎn)離生物圈且具有足夠屏障能力的穩(wěn)定地質(zhì)介質(zhì)（如花崗巖、鹽巖、粘土）中，利用多重屏障系統(tǒng)（包殼材料、隔離層、圍巖）阻止放射性物質(zhì)泄漏到環(huán)境中，并依靠地質(zhì)時(shí)間的推移使放射性衰變，最終達(dá)到與環(huán)境長(zhǎng)期平衡。關(guān)鍵問(wèn)題：①長(zhǎng)期穩(wěn)定性：需確保包殼材料在長(zhǎng)期（數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)年以上）的輻照和化學(xué)環(huán)境下保持完整，有效包容放射性物質(zhì)。②中子活化：廢料本身及地質(zhì)環(huán)境材料可能因中子輻照發(fā)生活化，產(chǎn)生新的放射性核素，需評(píng)估其對(duì)屏障性能和長(zhǎng)期安全的影響。③熱釋熱管理：高放廢物產(chǎn)生大量熱量，需確保處置庫(kù)在長(zhǎng)期內(nèi)溫度可控，避免因過(guò)熱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或加速放射性物質(zhì)遷移。④長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與封存可靠性：需設(shè)計(jì)可靠的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方案，確保能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并采取必要措施，同時(shí)保證封存系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性。四、計(jì)算題1.答：預(yù)計(jì)降低約40%。因?yàn)楹筇幚砑夹g(shù)的主要目標(biāo)之一就是去除占熱功率貢獻(xiàn)約40%的長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物。2.答：去除長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物后，MOX燃料的長(zhǎng)期總放射性水平顯著降低，特別是α活性和長(zhǎng)壽命β/gamma發(fā)射體的貢獻(xiàn)減少。這使得燃料在長(zhǎng)期儲(chǔ)存和處置過(guò)程中產(chǎn)生的輻射風(fēng)險(xiǎn)（如對(duì)工作人員的輻射暴露、對(duì)包殼材料的腐蝕和潛在泄漏風(fēng)險(xiǎn)）降低。同時(shí)，去除這些易產(chǎn)生氣體的核素（如氙、氪）也有利于減少燃料的腫脹和性能退化，提高長(zhǎng)期儲(chǔ)存的安全性。從核物理角度看，減少了可能引發(fā)臨界事故的易裂變核素（若回收的钚未充分稀釋）或長(zhǎng)壽命核素的長(zhǎng)期輻照效應(yīng)。五、論述題答：核能可持續(xù)發(fā)展面臨的主要核廢料挑戰(zhàn)是高放廢料的長(zhǎng)期安全處置和乏燃料的資源化管理。高放廢料含有大量長(zhǎng)壽命放射性核素，其衰變需要極長(zhǎng)時(shí)間（數(shù)萬(wàn)年以上），對(duì)處置地點(diǎn)的地質(zhì)穩(wěn)定性、包殼材料的耐久性以及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提出了極端要求，目前全球尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的安全處置。乏燃料雖具有潛在資源價(jià)值，但其高放射性、高熱產(chǎn)生率和復(fù)雜的核素組成也給儲(chǔ)存和后處理帶來(lái)了困難與風(fēng)險(xiǎn)。核廢料的再循環(huán)和資源化利用是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的重要途徑。例如，乏燃料后處理和MOX燃料利用可以實(shí)現(xiàn)鈾資源的循環(huán)利用，減少高放廢物量；核嬗變技術(shù)則旨在通過(guò)反應(yīng)堆中子將長(zhǎng)壽命放射性核素轉(zhuǎn)化為短壽命或穩(wěn)定核素，從根本上消除部分高放廢料的長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)。這些技術(shù)的核物理基礎(chǔ)在于精確控制核反應(yīng)過(guò)程，特別是中子與靶核的作用截面、反應(yīng)產(chǎn)物特性以及反應(yīng)堆的運(yùn)行參數(shù)。然而，這些先進(jìn)技術(shù)也面臨巨大挑戰(zhàn)：①核物理與技術(shù)挑戰(zhàn)：如嬗變堆的固有安全性、中子經(jīng)濟(jì)性、嬗變材料的選擇與性能、長(zhǎng)壽命中子源的管理等；②工程與成本挑戰(zhàn)：后處理工廠和嬗變堆的建設(shè)成本高昂，技術(shù)復(fù)雜度高，工程實(shí)現(xiàn)難度大；③安全與環(huán)境影響挑戰(zhàn)：后處理過(guò)程可能