反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)與材料試題及答案一、選擇題（每題3分，共30分）1.以下哪種材料常用于壓水堆的燃料包殼？（）A.不銹鋼B.鋯合金C.鋁合金D.銅合金答案：B。鋯合金具有低的中子吸收截面、良好的耐腐蝕性和機(jī)械性能，是壓水堆燃料包殼的常用材料。不銹鋼中子吸收截面相對較大；鋁合金和銅合金在反應(yīng)堆高溫、輻射等環(huán)境下性能不佳。2.反應(yīng)堆壓力容器的主要作用不包括（）A.容納反應(yīng)堆堆芯B.承受高溫高壓C.防止放射性物質(zhì)泄漏D.控制反應(yīng)堆的反應(yīng)性答案：D。反應(yīng)堆壓力容器主要用于容納堆芯，承受高溫高壓，并且作為防止放射性物質(zhì)泄漏的一道重要屏障?？刂品磻?yīng)堆的反應(yīng)性是控制棒等控制元件的作用。3.石墨在高溫氣冷堆中的主要作用是（）A.冷卻劑B.慢化劑C.結(jié)構(gòu)材料D.反射層材料答案：B。石墨具有良好的慢化性能，在高溫氣冷堆中作為慢化劑，使快中子減速為熱中子，以維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。冷卻劑一般是氦氣；雖然石墨也可作為結(jié)構(gòu)材料和反射層材料，但主要作用是慢化劑。4.下列哪種材料可作為反應(yīng)堆的中子反射層材料？（）A.硼鋼B.鈹C.鉛D.鎳基合金答案：B。鈹具有較高的中子散射截面和較低的中子吸收截面，是良好的中子反射層材料。硼鋼主要用于中子吸收；鉛主要用于輻射屏蔽；鎳基合金常用于高溫結(jié)構(gòu)部件。5.壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管通常采用的材料是（）A.碳鋼B.鈦合金C.鎳鐵鉻合金D.鎂合金答案：C。鎳鐵鉻合金具有良好的耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能，適合作為壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管材料。碳鋼耐腐蝕性較差；鈦合金在一些方面性能雖好，但在反應(yīng)堆特定環(huán)境下不是首選；鎂合金化學(xué)性質(zhì)活潑，不適合用于蒸汽發(fā)生器傳熱管。6.反應(yīng)堆堆芯圍板的主要作用是（）A.固定燃料組件B.減少中子泄漏C.引導(dǎo)冷卻劑流動D.保護(hù)反應(yīng)堆壓力容器答案：C。堆芯圍板主要用于引導(dǎo)冷卻劑按照設(shè)計的路徑流動，使冷卻劑均勻地冷卻堆芯。固定燃料組件有專門的定位格架等結(jié)構(gòu)；減少中子泄漏主要是反射層的作用；保護(hù)反應(yīng)堆壓力容器不是堆芯圍板的主要功能。7.液態(tài)金屬冷卻快中子增殖堆常用的冷卻劑是（）A.水B.二氧化碳C.氦氣D.鈉答案：D。鈉具有良好的熱導(dǎo)率、低的中子吸收截面和較高的沸點(diǎn)，適合作為液態(tài)金屬冷卻快中子增殖堆的冷卻劑。水是壓水堆和沸水堆的冷卻劑；二氧化碳和氦氣常用于高溫氣冷堆。8.以下哪種材料在反應(yīng)堆輻照環(huán)境下容易發(fā)生腫脹現(xiàn)象？（）A.鋯合金B(yǎng).不銹鋼C.石墨D.鈹答案：B。不銹鋼在反應(yīng)堆輻照環(huán)境下，由于中子的作用，會產(chǎn)生空位和間隙原子等缺陷，這些缺陷聚集會導(dǎo)致材料發(fā)生腫脹。鋯合金、石墨和鈹在正常情況下腫脹現(xiàn)象相對不明顯。9.反應(yīng)堆控制棒常用的中子吸收材料是（）A.銀銦鎘合金B(yǎng).鋁合金C.銅合金D.鎂合金答案：A。銀銦鎘合金具有高的中子吸收截面，能夠有效地控制反應(yīng)堆的反應(yīng)性。鋁合金、銅合金和鎂合金的中子吸收能力較弱，不適合作為控制棒材料。10.高溫氣冷堆的燃料元件是（）A.二氧化鈾陶瓷燃料芯塊B.鈾钚混合氧化物燃料C.包覆顆粒燃料D.金屬鈾燃料答案：C。高溫氣冷堆采用包覆顆粒燃料，這種燃料由核燃料核芯、內(nèi)緩沖層、內(nèi)致密熱解碳層、碳化硅層和外致密熱解碳層組成，具有良好的高溫安全性。二氧化鈾陶瓷燃料芯塊是壓水堆常用的燃料形式；鈾钚混合氧化物燃料常用于快堆；金屬鈾燃料在現(xiàn)代反應(yīng)堆中使用較少。二、填空題（每題2分，共20分）1.反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料需要具備良好的機(jī)械性能、耐腐蝕性和__________性能。答案：抗輻照解析：在反應(yīng)堆環(huán)境中，材料會受到中子等射線的輻照，因此需要具備抗輻照性能，以保證材料在長期輻照下性能穩(wěn)定。2.壓水堆的一回路系統(tǒng)主要包括反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵和__________等設(shè)備。答案：穩(wěn)壓器解析：穩(wěn)壓器的作用是調(diào)節(jié)一回路的壓力，保證反應(yīng)堆在正常運(yùn)行和事故工況下壓力穩(wěn)定，是壓水堆一回路系統(tǒng)的重要設(shè)備之一。3.快中子增殖堆中，通過__________反應(yīng)可以使可轉(zhuǎn)換核素（如釷232、鈾238）轉(zhuǎn)化為易裂變核素（如鈾233、钚239）。答案：中子俘獲解析：可轉(zhuǎn)換核素吸收中子后發(fā)生中子俘獲反應(yīng)，經(jīng)過一系列衰變可以轉(zhuǎn)化為易裂變核素，實(shí)現(xiàn)核燃料的增殖。4.反應(yīng)堆堆芯的燃料組件通常由燃料棒、定位格架和__________等部分組成。答案：導(dǎo)向管解析：導(dǎo)向管用于插入控制棒和測量元件等，是燃料組件的重要組成部分，與燃料棒、定位格架等共同構(gòu)成完整的燃料組件。5.高溫氣冷堆的堆芯結(jié)構(gòu)通常采用__________形式，以提高堆芯的安全性和經(jīng)濟(jì)性。答案：球床或棱柱解析：高溫氣冷堆有球床式和棱柱式兩種堆芯結(jié)構(gòu)形式，這兩種形式都具有各自的特點(diǎn)，能夠在一定程度上提高堆芯的安全性和經(jīng)濟(jì)性。6.反應(yīng)堆的屏蔽層材料需要具備良好的__________能力，以減少中子和γ射線對周圍環(huán)境和人員的危害。答案：中子和γ射線屏蔽解析：屏蔽層的主要作用就是阻擋和吸收中子和γ射線，因此需要具備良好的中子和γ射線屏蔽能力。7.液態(tài)金屬冷卻劑在使用過程中需要注意防止__________問題，因?yàn)樗诳諝庵腥菀兹紵?。答案：氧化和起火解析：以鈉為代表的液態(tài)金屬冷卻劑化學(xué)性質(zhì)活潑，在空氣中容易與氧氣發(fā)生反應(yīng)，甚至燃燒，所以要注意防止氧化和起火問題。8.反應(yīng)堆壓力容器的制造通常采用__________方法，以保證其具有良好的整體性和密封性。答案：整體鍛造解析：整體鍛造可以使反應(yīng)堆壓力容器形成一個整體結(jié)構(gòu)，減少焊接接頭等薄弱環(huán)節(jié)，從而保證其良好的整體性和密封性。9.控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的作用是控制控制棒的__________，以實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)堆反應(yīng)性的精確控制。答案：插入和提出解析：通過控制控制棒的插入和提出深度，可以改變堆芯內(nèi)的中子吸收量，從而精確控制反應(yīng)堆的反應(yīng)性。10.反應(yīng)堆的熱工水力設(shè)計需要考慮冷卻劑的流動特性、__________特性和傳熱特性等因素。答案：熱物性解析：冷卻劑的熱物性（如比熱容、熱導(dǎo)率等）對反應(yīng)堆的熱工水力過程有重要影響，在設(shè)計時需要綜合考慮冷卻劑的流動特性、熱物性特性和傳熱特性等因素。三、簡答題（每題10分，共30分）1.簡述反應(yīng)堆燃料包殼材料的性能要求。答：反應(yīng)堆燃料包殼材料需要滿足多方面的性能要求：（1）低的中子吸收截面：以減少對中子的吸收，保證反應(yīng)堆的中子經(jīng)濟(jì)性，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的正常進(jìn)行。例如，鋯合金的中子吸收截面較低，適合作為燃料包殼材料。（2）良好的耐腐蝕性：在反應(yīng)堆高溫、高壓和強(qiáng)輻射的環(huán)境下，包殼材料要能夠抵抗冷卻劑的腐蝕，防止燃料與冷卻劑直接接觸，避免放射性物質(zhì)泄漏。如壓水堆中，鋯合金在高溫高壓水的環(huán)境下有良好的耐腐蝕性。（3）足夠的機(jī)械強(qiáng)度和韌性：要能夠承受燃料芯塊的腫脹、冷卻劑的壓力和溫度變化等產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，同時具有一定的韌性，防止在運(yùn)行過程中發(fā)生脆性斷裂。（4）良好的熱導(dǎo)率：有利于將燃料產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻劑，保證反應(yīng)堆的熱效率和安全性。（5）抗輻照性能：在長期的輻照環(huán)境下，材料的性能不能發(fā)生明顯的惡化，如不發(fā)生嚴(yán)重的腫脹、脆化等現(xiàn)象，以保證包殼的完整性和密封性。（6）與燃料和冷卻劑的相容性：包殼材料不能與燃料芯塊和冷卻劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以免影響燃料的性能和包殼的使用壽命。2.說明壓水堆蒸汽發(fā)生器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。答：工作原理：壓水堆蒸汽發(fā)生器是一種熱交換設(shè)備，其工作原理基于熱交換過程。在一回路中，高溫高壓的冷卻劑（通常是水）從反應(yīng)堆堆芯吸收熱量后進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的管側(cè)。在管內(nèi)流動過程中，將熱量傳遞給管外二回路的水。二回路的水在吸收熱量后被加熱并汽化成蒸汽，這些蒸汽被輸送到汽輪機(jī)中做功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）通常采用U形管或直管結(jié)構(gòu)：U形管蒸汽發(fā)生器應(yīng)用較為廣泛，U形管束增加了傳熱面積，并且便于檢修和更換管束。直管蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)相對簡單，但在某些方面的性能和應(yīng)用范圍不如U形管蒸汽發(fā)生器。（2）有一次側(cè)水室和二次側(cè)水室：一次側(cè)水室用于容納一回路的高溫高壓冷卻劑，二次側(cè)水室用于容納二回路的水和蒸汽。兩者通過傳熱管隔開，實(shí)現(xiàn)熱量交換。（3）設(shè)置汽水分離裝置：在蒸汽發(fā)生器的上部設(shè)置汽水分離裝置，如旋風(fēng)分離器和干燥器等，用于將蒸汽中的水分分離出來，提高蒸汽的品質(zhì)，保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。（4）外殼為承壓結(jié)構(gòu)：蒸汽發(fā)生器的外殼需要承受一定的壓力，通常采用高強(qiáng)度的鋼材制造，以保證設(shè)備的安全性。3.分析高溫氣冷堆采用氦氣作為冷卻劑的優(yōu)點(diǎn)。答：高溫氣冷堆采用氦氣作為冷卻劑具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）良好的熱物性：氦氣具有較高的熱導(dǎo)率，能夠有效地將堆芯產(chǎn)生的熱量傳遞出去，保證堆芯的冷卻效果，提高反應(yīng)堆的熱效率。（2）化學(xué)惰性：氦氣是一種惰性氣體，不與燃料、結(jié)構(gòu)材料和其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不會像水等冷卻劑那樣產(chǎn)生腐蝕和氧化等問題，從而延長了反應(yīng)堆部件的使用壽命，提高了反應(yīng)堆的可靠性。（3）低中子吸收截面：氦氣對中子的吸收截面非常低，不會大量吸收中子，保證了反應(yīng)堆的中子經(jīng)濟(jì)性，有利于維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，并且減少了因中子吸收產(chǎn)生的放射性產(chǎn)物。（4）安全性高：氦氣的沸點(diǎn)很低，在正常運(yùn)行和事故工況下都不會發(fā)生相變，不存在像水作為冷卻劑時可能出現(xiàn)的沸騰、閃蒸等問題，降低了反應(yīng)堆發(fā)生蒸汽爆炸等嚴(yán)重事故的風(fēng)險。（5）易于循環(huán)：氦氣的密度小，在循環(huán)過程中所需的泵功率相對較小，減少了能耗。同時，氦氣的循環(huán)系統(tǒng)相對簡單，便于維護(hù)和操作。（6）高溫性能好：氦氣可以在高溫下運(yùn)行，使得高溫氣冷堆能夠?qū)崿F(xiàn)較高的出口溫度，從而提高了發(fā)電效率，并且可以用于高溫工藝熱應(yīng)用，如制氫等。四、論述題（20分）論述反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料在輻照環(huán)境下可能面臨的問題及應(yīng)對措施。答：反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料在輻照環(huán)境下會面臨多種問題，這些問題可能影響材料的性能和反應(yīng)堆的安全運(yùn)行，以下是具體分析及應(yīng)對措施：面臨的問題1.輻照腫脹：中子輻照會使材料內(nèi)部產(chǎn)生空位和間隙原子等缺陷，這些缺陷聚集形成空洞，導(dǎo)致材料體積膨脹，即輻照腫脹。例如不銹鋼在中子輻照下就容易發(fā)生腫脹現(xiàn)象。腫脹會改變材料的尺寸和形狀，影響結(jié)構(gòu)的裝配和運(yùn)行，甚至可能導(dǎo)致部件的損壞。2.輻照脆化：輻照會使材料的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生位錯等缺陷，降低材料的韌性和延展性，使材料變得脆化。這會增加材料在受力時發(fā)生脆性斷裂的風(fēng)險，嚴(yán)重威脅反應(yīng)堆的安全。如反應(yīng)堆壓力容器鋼在長期輻照后可能出現(xiàn)輻照脆化現(xiàn)象。3.輻照生長：對于各向異性的材料，如石墨，在輻照作用下會出現(xiàn)沿不同晶軸方向的不均勻生長，導(dǎo)致材料的形狀改變，影響反應(yīng)堆堆芯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能。4.輻照誘導(dǎo)的化學(xué)變化：輻照會引發(fā)材料內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，如合金元素的偏聚和相轉(zhuǎn)變等。這些化學(xué)變化會改變材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響材料的性能，如耐腐蝕性、機(jī)械性能等。5.輻照損傷累積：隨著輻照時間的增加，材料內(nèi)部的損傷會不斷累積，導(dǎo)致材料性能逐漸惡化，最終可能使材料無法滿足反應(yīng)堆運(yùn)行的要求。應(yīng)對措施1.材料選擇：選擇具有良好抗輻照性能的材料，如鋯合金用于燃料包殼，它具有低的中子吸收截面和較好的抗輻照性能。對于反應(yīng)堆壓力容器，采用經(jīng)過特殊處理和質(zhì)量控制的低合金鋼，以提高其抗輻照脆化能力。2.材料改性：通過合金化、熱處理等方法對材料進(jìn)行改性，改善材料的抗輻照性能。例如，在不銹鋼中添加某些合金元素，可以減少輻照腫脹的發(fā)生。對材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，?yōu)化其組織結(jié)構(gòu)，提高材料的韌性和抗輻照能力。3.設(shè)計優(yōu)化：在反應(yīng)堆設(shè)計中，合理安排結(jié)構(gòu)材料的位置和使用方式，減少材料受到的輻照劑量。例如，設(shè)置中子屏蔽層，降低結(jié)構(gòu)材料周圍的中子通量，減少輻照損傷。同時，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，