2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核反應(yīng)器安全監(jiān)測技術(shù)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述中子裂變過程的關(guān)鍵步驟及伴隨發(fā)生的輻射類型。2.說明蓋革-米勒計數(shù)器能夠測量輻射強度的基本原理。3.列舉至少三種用于監(jiān)測核反應(yīng)堆堆芯輻照水平的常用儀器，并簡述其工作原理區(qū)別。4.闡述核反應(yīng)堆安全監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)置冗余設(shè)計的主要目的。5.解釋什么是反應(yīng)堆的空泡系數(shù)，及其對安全監(jiān)測的意義。二、計算題（每題10分，共20分）1.某監(jiān)測點受到137Cs放射源的γ射線照射，測得劑量率為1.2μGy/h。已知137Cs的主要γ射線能量為661keV，其環(huán)境比釋動能率因子（k_air）為0.085MeV^-1·cm²·g^-1。請計算該點附近空氣的比釋動能率（單位：μGy/h），并說明此計算結(jié)果與實際人員體表受照劑量率之間的關(guān)系和區(qū)別。2.一個核反應(yīng)堆的安全監(jiān)測系統(tǒng)需要探測堆芯中子通量變化。假設(shè)在正常功率運行時，中子注量率為1.0×10¹²n/cm²/s。若設(shè)計要求，當(dāng)中子注量率變化超過正常值的20%時，監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出警報。請計算發(fā)出警報時，中子注量率的具體數(shù)值范圍（以s^-1·cm^-2為單位）。三、論述題（每題25分，共50分）1.論述核反應(yīng)堆在正常運行和事故工況下，對輻射水平監(jiān)測的需求有何不同？針對這些不同需求，應(yīng)采用哪些不同的監(jiān)測技術(shù)和策略？2.結(jié)合你所學(xué)的核物理知識和輻射探測技術(shù)，論述如何設(shè)計一個用于監(jiān)測核反應(yīng)堆燃料元件是否發(fā)生破損的早期預(yù)警系統(tǒng)。請說明需要監(jiān)測的物理量、選用的探測原理、系統(tǒng)組成思路以及需要考慮的關(guān)鍵因素。試卷答案一、簡答題1.答案：中子被重核（如鈾-235）吸收后，激發(fā)核發(fā)生裂變，裂變產(chǎn)物是兩個中等質(zhì)量的核（裂變碎片），同時釋放出2-3個中子、釋放大量能量（主要是動能）和γ射線。關(guān)鍵步驟包括：中子被靶核吸收、復(fù)合核形成、復(fù)合核裂變、裂變碎片和中子飛出、γ射線發(fā)射。伴隨發(fā)生的輻射類型主要是中子（裂變中子）和γ射線。解析思路：考察對核裂變基本過程的掌握。首先要寫出裂變方程或描述過程，明確中子是引發(fā)裂變的初始條件，裂變產(chǎn)物是中等質(zhì)量的核，同時必然伴隨中子釋放（這是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的基礎(chǔ)）和能量釋放（γ射線是常見的伴隨輻射）。需按邏輯順序描述關(guān)鍵步驟。2.答案：當(dāng)帶電粒子（如α粒子、β粒子、正電子或電離輻射產(chǎn)生的電子）進(jìn)入蓋革-米勒管時，會使其內(nèi)部的氣體（通常是惰性氣體與少量鹵素混合物）發(fā)生電離。電離產(chǎn)生的電子在外加高電壓形成的強電場作用下，獲得足夠能量向陽極運動，并在途中再引發(fā)氣體分子鏈?zhǔn)诫婋x，形成“雪崩”放電。雪崩中心產(chǎn)生的瞬時大量自由電子被陽極收集，在外電路中形成一個短暫的電流脈沖。這個電流脈沖可以被電子放大電路轉(zhuǎn)換成電信號，從而記錄或顯示一次粒子電離事件。其核心原理是利用強電場引發(fā)氣體放電（雪崩），將單個粒子電離事件轉(zhuǎn)換為可測量的電流脈沖。解析思路：考察對蓋革-米勒計數(shù)器工作原理的理解。需區(qū)分粒子進(jìn)入、氣體電離、電場作用、雪崩形成、電荷收集和信號產(chǎn)生這幾個環(huán)節(jié)。重點在于高電壓、氣體雪崩效應(yīng)以及脈沖信號的產(chǎn)生。3.答案：常用儀器包括：中子劑量率儀（如基于3He或He-3proportionalcounters）、劑量（率）儀（如基于閃爍體或半導(dǎo)體探測器的γ劑量率儀）、輻射水平報警器（可測量γ射線或α/β射線）。工作原理區(qū)別：中子劑量率儀主要通過中子與探測介質(zhì)作用產(chǎn)生次級帶電粒子（如正電子，被3He吸收產(chǎn)生氦原子；或中子引起探測器材料核反應(yīng)產(chǎn)生帶電粒子），再測量這些帶電粒子形成的電信號；γ劑量（率）儀則直接測量γ光子與探測器相互作用（如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)）產(chǎn)生的電子（或光電子、反沖電子）形成的電信號。輻射水平報警器原理類似，但通常設(shè)計為達(dá)到一定閾值即發(fā)出聲光信號。解析思路：考察對不同類型監(jiān)測儀器的了解。首先要列出至少三種，并注明其測量的對象（中子/γ射線）。然后重點解釋不同類型探測器測量原理的根本區(qū)別，即中子探測器通常測量次級帶電粒子信號，而γ探測器直接測量光子相互作用產(chǎn)生的信號。4.答案：冗余設(shè)計的主要目的是提高核反應(yīng)堆安全監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、可用性和安全性。通過設(shè)置備用系統(tǒng)或備用組件（如備用傳感器、備用處理單元、備用電源、備用通信線路等），當(dāng)主系統(tǒng)發(fā)生故障、失效或需要維護(hù)時，備用系統(tǒng)能夠及時投入運行，確保關(guān)鍵參數(shù)的持續(xù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸以及報警和應(yīng)急措施的有效執(zhí)行，從而防止因監(jiān)測系統(tǒng)失效導(dǎo)致的安全事件或加劇事故后果。解析思路：考察對系統(tǒng)可靠性設(shè)計原則的理解。核心在于解釋什么是冗余（有備份），以及設(shè)置備份的目的是什么（保證系統(tǒng)在故障時仍能正常工作）。需要強調(diào)對安全監(jiān)測系統(tǒng)的重要性。5.答案：空泡系數(shù)是指反應(yīng)堆冷卻劑從液體變?yōu)檎羝麜r，由于蒸汽的慢化能力遠(yuǎn)低于液體，導(dǎo)致堆芯中子平均自由程顯著增加，從而引起中子通量分布發(fā)生改變（通常在空泡區(qū)域通量增加）的系數(shù)。它反映了反應(yīng)性反饋效應(yīng)對反應(yīng)堆功率和穩(wěn)定性的影響。對安全監(jiān)測的意義在于：監(jiān)測空泡系數(shù)的變化可以間接反映冷卻劑狀態(tài)（如失水事故），空泡系數(shù)的變化會顯著影響堆芯中子譜和反應(yīng)性反饋，進(jìn)而影響堆芯功率和溫度分布，因此監(jiān)測空泡系數(shù)及其對其他參數(shù)的影響是反應(yīng)堆安全監(jiān)控的重要方面。解析思路：考察對空泡系數(shù)概念及其物理意義的理解。首先要解釋空泡系數(shù)的定義（蒸汽對中子慢化的影響程度）。然后說明其對反應(yīng)堆運行參數(shù)（功率、反應(yīng)性）的影響。最后點明其在安全監(jiān)測中的重要性（反映冷卻劑狀態(tài)，影響堆芯參數(shù)，是安全監(jiān)控的指標(biāo)）。二、計算題1.答案：*計算空氣比釋動能率k_air：k_air=0.085MeV^-1·cm²·g^-1*γ射線能量E=661keV=661×10³eV=661×10³×1.602×10^-19J=1.06×10^-14J*將能量單位換算為MeV：E=661keV=0.661MeV*計算空氣比釋動能率：k_air×E=0.085MeV^-1·cm²·g^-1×0.661MeV=0.0562MeV·cm²·g^-1*換算為Gy/s（Gy=J/kg=MeV·cm²·g^-1）：0.0562Gy/s*換算為μGy/h：0.0562Gy/s×(3600s/h)×(10⁶μGy/Gy)=201.92μGy/h*關(guān)系與區(qū)別：計算得到的空氣比釋動能率（201.92μGy/h）是在假設(shè)γ射線完全在空氣中損失能量的情況下，由該能量γ射線產(chǎn)生的空氣吸收劑量率。實際人員體表受照劑量率會受到屏蔽、距離、人體組織特性（相對空氣的質(zhì)能吸收系數(shù)不同）以及γ射線在組織中產(chǎn)生的次級效應(yīng)（如軔致輻射）等多種因素影響，通常遠(yuǎn)小于空氣比釋動能率。解析思路：計算題1考查基本物理量的換算和關(guān)系推導(dǎo)。關(guān)鍵在于理解比釋動能率k_air的物理意義（單位能量γ射線在空氣中產(chǎn)生的比釋動能），利用公式k_air=D_air/E（D_air為空氣比釋動能率，E為γ射線能量）進(jìn)行計算。注意單位統(tǒng)一（能量換算，時間單位換算）。最后要解釋計算結(jié)果的物理意義以及與實際人員劑量率的關(guān)系，指出兩者存在的差異及其原因。2.答案：*正常功率中子注量率Φ₀=1.0×10¹²n/cm²/s*允許變化范圍=±20%*超過正常值20%的注量率：*超過上限：Φ=Φ₀×(1+20%)=1.0×10¹²×1.20=1.2×10¹²n/cm²/s*低于下限：Φ=Φ₀×(1-20%)=1.0×10¹²×0.80=0.8×10¹²n/cm²/s*中子注量率的具體數(shù)值范圍是：[0.8×10¹²n/cm²/s,1.2×10¹²n/cm²/s]解析思路：計算題2考查比例計算和范圍確定。關(guān)鍵在于正確理解“超過正常值的20%”是指高于或低于正常值的20%。因此需要計算正常值的120%和80%，得到數(shù)值范圍。注意單位保持一致。三、論述題1.答案：核反應(yīng)堆正常運行時，功率相對穩(wěn)定，堆芯物理狀態(tài)（溫度、密度、空泡率）也相對平穩(wěn)，因此輻射水平監(jiān)測的主要目標(biāo)是連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)測平均輻射水平，確保其不超過劑量限值，并為運行控制提供依據(jù)。通常采用固定安裝的、性能穩(wěn)定的長期監(jiān)測儀表（如劑量率儀、輻射水平報警器），覆蓋關(guān)鍵區(qū)域（控制室、人員出入口、環(huán)境監(jiān)測點），監(jiān)測主要是γ射線水平，并關(guān)注α射線水平以防止空氣中的可溶核素積累。在事故工況下，反應(yīng)堆可能經(jīng)歷功率急劇變化、燃料元件損壞、冷卻劑流失、熔化等極端事件，導(dǎo)致輻射水平發(fā)生劇烈、快速的變化，可能出現(xiàn)高劑量率、特殊核素（如碘、銫、鈾、钚的裂變碎片）釋放到環(huán)境中等復(fù)雜情況。因此，事故工況下的輻射水平監(jiān)測需求更為復(fù)雜和緊急：*監(jiān)測對象擴展：不僅需要監(jiān)測γ射線，還需要監(jiān)測可能釋放到環(huán)境中的α、β放射性核素的水平，以及堆芯內(nèi)部可能產(chǎn)生的高能中子或γ射線。*監(jiān)測速度要求提高：需要快速響應(yīng)，能夠?qū)崟r或準(zhǔn)實時監(jiān)測輻射水平的變化趨勢，以便及時預(yù)警和采取應(yīng)急措施。*監(jiān)測范圍擴大：可能需要監(jiān)測更廣泛的環(huán)境區(qū)域（廠區(qū)邊界、鄰近區(qū)域），以及堆芯內(nèi)部關(guān)鍵位置的輻射水平。*采用不同技術(shù)：可能需要使用短時比釋動能率儀、個人劑量計（用于人員防護(hù)評估）、便攜式監(jiān)測儀、在線監(jiān)測系統(tǒng)等多種手段。*強調(diào)系統(tǒng)可靠性：事故監(jiān)測系統(tǒng)必須具有極高的可靠性，能夠在惡劣環(huán)境下正常工作?？傊?，事故工況下的輻射水平監(jiān)測是應(yīng)急響應(yīng)的核心內(nèi)容，其目標(biāo)是快速、準(zhǔn)確地評估事故嚴(yán)重程度、確定風(fēng)險區(qū)域、指導(dǎo)應(yīng)急決策和人員疏散，與正常運行時側(cè)重于控制和限值的監(jiān)測有本質(zhì)區(qū)別。解析思路：論述題1要求對比分析兩種工況下的監(jiān)測需求差異。答案結(jié)構(gòu)應(yīng)先描述正常運行時的監(jiān)測特點（目標(biāo)、對象、手段、時效性），再重點闡述事故工況下監(jiān)測需求的改變（對象擴展、速度要求、范圍擴大、技術(shù)多樣、可靠性強調(diào)），并說明這些改變的原因（事故的復(fù)雜性和緊急性）。需要有理有據(jù)，邏輯清晰。2.答案：設(shè)計燃料元件破損早期預(yù)警系統(tǒng)需要綜合考慮核物理原理、輻射探測技術(shù)、系統(tǒng)可靠性和成本。設(shè)計思路如下：*需要監(jiān)測的物理量：燃料元件破損通常伴隨著中子吸收截面、釋放的裂變碎片（特別是易裂變核素）及其衰變產(chǎn)物（如碘-135、銫-137）的釋放。因此，理想監(jiān)測量應(yīng)能指示這些變化。主要考慮的物理量包括：1.堆芯中子通量分布的變化（特別是破損元件附近區(qū)域）。2.特定裂變碎片或其衰變產(chǎn)物的γ射線發(fā)射率變化（如碘-135的108keVγ射線，銫-137的661keVγ射線）。3.元件功率或溫度的異常變化（間接指示）。4.堆芯毒物（如鎘、硼）濃度的變化（如果被釋放）。*選用的探測原理：1.中子通量監(jiān)測：使用中子探測器陣列（如3He計數(shù)器或基于閃爍體/半導(dǎo)體探測器的中子傳感器），實時監(jiān)測堆芯中子注量率的空間分布。元件破損會導(dǎo)致其附近中子注量率發(fā)生變化。2.特定γ射線監(jiān)測：使用高靈敏度、高分辨率的高純鍺（HPGe）探測器或大型閃爍體陣列，選擇性測量特定能量（如108keV,661keV）的γ射線。如果破損元件大量釋放碘-135或銫-137，這些探測器的讀數(shù)會顯著增加，提供早期指示。3.溫度/功率監(jiān)測：使用嵌入堆芯或安裝在反應(yīng)堆容器外壁的熱電偶或輻射溫度計，監(jiān)測元件溫度異常升高。*系統(tǒng)組成思路：1.傳感器陣列：在堆芯關(guān)鍵區(qū)域和周圍布置中子探測器、γ探測器、溫度傳感器等。2.信號處理單元：對探測器輸出的信號進(jìn)行放大、甄別、編碼。3.數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)：將處理后的數(shù)據(jù)通過有線或無線方式傳輸?shù)街醒胩幚硐到y(tǒng)。4.數(shù)據(jù)處理與分析單元：對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，與正常運行數(shù)據(jù)庫比較，運用算法（如趨勢分析、異常檢測算法）識別偏離正常狀態(tài)的模式，判斷是否為燃料元件破損的早期跡象。5.預(yù)警與顯示單元