2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——核裂變反應堆的穩(wěn)定性研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填在括號內(nèi)。每小題2分，共20分）1.對于一個處于臨界狀態(tài)的核裂變反應堆，其反應性（β）的值為：A.β>0B.β=0C.β<0D.β=12.當反應堆冷卻劑溫度升高時，通常會導致反應性反饋（β）如何變化？A.β增大B.β減小C.β不變D.β變化方向取決于具體堆型3.在核裂變反應堆中，控制棒的主要作用是：A.提供初始中子源B.吸收中子以調(diào)節(jié)反應性C.產(chǎn)生熱能D.引發(fā)鏈式反應4.反應堆的時間常數(shù)（τ）表征了系統(tǒng)對反應性變化的響應速度。下列哪個時間常數(shù)與反應堆的動態(tài)穩(wěn)定性密切相關？A.燃料溫度時間常數(shù)B.冷卻劑溫度時間常數(shù)C.中子壽命時間常數(shù)D.控制棒反應時間常數(shù)5.根據(jù)小擾動理論，若反應堆的特征方程的特征根具有正實部，則反應堆處于：A.靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)B.動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)C.臨界狀態(tài)D.不穩(wěn)定狀態(tài)6.在反應堆功率運行期間，若冷卻劑流量突然下降，通常會引起：A.反應性瞬時增大B.反應性瞬時減小C.反應性緩慢增大D.反應性緩慢減小7.所謂反應堆的“靜態(tài)穩(wěn)定性裕度”，通常是指：A.從次臨界到臨界的反應性范圍B.從臨界到超臨界的反應性范圍C.動態(tài)響應的振蕩幅度衰減能力D.控制棒從完全抽出到完全插入能吸收的總反應性8.對于具有正的空泡系數(shù)的反應堆，在負荷增加導致蒸汽生成量增加時，反應性會：A.增大B.減小C.不變D.先增大后減小9.在分析反應堆的動態(tài)穩(wěn)定性時，研究功率振蕩的頻率和阻尼特性主要關注：A.靜態(tài)反應性裕度B.瞬態(tài)響應的幅度C.系統(tǒng)對擾動自由振蕩的能力D.控制棒的有效ness10.下列哪種工況下，反應堆的穩(wěn)定性問題尤為突出？A.正常滿功率運行B.從空載到滿載的啟動過程C.冷卻劑溫度緩慢變化D.控制棒快速插入引發(fā)的反應性負跳變二、填空題（請將答案填在橫線上。每空2分，共20分）1.核裂變反應堆中，維持鏈式反應持續(xù)進行的必要條件是中子增殖因子k-effective必須______1______。2.當反應堆反應性為正時，其狀態(tài)稱為______2______狀態(tài)，此時反應堆功率會隨時間______3______。3.溫度反饋通常表現(xiàn)為負反饋，即溫度升高導致反應性______4______，有助于維持反應堆功率的穩(wěn)定。4.描述反應堆中子密度（或功率）隨時間變化的快慢的物理量是______5______。5.反應堆的動態(tài)穩(wěn)定性要求其特征方程的所有根位于復平面上的______6______象限（實部為負）。6.在反應堆穩(wěn)態(tài)運行時，中子源強度與中子密度（或功率）的比值稱為______7______。7.控制棒的大部分插入深度對應的反應性吸收值稱為______8______。8.某些反應堆（如壓水堆）在功率變化時，由于蒸汽泡生成導致平均中子速度增大，從而引起反應性反饋，這種現(xiàn)象稱為______9______。9.為了確保反應堆在擾動下不會失穩(wěn)，必須保持一定的______10______，即臨界狀態(tài)附近k-effective的變化率。三、簡答題（請簡要回答下列問題。每小題5分，共25分）1.簡述中子經(jīng)濟（反應性）的概念及其在反應堆運行中的意義。2.解釋什么是反應堆的“次臨界”和“超臨界”狀態(tài)，并說明它們的物理意義。3.描述反應堆中控制棒的主要工作原理及其在維持反應堆穩(wěn)定運行中的作用。4.分析反應性反饋（特別是溫度反饋）對反應堆靜態(tài)穩(wěn)定性的影響。5.簡述反應堆動態(tài)穩(wěn)定性的基本要求，并解釋為何需要滿足這些要求。四、計算題（請列出必要的公式和計算步驟。每小題10分，共20分）1.假設一個反應堆的靜態(tài)反應性裕度（即從臨界到出現(xiàn)臨界欠驅動的反應性）為+0.02。在滿功率運行時，反應堆恰好處于臨界狀態(tài)（k-effective=1.0）。求該反應堆在滿功率運行時的穩(wěn)定裕度（即吸收足夠多控制棒使反應堆達到次臨界狀態(tài)-0.02所需的總吸收反應性）。（假設控制棒插入引起的吸收反應性是線性的）。2.已知某反應堆的反應性時間常數(shù)為τ_r=0.1秒，溫度時間常數(shù)為τ_t=5秒。假設由于某種擾動，反應堆的反應性發(fā)生了一個階躍變化，Δρ=0.01（無量綱）。估算該反應堆功率（中子密度）大約需要多長時間才能達到其最終穩(wěn)定值（忽略其他反饋效應）。五、論述題（請結合所學知識，條理清晰地闡述問題。共15分）結合反應堆穩(wěn)定性分析的基本原理，論述為何現(xiàn)代核反應堆設計中必須高度重視并確保反應堆的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性。請分別說明靜態(tài)穩(wěn)定裕度和動態(tài)穩(wěn)定裕度的重要性，并簡要提及工程師們通常采用哪些措施來保證反應堆的穩(wěn)定性。試卷答案一、選擇題1.B解析：反應堆處于臨界狀態(tài)，意味著每代中子數(shù)恰好等于上一代，反應性β必須等于0。2.B解析：冷卻劑溫度升高通常導致燃料原子密度降低，這是負反應性反饋。3.B解析：控制棒通過吸收中子來調(diào)節(jié)反應堆的凈反應性，從而控制功率水平。4.D解析：控制棒反應時間常數(shù)通常較短（毫秒級），直接影響系統(tǒng)對快速變化的響應，是動態(tài)穩(wěn)定性分析的關鍵參數(shù)。5.D解析：特征方程根的實部為正，意味著中子密度（或功率）隨時間指數(shù)增長，系統(tǒng)不穩(wěn)定。6.A解析：冷卻劑流量下降導致冷卻效果變差，燃料溫度升高，引起正的反應性反饋，導致反應性瞬時增大。7.B解析：靜態(tài)穩(wěn)定性裕度衡量的是反應堆從臨界偏離后，回到次臨界的反應性能力，即負反應性反饋的強度。8.B解析：對于有正空泡系數(shù)的堆（如壓水堆），功率升高導致蒸汽增加，平均中子速度增大，反應性反饋為負。9.C解析：動態(tài)穩(wěn)定性研究的是系統(tǒng)在擾動下自由振蕩的衰減或發(fā)散特性，關注頻率和阻尼。10.B解析：啟動過程涉及反應性、功率、溫度等多個參數(shù)的快速變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性面臨嚴峻考驗。二、填空題1.等于或大于1解析：k-effective≥1是維持鏈式反應持續(xù)進行的條件。2.超臨界的3.增長4.時間常數(shù)5.左半開解析：穩(wěn)定根位于s平面的左半開平面（實部小于等于零）。6.反應度7.控制棒價值8.正空泡系數(shù)效應9.穩(wěn)定裕度10.負反應性反饋三、簡答題1.中子經(jīng)濟（反應性）是指反應堆中中子增殖的凈效應。它定義為實際中子增殖因子k-effective與基準中子增殖因子k-effective,0之差，即Δk=k-effective-k-effective,0。反應性決定了反應堆狀態(tài)是次臨界、臨界還是超臨界，以及功率隨時間如何變化。正反應性導致功率增長，負反應性導致功率下降，零反應性表示功率穩(wěn)定。它是反應堆運行和調(diào)節(jié)的核心參數(shù)。2.次臨界狀態(tài)是指k-effective<1。在這種狀態(tài)下，每一代產(chǎn)生的中子數(shù)少于上一代，鏈式反應會逐漸衰減，中子密度（功率）最終趨于零。超臨界狀態(tài)是指k-effective>1。在這種狀態(tài)下，每一代產(chǎn)生的中子數(shù)多于上一代，鏈式反應會指數(shù)增長，中子密度（功率）無限增大。這兩種狀態(tài)代表了反應堆在沒有外部干預下，對初始中子源消失或引入的響應趨勢。3.控制棒通過嵌入反應堆堆芯中的吸收材料（如鎘、硼）來吸收中子。插入控制棒會增加吸收截面，降低中子密度和反應性；抽出控制棒則會減少吸收，提高中子密度和反應性。通過操作控制棒，可以精確地調(diào)節(jié)反應堆的反應性，從而控制反應堆的功率水平，并在反應堆發(fā)生功率異常增長時快速介入，將其抑制到安全水平，維持運行穩(wěn)定。4.溫度反饋是反應堆中常見的反饋機制。通常，反應堆功率升高會導致燃料溫度升高。溫度升高會引起兩種主要效應：一是燃料材料的熱膨脹，使燃料密度降低，反應性減??；二是某些材料（如鈾的自吸收系數(shù)）隨溫度升高而增大，也導致反應性減小。這種功率升高導致反應性減小的效應稱為負溫度反饋。負溫度反饋有助于抑制功率的過度增長，使反應堆功率趨于穩(wěn)定，因此是反應堆靜態(tài)穩(wěn)定性的重要保障。5.反應堆動態(tài)穩(wěn)定性的基本要求是：當反應堆受到外部擾動（如負載變化、控制棒快速移動等）偏離穩(wěn)態(tài)運行點后，其功率（或中子密度）能夠恢復到新的穩(wěn)定運行點，或者圍繞新的穩(wěn)定點進行小幅振蕩并最終衰減，而不會持續(xù)發(fā)散導致失穩(wěn)。這意味著系統(tǒng)的特征方程根必須全部位于復平面左半開平面。動態(tài)穩(wěn)定性確保反應堆在擾動下具有自我調(diào)節(jié)和恢復的能力，避免發(fā)生劇烈的功率振蕩或失穩(wěn)事故。四、計算題1.解：靜態(tài)反應性裕度Δρ_s=k_c-k_subc=0.02滿功率運行時反應堆處于臨界，k_full=k_c=1.0穩(wěn)定裕度定義為從滿功率狀態(tài)（k_full）到次臨界狀態(tài)（k_subc=1-Δρ_s）所需的吸收反應性。所需吸收反應性Δρ_needed=k_full-k_subc=k_full-(k_full-Δρ_s)=Δρ_sΔρ_needed=0.02答：該反應堆在滿功率運行時的穩(wěn)定裕度為+0.02。（注：題目假設控制棒吸收反應性線性，且裕度僅由反應性決定，未考慮空間效應等）2.解：反應堆對階躍反應性輸入的響應可以近似為：ΔN(t)≈Δρ*(1-exp(-t/τ_r))（若τ_t>>τ_r）或ΔN(t)≈Δρ*τ_t*exp(-t/τ_r)（若τ_t<<τ_r）但更精確的描述是功率響應受兩個時間常數(shù)控制，達到最終值需要時間τ_r+τ_t。最終功率變化ΔN_final=Δρ*(τ_r+τ_t)（若以功率表示）所需時間t≈τ_r+τ_t（功率達到最終值的1-exp(-1)≈63%所需時間近似為兩個時間常數(shù)的和）t≈0.1s+5s=5.1s答：該反應堆功率大約需要5.1秒才能達到其最終穩(wěn)定值。五、論述題反應堆的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性對于保障核電站的安全、可靠和經(jīng)濟運行至關重要。靜態(tài)穩(wěn)定性是指反應堆在受到緩慢變化或微小擾動后，能夠自動恢復到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)或回到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力。它主要由反應堆的負反應性反饋機制（如溫度反饋、空泡反饋等）提供。靜態(tài)穩(wěn)定裕度（通常是負反應性反饋的量度）越高，反應堆在功率變化或溫度波動時越不容易失穩(wěn)。足夠的靜態(tài)穩(wěn)定性裕度可以防止功率因微小擾動而持續(xù)增長，避免熱工極限的破壞，防止反應性堆芯熔化等嚴重事故，確保反應堆在各種正常運行工況下都能保持功率可控。沒有足夠的靜態(tài)穩(wěn)定性，反應堆無法穩(wěn)定運行。動態(tài)穩(wěn)定性是指反應堆在受到階躍擾動或快速變化后，其功率（或中子密度）響應不發(fā)生持續(xù)發(fā)散振蕩，而是能夠衰減至新的穩(wěn)定值或圍繞新穩(wěn)態(tài)點小幅度振蕩后衰減的能力。它涉及反應堆的時間常數(shù)（如反應性時間常數(shù)、溫度時間常數(shù)、控制棒時間常數(shù)等）和反饋效應的快慢。動態(tài)穩(wěn)定裕度（通常通過特征方程根的分布判斷）決定了系統(tǒng)對快速擾動的響應特性。良好的動態(tài)穩(wěn)定性可以防止因快速功率變化或控制棒操作引起的功率振蕩或“擺蕩”（Riposte），這些振蕩可能導致蒸汽發(fā)生器傳熱惡化、控制棒卡澀失效等問題