2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫(kù)——核材料的輻照損傷機(jī)理研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.材料在輻照作用下產(chǎn)生點(diǎn)缺陷的主要兩種類型是______和______。2.熱中子輻照輕水堆壓力容器主要發(fā)生的輻照誘導(dǎo)核反應(yīng)是______。3.輻照引起的材料體積膨脹現(xiàn)象稱為______。4.用于表征材料中位錯(cuò)密度和分布的常用技術(shù)是______。5.半導(dǎo)體材料輻照損傷主要導(dǎo)致其電學(xué)性能下降，如______下降和______增加。6.輻照損傷的微觀結(jié)構(gòu)演變過(guò)程主要包括缺陷的______、______和______。7.通過(guò)控制輻照溫度可以影響缺陷的______和______。二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述中子與物質(zhì)相互作用的主要方式及其在輻照損傷中的作用。2.解釋什么是輻照脆化現(xiàn)象，并簡(jiǎn)述其在金屬材料中的微觀機(jī)制。3.簡(jiǎn)述透射電鏡（TEM）在輻照損傷表征中的作用。4.為了減輕核材料的輻照損傷，可以從材料選擇和輻照工藝兩方面入手，請(qǐng)分別簡(jiǎn)述。三、論述題（每題10分，共30分）1.詳細(xì)論述位錯(cuò)在輻照損傷中的作用，包括位錯(cuò)的形核、運(yùn)動(dòng)、交互作用以及它們對(duì)材料宏觀性能的影響。2.以一種具體的金屬材料（如鋯合金或不銹鋼）為例，論述其主要的輻照損傷機(jī)制及其對(duì)材料性能（力學(xué)、蠕變、腐蝕等）的影響。3.比較和contrast(對(duì)比)金屬和半導(dǎo)體材料在輻照損傷機(jī)理上的主要異同點(diǎn)。四、計(jì)算題（共30分）1.（15分）一塊面積為10cm2的金屬樣品，在熱中子通量為1.0×1012n/cm2·s的輻照下照射了1×10?小時(shí)。假設(shè)每個(gè)熱中子產(chǎn)生1對(duì)點(diǎn)缺陷（空位和填隙原子），且缺陷復(fù)合忽略不計(jì)。計(jì)算此期間在樣品中總共產(chǎn)生了多少對(duì)點(diǎn)缺陷？（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）2.（15分）某材料在輻照后測(cè)得位錯(cuò)密度為1×10?cm?2。已知該材料每個(gè)位錯(cuò)環(huán)的半徑為10nm，位錯(cuò)環(huán)的體積分?jǐn)?shù)為1%。假設(shè)位錯(cuò)環(huán)是理想球形，計(jì)算每個(gè)位錯(cuò)環(huán)占據(jù)的體積是多少立方厘米？10cm3的該材料中大約含有多少個(gè)這樣的位錯(cuò)環(huán)？（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）五、分析題（共20分）1.假設(shè)你正在研究一種用于快堆的新型鋯合金材料，初步的輻照測(cè)試結(jié)果顯示該材料在較高劑量下出現(xiàn)了顯著的輻照脆化和蠕變速率增加。請(qǐng)分析可能的主要輻照損傷機(jī)制，并提出幾種可以用來(lái)進(jìn)一步表征其輻照損傷微觀結(jié)構(gòu)和性能的技術(shù)方案，并簡(jiǎn)要說(shuō)明選擇理由。試卷答案一、填空題1.空位，填隙原子2.(n,γ)3.輻照腫脹4.透射電鏡（TEM）5.載流子壽命，漏電流6.產(chǎn)生，遷移，聚集7.產(chǎn)生，復(fù)合二、簡(jiǎn)答題1.解析思路：中子與物質(zhì)相互作用主要有散射（彈性散射、非彈性散射）和吸收。彈性散射（主要是質(zhì)子散射）改變中子方向，非彈性散射中子損失能量激發(fā)原子核，吸收則發(fā)生核反應(yīng)（如(n,γ)）。這些相互作用導(dǎo)致能量沉積，產(chǎn)生熱效應(yīng)和輻照損傷（直接位移損傷和間接位移損傷）。2.解析思路：輻照脆化是指材料在輻照后，即使在較低溫度下也表現(xiàn)出強(qiáng)度升高、塑性急劇下降的現(xiàn)象。微觀機(jī)制主要在于輻照產(chǎn)生的缺陷（尤其是位錯(cuò)）難以移動(dòng)，同時(shí)形成大量的缺陷團(tuán)簇或相變產(chǎn)物，阻礙了位錯(cuò)的滑移。3.解析思路：TEM能夠提供很高的分辨率，可以清晰地觀察到材料中的點(diǎn)缺陷（空位、填隙原子）、位錯(cuò)線、位錯(cuò)環(huán)、輻照產(chǎn)生的相界等微觀結(jié)構(gòu)特征，是研究輻照損傷的金標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)之一。4.解析思路：材料選擇上可選用本身輻照抗性好（如含有易形成穩(wěn)定相、輻照后脆化傾向?。┗蛲ㄟ^(guò)輻照能獲得有益性能（如輻照硬化）的材料，或添加合金元素改變相組成和穩(wěn)定性。輻照工藝上可通過(guò)控制溫度（如采用高溫輻照）抑制缺陷形成、促進(jìn)缺陷復(fù)合，控制劑量率減緩損傷累積速率。三、論述題1.解析思路：首先闡述位錯(cuò)的產(chǎn)生機(jī)制（如原子位移損傷）。然后重點(diǎn)論述位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)（攀移、滑移），以及輻照產(chǎn)生的缺陷（空位、填隙原子）如何影響位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)（釘扎、交滑移、形成位錯(cuò)環(huán)/位錯(cuò)塞積）。接著論述位錯(cuò)與位錯(cuò)的交互作用（纏結(jié)、形成胞狀結(jié)構(gòu)）。最后總結(jié)位錯(cuò)及其演化對(duì)材料屈服強(qiáng)度（提高）、塑性（下降）、蠕變速率（增加）等宏觀性能的影響。2.解析思路：選擇一種材料（如鋯合金Zralloy），首先介紹其在核反應(yīng)堆中的應(yīng)用背景。然后詳細(xì)闡述其主要輻照損傷機(jī)制，如：①熱中子輻照產(chǎn)生的(n,γ)反應(yīng)，形成奧氏體相變產(chǎn)物（如ZrO?陶瓷相）；②熱中子直接位移損傷產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)；③缺陷的聚集、遷移和重排形成的位錯(cuò)環(huán)、相界等；④這些損傷的累積導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)變化（如晶粒粗化、相分離）。最后分析這些微觀結(jié)構(gòu)變化如何具體影響宏觀性能，例如：輻照硬化（強(qiáng)度提高）、輻照脆化（塑性韌性下降）、蠕變速率增加、蠕變抗力下降、腐蝕性能變化（如點(diǎn)蝕敏感性增加）等。3.解析思路：首先對(duì)比相同點(diǎn)：兩者都因輻射場(chǎng)與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的能量沉積而損傷；損傷都涉及點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)的產(chǎn)生、遷移和聚集；宏觀上都可能表現(xiàn)為性能退化（如強(qiáng)度變化、脆化）。然后對(duì)比不同點(diǎn)：①輻照損傷機(jī)制側(cè)重不同：金屬主要靠直接位移損傷（中子碰撞），半導(dǎo)體除位移損傷外，電離產(chǎn)生的載流子及其復(fù)合過(guò)程也起重要作用。②缺陷演化行為不同：金屬中位錯(cuò)易運(yùn)動(dòng)和交互，形成位錯(cuò)結(jié)構(gòu)；半導(dǎo)體中點(diǎn)缺陷易俘獲載流子形成色心，影響電學(xué)性質(zhì)。③表征手段側(cè)重點(diǎn)不同：金屬損傷常用TEM觀察缺陷和結(jié)構(gòu)；半導(dǎo)體損傷常用電學(xué)測(cè)量（壽命、電導(dǎo)率）和Hall效應(yīng)。④最終性能影響側(cè)重點(diǎn)不同：金屬關(guān)注力學(xué)性能（強(qiáng)度、韌性）；半導(dǎo)體關(guān)注電學(xué)性能（載流子壽命、漏電流）。四、計(jì)算題1.解析思路：計(jì)算總點(diǎn)缺陷數(shù)=熱中子通量×樣品面積×輻照時(shí)間×每個(gè)中子產(chǎn)生的缺陷數(shù)。注意單位統(tǒng)一，特別是通量單位要換算為cm2·s?1。計(jì)算：N=(1.0×1012n/cm2·s)×(10cm2)×(1×10?h)×(1pair/n)×(3600s/h)N=1.0×1012×10×10?×3600×1N=3.6×102?pairs結(jié)果：3.6×102?對(duì)2.解析思路：計(jì)算單個(gè)位錯(cuò)環(huán)體積V環(huán)=(4/3)πr3。然后計(jì)算10cm3材料中含有的位錯(cuò)環(huán)數(shù)N環(huán)=(材料體積×位錯(cuò)環(huán)體積分?jǐn)?shù))/V環(huán)。注意單位換算，r需換算為cm。計(jì)算：V環(huán)=(4/3)π(10nm)3=(4/3)π(10×10??cm)3=(4/3)π×10?1?cm3≈4.19×10?1?cm3N環(huán)=(10cm3×1%)/(4.19×10?1?cm3)N環(huán)=0.1cm3/4.19×10?1?cm3N環(huán)≈2.4×101?個(gè)結(jié)果：2.4×101?個(gè)五、分析題解析思路：首先分析輻照脆化和蠕變速率增加暗示了哪些損傷機(jī)制占主導(dǎo)。脆化指向位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，可能由位錯(cuò)釘扎、相脆化或晶粒細(xì)化引起。蠕變速率增加也常與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)（釘扎增強(qiáng)或晶界滑移）。結(jié)合鋯合金輻照特點(diǎn)，主要機(jī)制應(yīng)是：①熱中子輻照產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷與鋯原子發(fā)生核反應(yīng)生成穩(wěn)定的ZrO?陶瓷相（相脆化）；②點(diǎn)缺陷聚集形成位錯(cuò)環(huán)，釘扎位錯(cuò)；③位錯(cuò)環(huán)與位錯(cuò)環(huán)、位錯(cuò)環(huán)與基體相互作用，形成復(fù)雜的缺陷網(wǎng)絡(luò)，嚴(yán)重阻礙位錯(cuò)滑移（位錯(cuò)釘扎）。提出表征技術(shù)方案時(shí)，需針對(duì)不同層面的損傷選擇合適的技術(shù)：①觀察微觀結(jié)構(gòu)演變：TEM（觀察點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、相界