2025年大学《核物理》专业题库—— 核材料的制备与性能测试.docxVIP

2025年大学《核物理》专业题库——核材料的制备与性能测试

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

1.简述用核反应堆生产核燃料铀-235的主要核过程和相应的化学分离步骤。

2.解释什么是核反应截面，并说明微分截面、积分截面的物理意义及其单位。中子与轻核（如氢、氦）反应与重核（如铀）反应的截面大小通常有何差异？

3.列举三种常用的放射性测量仪器，并简述其基本工作原理和主要应用领域。

二、

4.一个含有1克铀-238的样品，测得其包含的天然铀（丰度为0.7%）的放射性活度为3.82×10^10Bq。已知铀-238的半衰期为4.47×10^9年，铀-234的半衰期为2.45×10^5年，忽略铀-234的贡献。计算该样品中铀-238的比活度（单位：Bq/g）。

5.在测量某种放射性同位素的衰变计数时，在10分钟的时间间隔内，分别进行了4次测量，得到计数分别为N1=256,N2=263,N3=254,N4=259次。假设计数统计误差服从泊松分布，计算该同位素的平均计数率（每分钟）及其标准不确定度。

6.为测定某种核材料的铀含量，采用伽马能谱法。已知铀系和钍系衰变链中，铀-238的238U-234Th-234Pa-234U衰变分支和钍-232的232Th-228Ra-228Ac-228Th衰变分支会分别在伽马能谱的某个能量区间产生特征峰。请简述利用这两个衰变链共同存在时产生的“铀-钍比”（U/Thratio）来估算样品中铀含量的基本原理。

三、

7.在核燃料后处理过程中，从乏燃料中分离铀和钚是关键步骤。简述溶剂萃取法分离铀和钚的基本原理，并说明选择萃取剂时需要考虑的关键因素。

8.为什么在测定固体核材料的放射性比活度时，通常需要将其溶解后使用液体闪烁计数器进行测量，而不是直接使用盖革计数器或伽马能谱仪测量固体样品？

9.简述X射线衍射（XRD）技术用于表征核材料晶体结构的基本原理。它能提供哪些关于材料结构的信息？

四、

10.设计一个实验方案，用于测定某种新型核燃料陶瓷材料在特定辐照剂量下的中子吸收截面。请说明需要使用的主要设备、大致实验步骤以及需要测量的关键数据。

11.某种核材料在辐照后可能会发生肿胀现象。简述如何通过扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）来观察和表征这种微观结构的变化。

12.比较化学纯度测定和核纯度测定的区别。核纯度低可能对核材料的哪些应用产生不利影响？

试卷答案

一、

1.答：主要核过程包括在反应堆中铀-238俘获中子生成铀-239，铀-239经β衰变生成钚-239；以及少量铀-235直接俘获中子裂变生成钚-239和其他裂变碎片。化学分离步骤主要是从反应堆冷却后的乏燃料浆料中，通过一系列化学处理过程（如溶解、萃取、反萃取、沉淀等），将钚与铀、裂变碎片及其他杂质分离开。常用流程如PUREX流程。

2.答：核反应截面描述一个靶核在入射粒子作用下发生特定核反应（如散射、吸收、裂变等）的概率。微分截面σ(dσ/dΩ)表示在单位入射粒子通量下，被散射到单位立体角内的概率；积分截面σ(Σσ)表示在单位入射粒子通量下，被靶核发生任何核反应的总概率。单位通常为靶恩（b），1b=10^-28m^2。中子与轻核反应截面通常较大，尤其对于慢中子，因为轻核质量轻，散射概率高；而中子与重核反应（特别是散射）截面通常较小。

3.答：盖革计数器原理是基于气体放电，适用于测量较高活度的放射性，结构简单、成本较低，但无法区分计数是来自何种射线，且存在死时间效应。闪烁计数器原理是利用闪烁体将射线能量转化为光脉冲，通过光电倍增管转换成电信号，可测量各种射线，能量分辨率较高，适用于低活度测量。伽马能谱仪原理是利用半导体探测器（如锗探测器）将伽马光子能量转化为电信号，经放大、脉冲高度分析器（PHA）后得到能谱，用于进行同位素识别、定性和定量分析。应用领域广泛，涵盖核物理研究、环境监测、工业探伤、医学诊断等。

二、

4.解：首先计算样品中铀-238的质量分数：0.7%=0.007。然后计算1克样品中铀-238的质量：1g×0.007=0.007g。接着计算铀-238的阿伏伽德罗常数N_A=6.022×10^23mol^-1。铀-238的摩尔质量M_U238≈238g/mol。1摩尔铀-238的质量为238g，包含N_A个原子。因此，0.007g铀-238包含的原子数为：(0.007g/238g/mol)×6.022×10^23mol^-1。铀-238的衰变常数为λ=ln(2)/T_1/2=ln(