2025年大学《核物理》专业题库- 核废料长期封存技术研究

2025年大学《核物理》专业题库——核废料长期封存技术研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述α、β、γ三种放射性衰变的本质区别，并说明每种衰变过程中，原子核的质量数和电荷数是如何变化的。二、放射性核素Co-60常用作放射源，其半衰期为5.27年。请计算：1.一个钴-60源在10年后的活度是其初始活度的多少倍？2.若初始活度为1.0×10¹²Bq，求3年后该源的活度（以Bq为单位）。三、解释什么是衰变纲图，并说明其在研究放射性核素衰变链和预测长期核废料释放特性方面的作用。四、中子与物质相互作用有多种方式。请列举三种中子与轻元素（如氢）相互作用的主要方式，并简要说明每种方式的物理机制及其在核废料包壳材料选择中的考虑。五、核废料长期封存需要考虑辐射对包壳材料的影响。请简述辐射可能对混凝土或玻璃这类无机封装材料造成的主要损伤类型（至少三种），并说明这些损伤如何影响材料的长期完整性。六、高放核废料通常采用固化技术（如玻璃固化）形成固化体。请解释什么是固化，并说明选择玻璃作为高放废物固化材料的主要原因（至少从核物理、化学、物理三个方面论述）。七、放射性核素的衰变会释放能量，产生热量。请推导放射性物质衰变热产生率的表达式（提示：从放射性衰变定律和能量定义入手），并说明该热量在核废料长期封存中可能带来的问题及相应的工程应对措施。八、简述“深地质处置”（DeepGeologicalDisposal）作为一种核废料长期封存技术的概念，并说明选择深地质处置库址时需要考虑的关键地质、地球化学和环境核物理因素。九、对于含有Pu-239等易裂变核素的中低放废物，从核安全角度考虑，长期封存需要避免形成可裂变条件。请解释为什么？并简述为实现此目标，在废物分类、封装和处置设计中需要采取的基本原则。十、长期核废料封存的有效性很大程度上依赖于封存系统的长期稳定性。请从核物理角度，分析影响包壳材料长期稳定性的主要因素，并说明为何对核素在材料中的浸出行为进行长期模拟和实验研究至关重要。试卷答案一、答：α衰变是原子核放出一个α粒子（氦核，包含2个质子和2个中子），导致质量数减少4，电荷数减少2。β⁻衰变是原子核内一个中子转变为一个质子，同时放出一个电子（β粒子）和一个反电子中微子，导致质量数不变，电荷数增加1。β⁺衰变（或电子俘获）是原子核内一个质子转变为一个中子，同时放出一个正电子（β⁺粒子）和一个电子中微子，导致质量数不变，电荷数减少1。γ衰变是处于激发态的原子核向较低能级跃迁时释放出高能光子（γ射线），不改变原子核的质量数和电荷数。二、解：1.活度随时间变化遵循指数规律：A(t)=A₀*e^(-λt)，其中λ=ln(2)/T₁/₂。活度比=A(t)/A₀=e^(-λt)=e^(-(ln(2)/T₁/₂)t)=e^(-0.693*t/T₁/₂)。t=10年,T₁/₂=5.27年。活度比=e^(-0.693*10/5.27)=e^(-1.314)≈0.268。答：10年后是其初始活度的约0.268倍。2.A(t)=A₀*e^(-λt)。A₀=1.0×10¹²Bq,t=3年,λ=ln(2)/5.27≈0.1314/年。A(3)=(1.0×10¹²)*e^(-0.1314*3)=(1.0×10¹²)*e^(-0.3942)≈(1.0×10¹²)*0.675=6.75×10¹¹Bq。答：3年后该源的活度约为6.75×10¹¹Bq。三、答：衰变纲图是表示放射性核素与其子体之间衰变关系的示意图。它清晰展示了各核素衰变的半衰期、衰变方式（α,β,γ等）、分支比以及形成的子体核素。在核废料封存研究中，通过衰变纲图可以追踪核素随时间的转变，预测长期内各核素的活度分布、总放射性释放量以及潜在的长寿命核素积累情况，是评估封存系统长期安全性的基础工具。四、答：主要相互作用方式有：1.弹性散射：中子与原子核发生碰撞后仅交换能量和动量，中子本身不发生改变。轻元素（含氢较多，如水、塑料）对中子的散射截面较大，会使中子能量损失快，平均自由程缩短，且散射后方向改变，这在包壳材料中可能导致应力集中和活化损伤。2.非弹性散射：中子与原子核碰撞后，使原子核进入激发态，同时中子能量降低。激发态原子核随后可能发射中子或γ射线。轻元素对中子的非弹性散射截面相对较小。3.吸收：中子被原子核俘获，形成化合物（如俘获中子），可能释放出带电粒子（如γ射线、裂变碎片）或衰变。轻元素中的氢、硼等对中子的吸收截面需要关注，特别是硼常被用作中子吸收剂材料，需考虑其在中子辐照下的稳定性和长期行为。五、答：主要损伤类型有：1.辐照损伤（微结构损伤）：高能粒子（中子、γ射线）引起的原子位移、空位、间隙原子等缺陷，形成缺陷团簇，可能降低材料密度、增加脆性、改变扩散路径。2.相变：辐照可能导致材料发生相变，如玻璃网络结构变化、形成新相或晶化。相变可能改变材料的力学性能和化学稳定性。3.化学变化/腐蚀：放射性核素衰变产生的辐射化学效应，可能引起材料表面或内部的化学键断裂、原子或官能团交换、与封装介质发生反应等，导致材料浸出率增加或结构破坏。例如，高放废物中的氯离子可能侵蚀混凝土或玻璃。六、答：固化是指将液态或半固态的高放核废料与固化剂（如硅酸盐、磷酸盐、碳酸盐等）混合，通过加热或化学反应形成具有特定物理化学性质的固体材料（如玻璃、陶瓷）的过程。选择玻璃作为固化材料的主要原因：1.核物理兼容性好：玻璃基体对放射性核素有良好的包容性，能将大部分长寿命核素束缚在晶格中，阻止其迁移。玻璃对中子的吸收截面相对较低，辐照损伤相对较小。2.化学稳定性高：玻璃在常温常压下化学性质稳定，能有效阻止废物中放射性核素的浸出，保证长期安全。可通过选择不同成分优化其化学稳定性。3.易于制造和后处理：玻璃固化工艺成熟，可以大规模生产，且固化体形态可控（如熔融浸渗、浇铸、压块等）。如果需要，玻璃固化体也便于后续处理或处置。七、解：衰变热产生率Q(t)是单位时间内放射性物质衰变释放的总能量。由放射性衰变定律，放射性活度A(t)=N(t)*λ，其中N(t)是时刻t时的原子核数，λ是衰变常数。每个原子核衰变释放的平均能量为E₀（可近似视为常数或取特定核素的平均衰变能）。则衰变热产生率Q(t)=A(t)*E₀=N(t)*λ*E₀。又N(t)=N₀*e^(-λt)，其中N₀是初始原子核数。所以Q(t)=N₀*λ*E₀*e^(-λt)。如果以比功率P(t)=Q(t)/V（V为体积）表示，则P(t)=(N₀*λ*E₀/V)*e^(-λt)。答：衰变热产生率表达式为Q(t)=N₀λE₀e^(-λt)或比功率P(t)=(N₀λE₀/V)e^(-λt)。问题：衰变热在核废料中积累可能导致温度升高，超过材料的耐受极限，引发热应力、加速材料老化、改变核素化学行为、甚至可能影响地下水流和封存系统结构。应对：设计足够厚的包壳和缓冲/回填材料层以分散热量；采用强制冷却系统（如水冷）；优化废物形式和布局以控制热量分布。八、答：深地质处置是一种将高放、中高放核废料深埋于地壳深处（通常数百至数千米）稳定岩体中的长期封存方法。其目标是利用深部地质屏障（如岩体、断层、地下水系统）将核废料与人类社会环境长期隔离。关键考虑因素：1.地质因素：选择具有高承压能力、低渗透性、围岩完整性好的稳定岩体（如花岗岩、玄武岩、盐岩）；远离断裂带、火山活动区、构造不稳定区域。2.地球化学因素：评估地下水流向和速度，确保废物库址处于相对干燥的环境；研究废物与围岩的长期相互作用（溶解、沉淀、元素交换），预测放射性核素的迁移行为。3.环境核物理因素：评估天然辐射水平；研究深部环境中的天然放射性核素（如U,Th及其子体）可能对处置系统的影响；考虑地震、地热等潜在地质事件对处置库安全的影响。九、答：易裂变核素（如Pu-239）在特定条件下（如足够高的浓度、中子源或慢化剂存在）可能发生链式裂变反应，导致核爆炸。长期封存需要避免形成这种条件，因为一旦发生临界事故，后果不堪设想。基本原则：1.分散稀释：将高浓度放射性废物分散存放在大量稳定材料（如玻璃固化体）中，降低裂变核素浓度，使其远低于临界浓度。2.消除中子源：避免在废物中或其周围引入易产生中子的物质（如贫化铀、某些加速器中子）。3.增加慢化剂（如适用）：如果需要，在废物封装或处置库中添加慢化剂（如水、塑料），以降低中子能量，提高中子利用效率，但同时也要控制其引入量，避免促进临界。4.负反应性设计：在设计中考虑一定的负反应性系数，即使发生某些扰动（如温度升高导致材料膨胀），也能抑制链式反应的持续进行。十、答：影响包壳材料长期稳定性的主要因素：1.核辐照损伤：中子和γ射线引起的材料微观结构变化（缺陷产生、相变、晶化），可能降低材料力学强度、增加脆性、改变渗透性。2.化学浸出：放射性核素衰变产生的化学环境变化（如pH值、氧化还原电位变化）以及温度升高，可能促进或加速放射性核素从包壳材料中浸出到封装介质（如水）中。3.材料相稳定性：材料在长期辐照和化学作用下是否会发生分解、相变或形成新相，这些变化可能影响其结构和性能。4.封装介质相互作用：包