中国科学院研究生院（金属研究所）
2011年招收攻读硕士学位研究生复试专业综合试题
考生须知：
1.本试卷满分为100分，全部考试时间总计180分钟。
2.所有答案必须写在答题纸上，写在试题纸上或草稿纸上一律无效。
必答题（共60分）
一、请解释下列概念(任选6题，每题2分，共12分) 堆垛层错；反应扩散；共晶反应；浓差电池；弹性变形；纳米材料；能量守恒；相变；比热。
二、10瓶药片，其中9瓶每片5克，只有1瓶每片6克，请用天平只称1次，找出装有6克药片的药瓶。
（4分）三、1公斤炸药爆炸后释放的能量与1公斤木材燃烧释放的能量差不多，为什么炸药显得威力巨大？(5分)
四、单晶、多晶、纳米晶和非晶金属结构上主要差别是什么？（5分）
五、用X光衍射对一块金属镍进行分析，相应衍射图谱与标准图谱比对后，发现衍射峰对应的衍射角发生偏移，请解释导致该现象产生的可能原因。
（6分）
六、钠是一种银白色金属，很软，露置在空气中，很快会生成氧化钠；钠块投入水中，能浮在水面上，并发生剧烈反应，生成氢氧化钠和氢气，反应释放的热量使金属钠块熔化成小球，并快速消失，因此，金属钠通常保存在煤油中。
阅读上文后，归纳金属钠的物理和化学性质各有哪些？(6分)
七、子弹水平飞行，先后穿过三块完全相同的静止并固定在地面上的木块后速度恰好为零（见下图），问子弹在射入每个木块前的速度之比为多少？子弹穿过每个木块所用时间之比为多少？(6分)
八、结合插图阅读下文后回答下列问题：沸水反应堆的发电原理？裂变原理？如何控 制裂变反应？避免核燃料熔化的途径有哪些？（8分） 请以本文为素材，写一篇200字以下的短文来论证核电安全问题。
（8分）文章内 容详见附页。
第1页共5页 选答题（请从以下四类中任选一类，共40分）材料类（共40分）
一、名词解释（每题1分，共5分） 离异共晶；倒易点阵；调幅分解；扩散蠕变；形变织构。
二、简答题（每题2.5分，共10分）
1.简述间隙相和间隙化合物的异同。
2.简述晶体的生长方式和机制。
3.α-Fe和Mg相比谁的塑性好，为什么？
4.合金强化的方法有几种？比较各方法的优缺点。
三、分析题（每题5分，共25分）
1.区域熔炼法可用于对金属进行提纯，试推导当溶质平衡分配系数k小于1时， 溶质含量为C0、长度为L的金属棒经第一次区域熔炼提纯后溶质浓度沿棒轴向的分布。
2.什么是Lomer-Cottrell位错？
3.说明马氏体相变的晶体学特征和生长机制。
4.合金相图反映了一些什么关系？如何利用热力学计算相图？
5.分析第二相颗粒尺寸对位错运动的阻碍效应和对位错运动方式的影响。
物理类（共40分）
一、概念题（每题3分，共15分） 测不准原理；德布罗意波；色散关系；赝势、全势；声子。
二、试述导体、半导体、绝缘体能带结构的异同？（5分）
三、吉布斯自由能降低的反应是否一定会发生？为什么？（5分）
四、两块温度不同的同种金属接触后，在温度未达到相等前，是否存在电势差？为什 么？（3分）
五、紧束缚模型电子的能量是正值还是负值？（3分）
六、如果将组成固体的所有原子分散到无限远处（即每两个原子之间的相互作用力可以 忽略），由这些无限远处的原子组成的体系与固体相比，总能量高还是低？并说明 其原因？（3分）
七、能否用实验的方法测出量子力学方程，如�−h2∇2+V(r)�φ(r)=Eφ(r)的本征值E？2m 为什么？（3分） 第2页共5页
八、什么叫布里渊区？为什么在量子力学中经常在第一布里渊区中处理问题，根据是什 么？（3分） 加工类（共40分）
一、概念题（每题2分，共10分） 动态回复；均匀退火；微观偏析；相变超塑性；摩擦焊。
二、简答题（每题4分，共12分）
1.指出金属材料冷锻和热锻内部组织各发生了什么变化？
2.碳当量对焊接冷裂纹敏感性的影响？
3.如何在铸件中获得细小等轴晶？
三、分析题（每题6分，共18分）
1.说出大型铸件的凝固特征及组织特征，给出常见铸造缺陷，并指出可以通过什 么办法分别消除？
2.金属材料热锻成形过程中，一般会有硬化现象或软化现象发生，请分析原因。
3.如何初步判定材料的焊接性？试验方法有哪些？ 化学类（共40分）
一、选择题（共16分）
1.一个反应达到平衡的标志是（）（2分）
A、各反应物和生成物的浓度等于常数。
B、各反应物和生成物的浓度相等。
C、各反应物的浓度不随时间改变。
D、正逆反应的速率常数相等。
2.从锰在酸性介质中的电极电势图可以看出酸性介质中会发生岐化反应的物质是（） （2分） MnO−0.56MnO2−2.24MnO0.95Mn3+1.5Mn2+−1.18Mn
4 4
2 A、MnO4-
B、MnO42-
C、MnO2D、Mn2+
3.下列化合物中不水解的是（）（2分）
A、CCl4B、SiCl4C、BCl3D、PCl54.对于催化剂特性的描述不正确的是（）（2分）
A、催化剂是能缩短达到平衡的时间，而不能改变平衡的状态。
B、催化剂在反应前后化学性质和物理性质均不变。
第3页共5页
C、催化剂不能改变平衡常数。
D、加入催化剂不能实现热力学上不能进行的反应。
5.下列与浓盐酸反应没有氯气放出的是（）（2分）
A、PbO2B、Fe2O3C、CO2O3D、Ni2O3
6.常温下，单质F2、Cl2是气体，Br2是液体，I2是固体，这是因为（）（2分）
A、分子间取向力由F2→I2递增
B、分子间色散力由F2→I2递增
C、单质的密度由F2→I2递增
7.不能用蒸馏手段浓缩制备氢卤酸，其原因是（）（2分）
A、挥发性物质
B、高沸点物质
C、恒沸物质
8.Sn和Pb都有+2和+4氧化态，但Sn以+4态稳定，Pb以+2态稳定，其原因是（） （2分）
A、电荷效应
B、惰性电子对效应
C、离子半径差别
二、判断正误（共4分）
1.规定最稳定单质的ΔfHmθ=
0，ΔGfθm=
0，Smθ=
0。
（）（2分）
2.主量子数n=1的电子层内，有自旋相反的两个轨道。
（）（2分）
三、填空（共4分）
1.在K[Co(C2O4)2en]中，中心离子的配位数是 。
（2分）
2.双氧水做氧化剂的产物是 。
（2分）
四、问答题（6分） 实验已经确定了反应2NO（g）+Br2（g）→2NOBr（g）的速率方程为： γ=[NO]2[Br2]
1.下列反应机理中哪一个或几个是可能的？（2分）
2.如果有多个可能的机理，其中哪一个的可能性最大？说明原因。
（4分） 机理1:NO+NO+Br2→2NOBr慢 K1 机理2:NO+Br2��NOBr2慢 第4页共5页 KL NOBr2+NO��2NOBr快 机理3: NO+Br2K1NOBr2快K-1KL NOBr2+NO��2NOBr慢
五、如何从含有Al3+、Cr3+和Fe3+的溶液中分离出来上述三种物质？（5分）
六、通过计算说明将20ml、0.002ml/L的Na2SO4溶液和10ml、0.02ml/L的BaCl2溶液混合，有无沉淀产生？(已知Ksp，BaSO4=1.1╳10-10)（5分） 第5页共5页 附页，共4页，用于必答题第八题。
WhyIamnotworriedaboutJapan’snuclearreactors Iamwritingthistext(Mar12)togiveyousomepeaceofmindregardingsomeofthetroublesinJapan,thatisthesafetyofJapan’snuclearreactors（核反应堆）.Upfront,thesituationisserious,butundercontrol.Andthistextislong!
Butyouwillknowmoreaboutnuclearpowerplantsafterreadingitthanalljournalistsonthisputtogether.Therewasandwill*not*beanysignificantreleaseofradioactivity.By“significant”Imeanalevelofradiationofmorethanwhatyouwouldreceiveon–say–alongdistanceflight,ordrinkingaglassofbeeresfromcertainareaswithhighlevelsofnaturalbackgroundradiation.Ihavebeenreadingeverynewsreleaseontheincidentsincetheearthquake.Therehasnotbeenonesingle(!
)reportthatwasurateandfreeoferrors(andpartofthatproblemisalsoaweaknessintheJapanesemunication).By“notfreeoferrors”Idonotrefertotendentiousanti-nuclearjournalism–thatisquitenormalthesedays.By“notfreeoferrors”Imeanblatanterrorsregardingphysicsandnaturallaw,aswellasgrossmisinterpretationoffacts,duetoanobviouslackoffundamentalandbasicunderstandingofthewaynuclearreactorsarebuiltandoperated.Ihavereada3pagereportonCNNwhereeverysingleparagraphcontainedanerror.
1 Wewillhavetocoversomefundamentals,beforewegetintowhatisgoingon. TheplantsatFukushima（福岛）aresocalledBoilingWaterReactors,orBWRforshort.BoilingWaterReactorsaresimilartoapressurecooker.Thenuclearfuelheatswater,thewaterboilsandcreatessteam,thesteamthendrivesturbines（汽轮机）thatcreatetheelectricity,andthesteamisthencooledandcondensedbacktowater,andthewatersendbacktobeheatedbythenuclearfuel.Thepressurecookeroperatesatabout250°
C. Thenuclearfuelisuranium（铀）oxide.Uraniumoxideisaceramic（陶瓷）withaveryhighmeltingpointofabout3000°
C.Thefuelismanufacturedinpellets(thinklittlecylindersthesizeofLegobricks).ThosepiecesarethenputintoalongtubemadeofZircaloy（锆合金）withameltingpointof2200°C,andsealedtight.Theassemblyiscalledafuelrod（燃料棒）.Thesefuelrodsarethenputtogethertoformlargerpackages,andanumberofthesepackagesarethenputintothereactor.Allthesepackagestogetherarereferredtoas“thecore”. TheZircaloycasingisthefirstcontainment.Itseparatestheradioactivefuelfromtherestoftheworld. Thecoreisthenplacedinthe“pressurevessels（压力容器）”.Thatisthepressurecookerwetalkedaboutbefore.Thepressurevesselsarethesecondcontainment.Thisisonesturdypieceofapot,designedtosafelycontainthecorefortemperaturesseveralhundred°
C.Thatcoversthescenarioswherecoolingcanberestoredatsomepoint. Theentire“hardware”ofthenuclearreactor–thepressurevesselandallpipes,pumps,coolant(water)reserves,arethenencasedinthethirdcontainment.Thethirdcontainmentisahermetically(airtight)sealed,verythickbubbleofthestrongeststeelandconcrete（混凝土）.Thethirdcontainmentisdesigned,builtandtestedforonesinglepurpose:Tocontain,indefinitely,pletecoremeltdown.Forthatpurpose,alargeandthickconcretebasiniscastunderthepressurevessel(thesecond
2 containment),allinsidethethirdcontainment.Thisistheso-called“corecatcher”.Ifthecoremeltsandthepressurevesselbursts(andeventuallymelts),itwillcatchthemoltenfuelandeverythingelse.Itistypicallybuiltinsuchawaythatthenuclearfuelwillbespreadout,soitcancooldown. Thisthirdcontainmentisthensurroundedbythereactorbuilding.Thereactorbuildingisanoutershellthatissupposedtokeeptheweatherout,butnothingin. Fundamentalsofnuclearreactions Theuraniumfuelgeneratesheatbynuclearfission.Biguraniumatomsaresplitintosmalleratoms.Thatgeneratesheatplusneutrons(oneoftheparticlesthatformsanatom).Whentheneutronhitsanotheruraniumatom,thatsplits,generatingmoreneutronsandsoon.Thatiscalledthenuclearchainreaction. Now,justpackingalotoffuelrodsnexttoeachotherwouldquicklyleadtooverheatingandafterabout45minutestoameltingofthefuelrods.Itisworthmentioningatthispointthatthenuclearfuelinareactorcan*never*causeanuclearexplosionthetypeofanuclearbomb.Buildinganuclearbombisactuallyquitedifficult.InChernoby（l切尔诺贝利）,theexplosionwascausedbyexcessivepressurebuildup,hydrogenexplosionandruptureofallcontainments,propellingmoltencorematerialintotheenvironment(a“dirtybomb”).WhythatdidnotandwillnothappeninJapan,furtherbelow. Inordertocontrolthenuclearchainreaction,thereactoroperatorsuseso-called“controlrods（控制棒）”.Thecontrolrodsabsorbtheneutronsandkillthechainreactioninstantaneously.Anuclearreactorisbuiltinsuchaway,thatwhenoperatingnormally,youtakeoutallthecontrolrods.Thecoolantwaterthentakesawaytheheat(andconvertsitintosteamandelectricity)atthesamerateasthecoreproducesit.Andyouhavealotofleewayaroundthestandardoperatingpointof250°
C. 3 Thechallengeisthatafterinsertingtherodsandpingthechainreaction,thecorestillkeepsproducingheat.Theuranium“ped”thechainreaction.Butanumberofintermediateradioactiveelementsarecreatedbytheuraniumduringitsfissionprocess,mostnotablyCesium（铈）andIodine（碘）es（同位素）,i.e.radioactiveversionsoftheseelementsthatwilleventuallysplitupintosmalleratomsandnotberadioactiveanymore.Thoseelementskeepdecayingandproducingheat.Becausetheyarenotregeneratedanylongerfromtheuranium(theuraniumpeddecayingafterthecontrolrodswereputin),theygetlessandless,andsothecorecoolsdownoveramatterofdays,untilthoseintermediateradioactiveelementsareusedup. Thisresidualheatiscausingtheheadachesrightnow. Sothefirst“type”ofradioactivematerialistheuraniuminthefuelrods,plustheintermediateradioactiveelementsthattheuraniumsplitsinto,alsoinsidethefuelrod(CesiumandIodine). Thereisasecondtypeofradioactivematerialcreated,outsidethefuelrods.Thebigmaindifferenceupfront:Thoseradioactivematerialshaveaveryshorthalf-life,thatmeansthattheydecayveryfastandsplitintonon-radioactivematerials.ByfastImeanseconds.Soiftheseradioactivematerialsarereleasedintotheenvironment,yes,radioactivitywasreleased,butno,itisnotdangerous,atall.Why?
Bythetimeyouspelled“R-A-D-I-O-N-U-C-L-I-D-E”,theywillbeharmless,becausetheywillhavesplitupintononradioactiveelements.ThoseradioactiveelementsareN-16,theradioactivee(orversion)ofnitrogen(air).TheothersarenoblegasessuchasArgon.Butwheredoefrom?
Whentheuraniumsplits,itgeneratesaneutron(seeabove).Mostoftheseneutronswillhitotheruraniumatomsandkeepthenuclearchainreactiongoing.Butsomewillleavethefuelrodandhitthewatermolecules,ortheairthatisinthewater.Then,anon-radioactiveelementcan“capture”theneutron.Itesradioactive.Asdescribedabove,itwillquickly(seconds)getridagainoftheneutrontoreturntoitsformerbeautifulself.
4
1.本试卷满分为100分，全部考试时间总计180分钟。
2.所有答案必须写在答题纸上，写在试题纸上或草稿纸上一律无效。
必答题（共60分）
一、请解释下列概念(任选6题，每题2分，共12分) 堆垛层错；反应扩散；共晶反应；浓差电池；弹性变形；纳米材料；能量守恒；相变；比热。
二、10瓶药片，其中9瓶每片5克，只有1瓶每片6克，请用天平只称1次，找出装有6克药片的药瓶。
（4分）三、1公斤炸药爆炸后释放的能量与1公斤木材燃烧释放的能量差不多，为什么炸药显得威力巨大？(5分)
四、单晶、多晶、纳米晶和非晶金属结构上主要差别是什么？（5分）
五、用X光衍射对一块金属镍进行分析，相应衍射图谱与标准图谱比对后，发现衍射峰对应的衍射角发生偏移，请解释导致该现象产生的可能原因。
（6分）
六、钠是一种银白色金属，很软，露置在空气中，很快会生成氧化钠；钠块投入水中，能浮在水面上，并发生剧烈反应，生成氢氧化钠和氢气，反应释放的热量使金属钠块熔化成小球，并快速消失，因此，金属钠通常保存在煤油中。
阅读上文后，归纳金属钠的物理和化学性质各有哪些？(6分)
七、子弹水平飞行，先后穿过三块完全相同的静止并固定在地面上的木块后速度恰好为零（见下图），问子弹在射入每个木块前的速度之比为多少？子弹穿过每个木块所用时间之比为多少？(6分)
八、结合插图阅读下文后回答下列问题：沸水反应堆的发电原理？裂变原理？如何控 制裂变反应？避免核燃料熔化的途径有哪些？（8分） 请以本文为素材，写一篇200字以下的短文来论证核电安全问题。
（8分）文章内 容详见附页。
第1页共5页 选答题（请从以下四类中任选一类，共40分）材料类（共40分）
一、名词解释（每题1分，共5分） 离异共晶；倒易点阵；调幅分解；扩散蠕变；形变织构。
二、简答题（每题2.5分，共10分）
1.简述间隙相和间隙化合物的异同。
2.简述晶体的生长方式和机制。
3.α-Fe和Mg相比谁的塑性好，为什么？
4.合金强化的方法有几种？比较各方法的优缺点。
三、分析题（每题5分，共25分）
1.区域熔炼法可用于对金属进行提纯，试推导当溶质平衡分配系数k小于1时， 溶质含量为C0、长度为L的金属棒经第一次区域熔炼提纯后溶质浓度沿棒轴向的分布。
2.什么是Lomer-Cottrell位错？
3.说明马氏体相变的晶体学特征和生长机制。
4.合金相图反映了一些什么关系？如何利用热力学计算相图？
5.分析第二相颗粒尺寸对位错运动的阻碍效应和对位错运动方式的影响。
物理类（共40分）
一、概念题（每题3分，共15分） 测不准原理；德布罗意波；色散关系；赝势、全势；声子。
二、试述导体、半导体、绝缘体能带结构的异同？（5分）
三、吉布斯自由能降低的反应是否一定会发生？为什么？（5分）
四、两块温度不同的同种金属接触后，在温度未达到相等前，是否存在电势差？为什 么？（3分）
五、紧束缚模型电子的能量是正值还是负值？（3分）
六、如果将组成固体的所有原子分散到无限远处（即每两个原子之间的相互作用力可以 忽略），由这些无限远处的原子组成的体系与固体相比，总能量高还是低？并说明 其原因？（3分）
七、能否用实验的方法测出量子力学方程，如�−h2∇2+V(r)�φ(r)=Eφ(r)的本征值E？2m 为什么？（3分） 第2页共5页
八、什么叫布里渊区？为什么在量子力学中经常在第一布里渊区中处理问题，根据是什 么？（3分） 加工类（共40分）
一、概念题（每题2分，共10分） 动态回复；均匀退火；微观偏析；相变超塑性；摩擦焊。
二、简答题（每题4分，共12分）
1.指出金属材料冷锻和热锻内部组织各发生了什么变化？
2.碳当量对焊接冷裂纹敏感性的影响？
3.如何在铸件中获得细小等轴晶？
三、分析题（每题6分，共18分）
1.说出大型铸件的凝固特征及组织特征，给出常见铸造缺陷，并指出可以通过什 么办法分别消除？
2.金属材料热锻成形过程中，一般会有硬化现象或软化现象发生，请分析原因。
3.如何初步判定材料的焊接性？试验方法有哪些？ 化学类（共40分）
一、选择题（共16分）
1.一个反应达到平衡的标志是（）（2分）
A、各反应物和生成物的浓度等于常数。
B、各反应物和生成物的浓度相等。
C、各反应物的浓度不随时间改变。
D、正逆反应的速率常数相等。
2.从锰在酸性介质中的电极电势图可以看出酸性介质中会发生岐化反应的物质是（） （2分） MnO−0.56MnO2−2.24MnO0.95Mn3+1.5Mn2+−1.18Mn
4 4
2 A、MnO4-
B、MnO42-
C、MnO2D、Mn2+
3.下列化合物中不水解的是（）（2分）
A、CCl4B、SiCl4C、BCl3D、PCl54.对于催化剂特性的描述不正确的是（）（2分）
A、催化剂是能缩短达到平衡的时间，而不能改变平衡的状态。
B、催化剂在反应前后化学性质和物理性质均不变。
第3页共5页
C、催化剂不能改变平衡常数。
D、加入催化剂不能实现热力学上不能进行的反应。
5.下列与浓盐酸反应没有氯气放出的是（）（2分）
A、PbO2B、Fe2O3C、CO2O3D、Ni2O3
6.常温下，单质F2、Cl2是气体，Br2是液体，I2是固体，这是因为（）（2分）
A、分子间取向力由F2→I2递增
B、分子间色散力由F2→I2递增
C、单质的密度由F2→I2递增
7.不能用蒸馏手段浓缩制备氢卤酸，其原因是（）（2分）
A、挥发性物质
B、高沸点物质
C、恒沸物质
8.Sn和Pb都有+2和+4氧化态，但Sn以+4态稳定，Pb以+2态稳定，其原因是（） （2分）
A、电荷效应
B、惰性电子对效应
C、离子半径差别
二、判断正误（共4分）
1.规定最稳定单质的ΔfHmθ=
0，ΔGfθm=
0，Smθ=
0。
（）（2分）
2.主量子数n=1的电子层内，有自旋相反的两个轨道。
（）（2分）
三、填空（共4分）
1.在K[Co(C2O4)2en]中，中心离子的配位数是 。
（2分）
2.双氧水做氧化剂的产物是 。
（2分）
四、问答题（6分） 实验已经确定了反应2NO（g）+Br2（g）→2NOBr（g）的速率方程为： γ=[NO]2[Br2]
1.下列反应机理中哪一个或几个是可能的？（2分）
2.如果有多个可能的机理，其中哪一个的可能性最大？说明原因。
（4分） 机理1:NO+NO+Br2→2NOBr慢 K1 机理2:NO+Br2��NOBr2慢 第4页共5页 KL NOBr2+NO��2NOBr快 机理3: NO+Br2K1NOBr2快K-1KL NOBr2+NO��2NOBr慢
五、如何从含有Al3+、Cr3+和Fe3+的溶液中分离出来上述三种物质？（5分）
六、通过计算说明将20ml、0.002ml/L的Na2SO4溶液和10ml、0.02ml/L的BaCl2溶液混合，有无沉淀产生？(已知Ksp，BaSO4=1.1╳10-10)（5分） 第5页共5页 附页，共4页，用于必答题第八题。
WhyIamnotworriedaboutJapan’snuclearreactors Iamwritingthistext(Mar12)togiveyousomepeaceofmindregardingsomeofthetroublesinJapan,thatisthesafetyofJapan’snuclearreactors（核反应堆）.Upfront,thesituationisserious,butundercontrol.Andthistextislong!
Butyouwillknowmoreaboutnuclearpowerplantsafterreadingitthanalljournalistsonthisputtogether.Therewasandwill*not*beanysignificantreleaseofradioactivity.By“significant”Imeanalevelofradiationofmorethanwhatyouwouldreceiveon–say–alongdistanceflight,ordrinkingaglassofbeeresfromcertainareaswithhighlevelsofnaturalbackgroundradiation.Ihavebeenreadingeverynewsreleaseontheincidentsincetheearthquake.Therehasnotbeenonesingle(!
)reportthatwasurateandfreeoferrors(andpartofthatproblemisalsoaweaknessintheJapanesemunication).By“notfreeoferrors”Idonotrefertotendentiousanti-nuclearjournalism–thatisquitenormalthesedays.By“notfreeoferrors”Imeanblatanterrorsregardingphysicsandnaturallaw,aswellasgrossmisinterpretationoffacts,duetoanobviouslackoffundamentalandbasicunderstandingofthewaynuclearreactorsarebuiltandoperated.Ihavereada3pagereportonCNNwhereeverysingleparagraphcontainedanerror.
1 Wewillhavetocoversomefundamentals,beforewegetintowhatisgoingon. TheplantsatFukushima（福岛）aresocalledBoilingWaterReactors,orBWRforshort.BoilingWaterReactorsaresimilartoapressurecooker.Thenuclearfuelheatswater,thewaterboilsandcreatessteam,thesteamthendrivesturbines（汽轮机）thatcreatetheelectricity,andthesteamisthencooledandcondensedbacktowater,andthewatersendbacktobeheatedbythenuclearfuel.Thepressurecookeroperatesatabout250°
C. Thenuclearfuelisuranium（铀）oxide.Uraniumoxideisaceramic（陶瓷）withaveryhighmeltingpointofabout3000°
C.Thefuelismanufacturedinpellets(thinklittlecylindersthesizeofLegobricks).ThosepiecesarethenputintoalongtubemadeofZircaloy（锆合金）withameltingpointof2200°C,andsealedtight.Theassemblyiscalledafuelrod（燃料棒）.Thesefuelrodsarethenputtogethertoformlargerpackages,andanumberofthesepackagesarethenputintothereactor.Allthesepackagestogetherarereferredtoas“thecore”. TheZircaloycasingisthefirstcontainment.Itseparatestheradioactivefuelfromtherestoftheworld. Thecoreisthenplacedinthe“pressurevessels（压力容器）”.Thatisthepressurecookerwetalkedaboutbefore.Thepressurevesselsarethesecondcontainment.Thisisonesturdypieceofapot,designedtosafelycontainthecorefortemperaturesseveralhundred°
C.Thatcoversthescenarioswherecoolingcanberestoredatsomepoint. Theentire“hardware”ofthenuclearreactor–thepressurevesselandallpipes,pumps,coolant(water)reserves,arethenencasedinthethirdcontainment.Thethirdcontainmentisahermetically(airtight)sealed,verythickbubbleofthestrongeststeelandconcrete（混凝土）.Thethirdcontainmentisdesigned,builtandtestedforonesinglepurpose:Tocontain,indefinitely,pletecoremeltdown.Forthatpurpose,alargeandthickconcretebasiniscastunderthepressurevessel(thesecond
2 containment),allinsidethethirdcontainment.Thisistheso-called“corecatcher”.Ifthecoremeltsandthepressurevesselbursts(andeventuallymelts),itwillcatchthemoltenfuelandeverythingelse.Itistypicallybuiltinsuchawaythatthenuclearfuelwillbespreadout,soitcancooldown. Thisthirdcontainmentisthensurroundedbythereactorbuilding.Thereactorbuildingisanoutershellthatissupposedtokeeptheweatherout,butnothingin. Fundamentalsofnuclearreactions Theuraniumfuelgeneratesheatbynuclearfission.Biguraniumatomsaresplitintosmalleratoms.Thatgeneratesheatplusneutrons(oneoftheparticlesthatformsanatom).Whentheneutronhitsanotheruraniumatom,thatsplits,generatingmoreneutronsandsoon.Thatiscalledthenuclearchainreaction. Now,justpackingalotoffuelrodsnexttoeachotherwouldquicklyleadtooverheatingandafterabout45minutestoameltingofthefuelrods.Itisworthmentioningatthispointthatthenuclearfuelinareactorcan*never*causeanuclearexplosionthetypeofanuclearbomb.Buildinganuclearbombisactuallyquitedifficult.InChernoby（l切尔诺贝利）,theexplosionwascausedbyexcessivepressurebuildup,hydrogenexplosionandruptureofallcontainments,propellingmoltencorematerialintotheenvironment(a“dirtybomb”).WhythatdidnotandwillnothappeninJapan,furtherbelow. Inordertocontrolthenuclearchainreaction,thereactoroperatorsuseso-called“controlrods（控制棒）”.Thecontrolrodsabsorbtheneutronsandkillthechainreactioninstantaneously.Anuclearreactorisbuiltinsuchaway,thatwhenoperatingnormally,youtakeoutallthecontrolrods.Thecoolantwaterthentakesawaytheheat(andconvertsitintosteamandelectricity)atthesamerateasthecoreproducesit.Andyouhavealotofleewayaroundthestandardoperatingpointof250°
C. 3 Thechallengeisthatafterinsertingtherodsandpingthechainreaction,thecorestillkeepsproducingheat.Theuranium“ped”thechainreaction.Butanumberofintermediateradioactiveelementsarecreatedbytheuraniumduringitsfissionprocess,mostnotablyCesium（铈）andIodine（碘）es（同位素）,i.e.radioactiveversionsoftheseelementsthatwilleventuallysplitupintosmalleratomsandnotberadioactiveanymore.Thoseelementskeepdecayingandproducingheat.Becausetheyarenotregeneratedanylongerfromtheuranium(theuraniumpeddecayingafterthecontrolrodswereputin),theygetlessandless,andsothecorecoolsdownoveramatterofdays,untilthoseintermediateradioactiveelementsareusedup. Thisresidualheatiscausingtheheadachesrightnow. Sothefirst“type”ofradioactivematerialistheuraniuminthefuelrods,plustheintermediateradioactiveelementsthattheuraniumsplitsinto,alsoinsidethefuelrod(CesiumandIodine). Thereisasecondtypeofradioactivematerialcreated,outsidethefuelrods.Thebigmaindifferenceupfront:Thoseradioactivematerialshaveaveryshorthalf-life,thatmeansthattheydecayveryfastandsplitintonon-radioactivematerials.ByfastImeanseconds.Soiftheseradioactivematerialsarereleasedintotheenvironment,yes,radioactivitywasreleased,butno,itisnotdangerous,atall.Why?
Bythetimeyouspelled“R-A-D-I-O-N-U-C-L-I-D-E”,theywillbeharmless,becausetheywillhavesplitupintononradioactiveelements.ThoseradioactiveelementsareN-16,theradioactivee(orversion)ofnitrogen(air).TheothersarenoblegasessuchasArgon.Butwheredoefrom?
Whentheuraniumsplits,itgeneratesaneutron(seeabove).Mostoftheseneutronswillhitotheruraniumatomsandkeepthenuclearchainreactiongoing.Butsomewillleavethefuelrodandhitthewatermolecules,ortheairthatisinthewater.Then,anon-radioactiveelementcan“capture”theneutron.Itesradioactive.Asdescribedabove,itwillquickly(seconds)getridagainoftheneutrontoreturntoitsformerbeautifulself.
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