2025年大学《核物理》专业题库—— 核反应堆的工作原理分析.docxVIP

2025年大学《核物理》专业题库——核反应堆的工作原理分析

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简述链式反应得以持续进行的条件，并解释什么是临界状态和次临界状态。

二、

核反应堆中为何需要使用慢化剂？简述慢化剂应具备的理想特性。

三、

什么是反应性？影响反应堆反应性的主要因素有哪些？请分别说明。

四、

解释中子寿命（平均寿命和先驱中子寿命）的概念及其在反应堆物理分析中的意义。

五、

简述控制棒在核反应堆运行中实现功率调节和安全控制的作用原理。

六、

核反应堆中产生的热量主要通过哪些方式传递？简述一回路冷却剂在传递热量过程中的作用。

七、

什么是空泡系数？简述其变化对反应堆功率分布和安全运行可能产生的影响。

八、

燃料棒在反应堆内会经历哪些物理和化学变化？这些变化对反应堆的长期运行性能有何影响？

九、

简述反射层在核反应堆中的作用。

十、

试述反应堆中温度升高如何通过正反馈或负反馈机制影响反应性，并分析其对反应堆稳定运行的意义。

十一、

假设一个核反应堆初始处于临界状态，若向反应堆中插入一小块吸收体，简要描述由此引起的中子平衡变化过程和系统最终达到的新平衡状态。

十二、

请解释什么是有效增殖因子（k-effective），并说明其在反应堆启动、功率变化和负荷跟踪过程中的应用。

试卷答案

一、

链式反应得以持续进行的条件：

1.裂变中子能够有效地引起其他易裂变核的裂变。

2.每次裂变平均释放的中子数（即中子增殖因子，k）大于或等于1。

3.产生的中子能够克服各种损失（如逃逸、被非裂变材料吸收）而有效地引起下一次裂变。

解析思路：

本题考察链式反应的基本条件。首先要明确链式反应的核心是中子自我维持裂变。条件1是物质基础，要求靶材是易裂变材料。条件2是数量基础，要求平均产生的中子足以补偿消耗和损失。条件3是效率基础，要求中子能有效参与下一次裂变，涉及临界质量和几何形状等因素。

二、

为何需要使用慢化剂：

慢化剂的作用是将快中子减速，使其能量降至热中子能量范围（约0.025eV），从而增加快裂变材料（如铀-235）的裂变截面，提高中子利用效率。

解析思路：

本题考察慢化剂的功能。关键在于理解裂变材料对不同能量中子的反应截面差异巨大，特别是对热中子反应截面远大于快中子。慢化剂通过弹性碰撞机制耗散快中子的能量，使其转变为热中子，从而显著提高裂变概率。

三、

反应性：

反应性是指反应堆实际中子密度（或源强度）下的反应堆功率（或中子密度增长率）与临界状态下的反应堆功率（或中子密度增长率）之比，也等于中子增殖因子（k）与1之差（即χ=k-1）。

影响反应性的主要因素：

1.材料特性变化：燃料burnup引起的丰度变化、毒物（如裂变产物）积累、材料辐照损伤等。

2.系统状态变化：功率水平变化（导致温度和密度变化）、冷却剂流量变化、控制棒插入深度变化、慢化剂温度变化等。

3.几何变化：燃料棒破损、堆芯肿胀、控制棒移动等。

解析思路：

本题考察反应性的定义和影响因素。首先要给出反应性的标准数学定义（χ=k-1）。然后需要系统地列出能够改变k值或其相关因素（如中子寿命、空泡份额）进而影响反应性的主要因素，涵盖材料、状态和几何三个方面。

四、

中子寿命：

中子寿命是指在一个裂变事件中，从裂变中子产生到它最终被吸收（无论吸收导致裂变还是非裂变）或逃逸所经过的平均时间。

*平均寿命（PromptLife-time）：指从裂变中子产生到被吸收或逃逸的平均时间，主要由裂变中子与物质的碰撞时间决定。

*先驱中子寿命（DelayedLife-time）：指从核裂变产生先驱核，到先驱核衰变释放出β中子（即缓发中子）所经过的平均时间。它是由各种缓发中子组分的半衰期加权平均得到的。

意义：

中子寿命是反应堆动力学特性的关键参数。平均寿命决定了反应堆的时间常数，影响功率瞬态响应速度。先驱中子寿命决定了反应性反馈的强弱和类型（正反馈、负反馈），对反应堆的稳定运行至关重要。

解析思路：

本题考察中子寿命的概念和分类。需要清晰定义平均寿命和先驱中子寿命，并说明其来源（碰撞vs衰变）。更重要的是要阐述两种寿命对反应堆物理行为（特别是动力学和稳定性）的具体意义，如平均寿命影响时间常数，先驱中子寿命影响反应性反馈。

五、

控制棒作用原理：

控制棒主要由吸收截面大的材料（如镉、硼）制成，通过插入或拔出堆芯来改变吸收中子的能力。

*功率调节：通过少量、缓慢地插入或拔出控制棒，改变堆芯的总吸收截面，微调中子平衡，从而实现反应堆功率的稳定和调节。

*安全控制：通过快速插入控制棒，大量吸收中子，迅速降低反应性，使反应堆从超临界状态迅速转变为次临界状态，从而实现紧急