2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核反應(yīng)堆中的燃料循環(huán)系統(tǒng)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項(xiàng)的字母填在括號內(nèi)，每題2分，共20分）1.天然鈾中，鈾-238的體積分?jǐn)?shù)約占（）。A.0.7%B.99.27%C.2.3%D.98.3%2.下列哪種方法不屬于鈾的氣體擴(kuò)散法富集過程中的關(guān)鍵步驟？（）A.將鈾轉(zhuǎn)化成六氟化鈾（UF?）氣體B.利用離心機(jī)分離不同豐度的UF?氣體C.通過多級壓縮機(jī)提高UF?氣體壓力D.將濃縮后的UF?轉(zhuǎn)化為U?O?3.核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)輻照后，出現(xiàn)的“燃料棒腫脹”現(xiàn)象主要是由以下哪個(gè)因素引起的？（）A.裂變碎片的積累B.燃料棒機(jī)械損傷C.中子輻照導(dǎo)致的石墨化D.燃料材料相變4.在核燃料后處理中，PUREX流程主要利用什么原理分離鈾和钚？（）A.不同的密度B.不同的質(zhì)子數(shù)C.不同的化學(xué)性質(zhì)（在特定溶劑中）D.不同的中子俘獲截面5.高放核廢料（HLW）通常是指在其產(chǎn)生后需要立即進(jìn)行（）處理的放射性廢物？A.燃燒B.堆積C.冷卻D.固化6.下列哪種核素通常被認(rèn)為是壓水堆核燃料中的主要中子毒物？（）A.鈾-234B.銫-137C.氙-135D.钚-2397.核燃料循環(huán)中，將鈾氧化物（U?O?）轉(zhuǎn)化為六氟化鈾（UF?）的過程稱為（）。A.鈾轉(zhuǎn)化B.鈾濃縮C.燃料制造D.乏燃料后處理8.對于核廢料的深地質(zhì)處置，通常選擇的花崗巖等地質(zhì)介質(zhì)，其主要優(yōu)勢在于（）。A.易于挖掘B.具有良好的天然輻射屏蔽能力C.地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定D.水資源豐富9.MOX燃料是指（）。A.金屬氧化物燃料B.鉬-鋯合金燃料C.含有钚的氧化物燃料D.快堆專用燃料10.下列哪項(xiàng)措施不屬于核燃料循環(huán)過程中輻射防護(hù)的一部分？（）A.使用屏蔽材料B.加強(qiáng)通風(fēng)C.對工作人員進(jìn)行定期體檢D.延長燃料在堆內(nèi)運(yùn)行時(shí)間二、填空題（請將答案填在橫線上，每空1分，共15分）1.核燃料循環(huán)主要包括核燃料的______、在反應(yīng)堆中的______、乏燃料的后處理以及核廢料的______四個(gè)主要環(huán)節(jié)。2.鈾濃縮是指增加______同位素在天然鈾中的相對豐度。3.核燃料在輻照過程中會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，如______、相變和輻照損傷等，這些變化會(huì)影響燃料的性能和安全性。4.乏燃料后處理的主要目的是將乏燃料中的______與高放廢物分離，以便回收有用的核燃料或進(jìn)行安全處置。5.目前，核廢料深地質(zhì)處置被認(rèn)為是______處置高放廢料的長期解決方案之一。6.在核反應(yīng)堆中，某些裂變產(chǎn)物具有強(qiáng)烈的吸收中子的能力，被稱為______，它們的存在會(huì)降低反應(yīng)堆的功率。7.除了鈾濃縮，另一種重要的核燃料制備技術(shù)是______，它比氣體擴(kuò)散法更經(jīng)濟(jì)高效。8.核燃料循環(huán)過程中的任何環(huán)節(jié)都伴隨著放射性物質(zhì)和輻射的產(chǎn)生，因此______貫穿于整個(gè)燃料循環(huán)。9.快堆可以使用______作為燃料，這有助于實(shí)現(xiàn)更高效的核燃料利用和減少長壽命放射性廢物的產(chǎn)生。10.放射性廢物的______是指其放射性強(qiáng)度隨時(shí)間衰減的過程。三、簡答題（請簡要回答下列問題，每題5分，共20分）1.簡述核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)運(yùn)行過程中主要發(fā)生哪些物理化學(xué)變化，并說明這些變化對燃料性能和安全性的影響。2.簡要說明PUREX流程的基本原理及其主要步驟。3.簡述核廢料深地質(zhì)處置的基本概念及其需要滿足的主要安全要求。4.簡述核燃料循環(huán)對實(shí)現(xiàn)核能可持續(xù)發(fā)展和減少核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)的意義。四、計(jì)算題（請列出計(jì)算過程并給出結(jié)果，每題10分，共20分）1.某批天然鈾的鈾-235豐度為0.7%。假設(shè)采用氣體擴(kuò)散法將其濃縮至3%（質(zhì)量比），試估算至少需要經(jīng)過幾級擴(kuò)散（假設(shè)每級擴(kuò)散效率為90%）。（提示：可以使用逐級濃縮公式或?qū)?shù)變換方法）2.假設(shè)某乏燃料組件在反應(yīng)堆中運(yùn)行了3年，產(chǎn)生的總衰變熱為5.0x10?W。如果不考慮其他能量形式，試估算該乏燃料組件每年產(chǎn)生的衰變熱是多少瓦特？（提示：注意功率單位轉(zhuǎn)換和功率與能量的關(guān)系）---試卷答案一、選擇題1.B2.B3.A4.C5.D6.C7.A8.B9.C10.D二、填空題1.制備，運(yùn)行，處置2.鈾-2353.裂變產(chǎn)物積累4.鈾，钚5.地質(zhì)6.中子毒物7.離心法8.輻射防護(hù)9.MOX10.衰變?nèi)?、簡答題1.解析思路：首先列出燃料在堆內(nèi)發(fā)生的主要變化：裂變產(chǎn)物產(chǎn)生與積累、燃料棒腫脹（物理增粗）、輻照脆化（力學(xué)性能下降）、相變（如UO?→UO?+）、吸気（H?O，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕）、包殼腫脹等。然后分別說明這些變化對性能（如功率分布、中子經(jīng)濟(jì)、力學(xué)完整性）和安全性的影響（如增加裂變氣體釋放風(fēng)險(xiǎn)、降低抗輻照性能、可能引發(fā)堆內(nèi)事件）。2.解析思路：說明PUREX是溶劑萃取法。原理是利用強(qiáng)酸性磷酸型萃取劑（如TBP）在硝酸介質(zhì)中，選擇性地溶解和分離鈾、钚等裂變產(chǎn)物。關(guān)鍵在于鈾、钚與鐵離子（作為載體）在特定pH值下形成可溶的配合物，而大多數(shù)長壽命裂變產(chǎn)物（如錒系元素）和放射性碘不溶或溶解度極低。步驟包括：①原料準(zhǔn)備（溶解乏燃料）；②鈾和钚的萃??；③裂變產(chǎn)物的洗滌去除；④鈾和钚的反萃取回收；⑤溶劑再生。3.解析思路：概念是：將高活性、長壽命的放射性廢物（特別是高放廢物）封裝在耐腐蝕容器中，并深埋在地下數(shù)百米深處穩(wěn)定地質(zhì)構(gòu)造（如花崗巖）中，利用多重屏障系統(tǒng)（廢物包殼、緩沖介質(zhì)、圍巖）長期隔離放射性物質(zhì)，防止其進(jìn)入環(huán)境。主要安全要求：①堆址選擇（地質(zhì)穩(wěn)定性、水文地質(zhì)條件、遠(yuǎn)離人口密集區(qū)）；②多重屏障設(shè)計(jì)（確保即使發(fā)生多重故障也不會(huì)泄漏到環(huán)境）；③長期監(jiān)測系統(tǒng)（監(jiān)測庫內(nèi)外環(huán)境及廢物狀態(tài)）；④安全評價(jià)（論證長期安全性）；⑤運(yùn)營和退役規(guī)范。4.解析思路：核燃料循環(huán)通過回收和利用乏燃料中的鈾和钚，可以顯著提高天然鈾和钚的利用效率（例如，MOX燃料），從而在消耗相同量的鈾資源的情況下產(chǎn)生更多的能量，有助于緩解能源壓力。同時(shí)，通過后處理將長壽命放射性廢物與短壽命廢物分離，可以實(shí)現(xiàn)高放廢物的固化處置，并回收的鈾钚可用于生產(chǎn)新的核燃料，減少需要長期管理的放射性廢物體積，降低核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)（因?yàn)闇p少了可用于制造核武器的分離钚）。四、計(jì)算題1.解析思路：使用逐級濃縮公式P<0xE2><0x82><0x99>=(P?*R)^(N-1)/(1+(N-1)R)，其中P<0xE2><0x82><0x99>是第N級出口的豐度，P?是入口豐度，R是單級分離功（對于90%效率，R=0.1）。設(shè)目標(biāo)豐度P<0xE2><0x82><0x99>=0.03，入口豐度P?=0.007，求解N。也可以通過對數(shù)變換：log(P<0xE2><0x82><0x99>/P?)≈(N-1)log(R/(1-R))。或者近似使用(N-1)≈log(P<0xE2><0x82><0x99>/P?)/log(R)。計(jì)算得N≈7.1，取整為至少需要8級。2.解析思路：首先將總功率單位從W轉(zhuǎn)換為W/年，即5.0x10?W*365.25days/year*24hours/day*3600s/hour=1.548x101?J/year。然后計(jì)算平均到每年的功率：1.548x101?J/year/3years=5.16x1012J/year。將能量轉(zhuǎn)換為功率（功率=