2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核裂變反應(yīng)與控制技術(shù)探究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述重核裂變的物理過程及其釋放能量的主要來源。說明在核反應(yīng)堆中，維持鏈式反應(yīng)需要滿足哪些基本條件。二、什么是反應(yīng)堆的宏觀截面？簡述反應(yīng)堆中常用的中子慢化劑和冷卻劑各自的作用及其選擇原則。三、解釋什么是反應(yīng)性。當反應(yīng)堆的反應(yīng)性分別為正、零、負時，簡要說明反應(yīng)堆功率將如何變化？臨界狀態(tài)的定義是什么？四、核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)會經(jīng)歷哪些物理和化學(xué)變化過程？這些變化對反應(yīng)堆的長期運行和安全控制有何影響？五、控制棒在核反應(yīng)堆中扮演著至關(guān)重要的角色。請詳細說明控制棒插入或拔出時，是如何影響反應(yīng)堆的反應(yīng)性的？其吸收中子的能力與反應(yīng)堆正常運行所需的中子經(jīng)濟性之間有何關(guān)系？六、簡述核反應(yīng)堆固有安全性的物理基礎(chǔ)。為了提高反應(yīng)堆的運行安全性，工程上通常采取哪些重要的安全措施？七、中子壽命（裂變中子壽命和先驅(qū)核壽命）對反應(yīng)堆的時間特性有何影響？請分別解釋這兩個壽命的含義及其在反應(yīng)堆動態(tài)過程中的作用。八、假設(shè)一個核反應(yīng)堆在某一時刻處于臨界狀態(tài)，如果突然向堆芯加入少量易裂變材料，簡要描述反應(yīng)堆從臨界到次臨界（或超臨界）狀態(tài)過渡過程中，中子數(shù)量和反應(yīng)堆功率可能發(fā)生的變化趨勢。九、反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的作用是什么？請列舉至少三種常見的反應(yīng)堆保護信號及其對應(yīng)的預(yù)期動作。十、結(jié)合核裂變鏈式反應(yīng)的原理，論述為何需要采用控制棒來調(diào)節(jié)反應(yīng)堆的功率輸出？如果完全移除控制棒，會對反應(yīng)堆運行產(chǎn)生什么后果？試卷答案一、裂變過程：重核（如U-235）吸收一個慢中子后變得極不穩(wěn)定，迅速分裂成兩個或多個較輕的碎片（裂變碎片），同時釋放出2-3個新的中子、大量的γ射線和巨大的能量。能量主要來源于裂變碎片的結(jié)合能相對于母核結(jié)合能的減少，即質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)化成的能量（根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2）。維持鏈式反應(yīng)條件：1)必須有足夠數(shù)量的易裂變?nèi)剂希ㄟ_到臨界的最小質(zhì)量）；2)吸收中子后能釋放足夠多的中子（即中子增殖系數(shù)k>1）；3)中子能在反應(yīng)堆內(nèi)有效存在，即中子壽命足夠長，并能被燃料吸收引發(fā)裂變。解析思路：第一問要求回答裂變的本質(zhì)和能量來源。裂變的本質(zhì)是重核分裂，能量來自質(zhì)量虧損。第二問要求知道維持鏈式反應(yīng)的三個基本物理條件：燃料量（臨界質(zhì)量）、中子增殖（k>1）、中子壽命與泄漏。二、宏觀截面定義：反應(yīng)堆中單位體積內(nèi)所有原子核的總截面，是微觀截面的統(tǒng)計平均值，反映了整個堆芯的反應(yīng)性特征。慢化劑作用與選擇原則：慢化劑的作用是將快中子減速為熱中子，以增加熱中子被易裂變?nèi)剂希ㄈ鏤-235）吸收的幾率。選擇原則包括：1)慢化效果好（能使中子能量有效降低至熱中子能區(qū)）；2)吸收截面小（盡量減少自身對中子的吸收）；3)適中的原子量（如氫、碳、重水、輕水）；4)優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)（如耐高溫高壓、不易活化、無腐蝕性、資源豐富、成本較低等）。冷卻劑作用與選擇原則：冷卻劑的作用是帶走反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱量，維持反應(yīng)堆在安全溫度下運行。選擇原則包括：1)高汽化潛熱或比熱容（高效散熱）；2)較低的熔點和沸點（適應(yīng)反應(yīng)堆工作溫度范圍）；3)熱導(dǎo)率高（利于傳熱）；4)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易與堆內(nèi)材料發(fā)生反應(yīng)或腐蝕；5)低中子吸收截面（減少對中子經(jīng)濟性的影響）；6)適中的成本和易得性。常用如水、重水、氦氣、鈉等。解析思路：宏觀截面是基本概念。慢化劑和冷卻劑的選擇原則是核心，需分別說明其主要功能（減速、散熱）以及選擇時需要權(quán)衡的多個物理和工程因素。三、反應(yīng)性定義：反應(yīng)堆中實際中子增殖系數(shù)k與基準中子增殖系數(shù)k?之差，即Δk=k-k?，它量化了反應(yīng)堆偏離臨界狀態(tài)的程度。反應(yīng)性變化對功率影響：正反應(yīng)性（Δk>0）：中子數(shù)目和反應(yīng)率指數(shù)增長，反應(yīng)堆功率急劇上升；零反應(yīng)性（Δk=0）：中子數(shù)目和反應(yīng)率基本穩(wěn)定，反應(yīng)堆功率恒定（處于臨界運行）；負反應(yīng)性（Δk<0）：中子數(shù)目和反應(yīng)率指數(shù)下降，反應(yīng)堆功率逐漸降低。臨界狀態(tài)定義：反應(yīng)堆中子增殖系數(shù)k等于1（k=1）的狀態(tài)。此時，每一代中子平均恰好維持上一代中子的數(shù)目，鏈式反應(yīng)穩(wěn)定進行，反應(yīng)堆功率恒定。這是反應(yīng)堆安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)狀態(tài)。解析思路：首先解釋反應(yīng)性的定義。然后根據(jù)反應(yīng)性正負零的不同，結(jié)合中子增殖與功率的關(guān)系，說明功率變化趨勢。最后給出臨界狀態(tài)的準確定義（k=1）。四、燃料變化過程：1)燃料棒內(nèi)易裂變?nèi)剂希ㄈ鏤-235）在中子轟擊下發(fā)生裂變；2)裂變產(chǎn)生大量的中子、裂變碎片（主要是鋇、鎘等重元素）和γ射線；3)裂變碎片通過衰變釋放能量并俘獲中子，逐漸形成新的穩(wěn)定的或次穩(wěn)態(tài)的豐中子同位素（即燃耗產(chǎn)物）；4)隨著燃耗的進行，燃料棒內(nèi)易裂變?nèi)剂希║-235）含量減少，燃耗產(chǎn)物含量增加。對運行和安全控制的影響：1)燃耗增加導(dǎo)致燃料的有效中子吸收截面增大（因燃耗產(chǎn)物吸收中子），反應(yīng)性逐漸下降（若不進行補償）；2)燃耗產(chǎn)物積聚會釋放衰變熱，若無有效移熱，可能導(dǎo)致燃料過熱甚至熔化；3)部分燃耗產(chǎn)物是強中子吸收體，可能形成“毒物”，顯著降低反應(yīng)堆的啟動能力或運行功率；4)燃料性能的變化（如密度、溫度系數(shù)）影響反應(yīng)堆的穩(wěn)定性和控制特性。因此，需要定期更換燃料（換料）或?qū)θ剂线M行后處理，以維持反應(yīng)堆的安全、高效運行。解析思路：描述燃料在反應(yīng)堆內(nèi)經(jīng)歷的主要物理化學(xué)變化（裂變、碎片俘獲、衰變）。然后分析這些變化對反應(yīng)堆運行（反應(yīng)性、功率）和安全（衰變熱、中毒）的具體影響，點明為何需要燃料管理（換料、后處理）。五、控制棒影響反應(yīng)性機制：控制棒由強吸收體材料（如鎘、硼）制成。當控制棒插入堆芯時，其吸收體材料吸收了本應(yīng)引發(fā)裂變或慢化劑中子，導(dǎo)致中子泄漏增加或有效裂變中子數(shù)減少，從而降低了宏觀反應(yīng)性（Δk變負）。反之，拔出控制棒則減少了吸收體對中子的俘獲，增加了有效中子數(shù)，提高了宏觀反應(yīng)性（Δk變正）。與中子經(jīng)濟性關(guān)系：控制棒的主要作用是調(diào)節(jié)反應(yīng)性，以控制反應(yīng)堆的功率輸出和狀態(tài)。正常運行時，反應(yīng)堆處于近臨界狀態(tài)（略正反應(yīng)性），依靠控制棒的微小移動來精確調(diào)節(jié)功率?？刂瓢舻脑O(shè)計需要兼顧有效吸收中子以調(diào)節(jié)反應(yīng)性，同時其自身的中子吸收特性不能過于“笨重”，以免過多消耗有用的慢化劑中子或冷卻劑中子，影響整體的中子經(jīng)濟性。因此，控制棒的材料選擇和幾何設(shè)計需要在吸收能力和對中子經(jīng)濟性的影響之間取得平衡。解析思路：第一問說明控制棒通過吸收中子來改變反應(yīng)性。第二問闡述控制棒在正常運行中對功率調(diào)節(jié)的作用，并強調(diào)其設(shè)計需要考慮對中子經(jīng)濟性的影響，即不能過度吸收有用中子。六、固有安全性物理基礎(chǔ)：反應(yīng)堆固有安全性主要依賴于兩個物理特性：1)正的空泡反應(yīng)性系數(shù)：當反應(yīng)堆冷卻劑（如水）沸騰，形成空泡時，水的吸收截面急劇下降，導(dǎo)致反應(yīng)性顯著增加（對于輕水堆，反應(yīng)性增加約+2%至+3%）。同時，空泡的存在增加了中子泄漏，導(dǎo)致功率密度下降。這兩個效應(yīng)疊加，使得反應(yīng)堆功率反而下降，從而抑制了堆芯熔化等事故的發(fā)生。2)正的反應(yīng)性溫度系數(shù)：對于大多數(shù)輕水堆，當堆芯溫度升高時，燃料的密度略有下降（使裂變中子產(chǎn)生率增加），同時慢化劑（水）的密度下降和平均慢化能增加（使中子減速效率降低），綜合效果是反應(yīng)性降低。這同樣具有負反饋作用，限制了反應(yīng)堆因過熱而導(dǎo)致的功率失控。工程安全措施：1)設(shè)置多重物理屏障：燃料芯塊、包殼、一回路壓力邊界、安全殼，防止放射性物質(zhì)外泄；2)強大的應(yīng)急冷卻系統(tǒng)：包括應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)（ECCS）、安全殼冷卻系統(tǒng)（SCS），確保在事故工況下能強制冷卻堆芯和安全殼；3)完善的控制與儀表系統(tǒng)：包括反應(yīng)堆保護系統(tǒng)（能自動識別事故信號并驅(qū)動安全措施）、控制系統(tǒng)（手動或自動調(diào)節(jié)功率）；4)設(shè)計基準事故分析：評估潛在最嚴重事故（如失水事故、失電事故）的發(fā)生概率和后果，并確保設(shè)計能應(yīng)對這些事故；5)嚴格的操作規(guī)程和人員培訓(xùn)：確保運行人員能夠正確處理各種工況。解析思路：先解釋固有安全性的兩個關(guān)鍵物理原理（正空泡系數(shù)、正溫系數(shù)），說明它們?nèi)绾翁峁┴摲答仭Ｈ缓罅信e工程上為實現(xiàn)和加強安全性所采取的一系列設(shè)計和技術(shù)措施。七、裂變中子壽命（λf）：指在一個裂變事件發(fā)生后，平均需要多長時間才釋放出一個初始裂變中子。它主要反映裂變中子在從產(chǎn)生到離開平衡（慢化、擴散）過程中所花費的平均時間。其倒數(shù)（1/λf）大致等于初始裂變中子的平均飛行時間。先驅(qū)核壽命（λp）：指在發(fā)生裂變產(chǎn)生一次γ射線（或衰變產(chǎn)物）后，平均需要多長時間才釋放出一個由該裂變產(chǎn)生的次級中子（即先驅(qū)核衰變中子）。其倒數(shù)（1/λp）大致等于由一次裂變產(chǎn)生的一個次級中子從產(chǎn)生到離開平衡（慢化、擴散）過程中所花費的平均時間。對反應(yīng)堆動態(tài)過程的作用：1)它們決定了反應(yīng)堆的時間常數(shù)。反應(yīng)堆的動態(tài)特性（如功率響應(yīng)、反應(yīng)性引入后的功率變化速率）與這兩個壽命密切相關(guān)。壽命越短，反應(yīng)堆的時間常數(shù)越小，動態(tài)響應(yīng)越快；壽命越長，時間常數(shù)越大，動態(tài)響應(yīng)越慢。2)在反應(yīng)性階躍變化時，中子數(shù)的瞬時變化速率不僅取決于新的反應(yīng)性，還受到中子壽命的影響（通過中子方程的時變項）。3)它們影響反應(yīng)堆的瞬態(tài)穩(wěn)定性。例如，較長的中子壽命可能導(dǎo)致系統(tǒng)對某些反饋效應(yīng)的響應(yīng)更緩慢，影響瞬態(tài)過程的發(fā)展。解析思路：首先分別定義裂變中子壽命和先驅(qū)核壽命，并解釋其物理含義（反映中子從產(chǎn)生到離開平衡的平均時間）。然后說明這兩個壽命是決定反應(yīng)堆動態(tài)特性的關(guān)鍵參數(shù)（影響時間常數(shù)、響應(yīng)速度、瞬態(tài)過程），并簡要提及它們在描述中子時變過程中的作用。八、從臨界到次臨界（或超臨界）過渡：1.加入易裂變材料（使反應(yīng)堆從k=1變?yōu)閗>1）：*中子數(shù)變化：由于k>1，每一代中子數(shù)都將比上一代多。中子數(shù)將指數(shù)級增長（N(t)≈N?*exp(kt/λf)）。初始階段增長最快。*反應(yīng)率變化：反應(yīng)率（每單位時間每體積發(fā)生的裂變次數(shù)）與中子注量率近似成正比（ρ≈N*σf），因此反應(yīng)率也將指數(shù)級增長。*功率變化：反應(yīng)堆功率與反應(yīng)率成正比，因此功率也指數(shù)級急劇上升。如果反應(yīng)性足夠大且增長快，會迅速進入超臨界狀態(tài)（k>>1），功率上升更快。*描述：加入易裂變材料后，反應(yīng)堆迅速從不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)進入超臨界狀態(tài)，導(dǎo)致中子數(shù)、反應(yīng)率和功率急劇、指數(shù)級地上升。2.加入吸收體（使反應(yīng)堆從k=1變?yōu)閗<1）：*中子數(shù)變化：由于k<1，每一代中子數(shù)都將比上一代少。中子數(shù)將指數(shù)級衰減（N(t)≈N?*exp(kt/λf)）。初始階段衰減較快。*反應(yīng)率變化：反應(yīng)率與中子數(shù)成正比，因此反應(yīng)率也將指數(shù)級衰減。*功率變化：反應(yīng)堆功率與反應(yīng)率成正比，因此功率也指數(shù)級急劇下降。*描述：加入吸收體后，反應(yīng)堆迅速從臨界狀態(tài)進入次臨界狀態(tài)，導(dǎo)致中子數(shù)、反應(yīng)率和功率急劇、指數(shù)級地下降，直至穩(wěn)定在新的次臨界狀態(tài)或完全停堆。解析思路：根據(jù)反應(yīng)性k的變化（>1,<1,=1），運用中子方程的基本原理（中子數(shù)增長/衰減速率與反應(yīng)性k成正比），分別推導(dǎo)出中子數(shù)、反應(yīng)率和功率隨時間的變化趨勢，并描述其動態(tài)過程的特點（指數(shù)增長/衰減）。九、反應(yīng)堆保護系統(tǒng)作用：反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的核心作用是監(jiān)測反應(yīng)堆的運行參數(shù)，一旦這些參數(shù)偏離了預(yù)設(shè)的安全限值（或發(fā)生異常變化速率），保護系統(tǒng)會自動觸發(fā)相應(yīng)的安全措施（通常是插入全部或大部分控制棒，并可能輔助其他安全系統(tǒng)），以防止堆芯熔化、放射性物質(zhì)大量釋放等嚴重事故，保障反應(yīng)堆和人員的安全。它是反應(yīng)堆最后一道安全防線。常見保護信號及其預(yù)期動作：1.堆芯出口溫度高：保護系統(tǒng)可能觸發(fā)緊急停堆（插入所有控制棒）并啟動應(yīng)急冷卻系統(tǒng)，以防止燃料過熱熔化。2.反應(yīng)堆功率過高（功率限值超限）：保護系統(tǒng)通常觸發(fā)緊急停堆，以防止設(shè)備損壞和維持安全。3.壓力容器壓力過高：保護系統(tǒng)可能觸發(fā)卸壓閥開啟或輔助冷卻系統(tǒng)啟動，以防止壓力容器破裂。4.安全殼內(nèi)壓力或輻射水平異常升高：保護系統(tǒng)會啟動安全殼冷卻和凈化系統(tǒng)，并可能連鎖觸發(fā)停堆，以防止安全殼失效。5.中子注量率過高：對于某些反應(yīng)堆類型，可能觸發(fā)停堆或采取其他緩解措施，以保護燃料和結(jié)構(gòu)材料。6.交流電源中斷（主電源失電）：觸發(fā)應(yīng)急電源系統(tǒng)投入，并可能啟動應(yīng)急停堆和冷卻系統(tǒng)（ECCS），確保反應(yīng)堆得到應(yīng)急冷卻和停堆控制。解析思路：首先說明保護系統(tǒng)的核心目標是保障安全，通過監(jiān)測參數(shù)觸發(fā)安全措施。然后列舉幾個典型的保護信號（涉及溫度、功率、壓力、輻射、電源等關(guān)鍵參數(shù)），并說明這些信號被觸發(fā)時，保護系統(tǒng)通常會采取的主要動作（如緊急停堆、啟動冷卻系統(tǒng)等）。十、控制棒調(diào)節(jié)功率原因：核裂變鏈式反應(yīng)是中子引發(fā)裂變，裂變產(chǎn)生新中子再引發(fā)裂變的持續(xù)過程。反應(yīng)堆的功率（即單位時間內(nèi)發(fā)生的裂變次數(shù)）直接取決于中子數(shù)及其在燃料中的反應(yīng)率。通過插入或拔出控制棒，可以精確地調(diào)節(jié)堆芯中子總數(shù)和反應(yīng)性：*需要控制：為了滿足電網(wǎng)負荷的需求，反應(yīng)堆功率需要穩(wěn)定在預(yù)定水平，并能在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。為了安全起見，反應(yīng)堆功率不能隨意無限升高，也不能隨意降到零（除非需要停堆）?？刂瓢艟褪菍崿F(xiàn)這種功率精確控制和穩(wěn)定運行的得力工具。*移除控制棒后果：如果完全移除所有控制棒，反應(yīng)堆將失去人工調(diào)節(jié)反應(yīng)性的能力。一旦反應(yīng)性因為某種原因（如燃料燃耗、溫度變化、負荷變化）偏離臨界，反應(yīng)堆將：*若處于次臨界：無法自動啟動，需要通過引入反應(yīng)性（如添加燃料或移出吸收體）才能重新達到臨界并開始運行。*若處于臨界：系統(tǒng)將