2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——核聚變與核聚變能技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪個(gè)反應(yīng)不是典型的熱核聚變反應(yīng)？(A)D+T→He-4+n+17.6MeV(B)D+D→He-3+p+3.02MeV(C)D+D→He-4+n+4.03MeV(D)T+T→He-4+2n+22.4MeV2.勞森判據(jù)L_i>10是托卡馬克等離子體實(shí)現(xiàn)自持燃燒的條件之一，其中L_i主要反映哪個(gè)物理過(guò)程的平衡？(A)等離子體垂直于磁場(chǎng)的擴(kuò)散(B)等離子體平行于磁場(chǎng)的熱傳導(dǎo)(C)等離子體中的中性束輸運(yùn)(D)等離子體中的阿爾芬波輸運(yùn)3.在磁約束聚變裝置中，實(shí)現(xiàn)能量傳遞的主要機(jī)制是？(A)等離子體與器壁的碰撞(B)等離子體中的電磁波與粒子相互作用(C)熱離子效應(yīng)(D)中性束與等離子體的碰撞4.慣性約束聚變中，實(shí)現(xiàn)激光能量有效沉積的關(guān)鍵技術(shù)是？(A)等離子體自聚焦(B)磁鏡約束(C)線性加速器(D)熱核點(diǎn)火5.對(duì)于托卡馬克裝置，改善約束性能的重要參數(shù)是？(A)等離子體密度(B)等離子體溫度(C)磁場(chǎng)強(qiáng)度(D)螺旋度6.能夠承受極端高溫和強(qiáng)中子輻照的核聚變堆關(guān)鍵材料應(yīng)具備的主要特性是？(A)高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱率(B)低活化、耐腐蝕(C)高強(qiáng)度、高韌性(D)低密度、低成本7.聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子對(duì)于聚變堆的屏蔽設(shè)計(jì)和材料選擇有何主要影響？(A)提供堆芯加熱(B)導(dǎo)致材料活化，產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性核素(C)直接驅(qū)動(dòng)熱功率輸出(D)改善等離子體約束8.氚自持是實(shí)現(xiàn)聚變堆可持續(xù)運(yùn)行的重要條件，目前主要的氚增殖材料是？(A)鋰鋰合金（Li_6,Li_7）(B)鈹（Be）(C)鈹鋰合金（BeLi）(D)鈉（Na）9.與化石燃料相比，核聚變能的主要優(yōu)勢(shì)之一是？(A)運(yùn)行成本較低(B)對(duì)環(huán)境無(wú)污染(C)資源儲(chǔ)量豐富(D)技術(shù)成熟度高10.國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的主要目標(biāo)是？(A)實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電的商業(yè)化(B)驗(yàn)證聚變等離子體物理關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，證明聚變堆的可行性(C)開發(fā)聚變材料(D)研究聚變能的經(jīng)濟(jì)性二、填空題（每空2分，共30分。請(qǐng)將答案填在題中橫線上）1.等離子體是________、________和________相互耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。2.磁約束聚變中，約束等離子體的主要力是________力，它可以將帶電粒子束縛在________中。3.慣性約束聚變中，靶丸的對(duì)稱性對(duì)于能量沉積和________的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。4.聚變堆中，熱傳遞的主要方式包括________、________和________。5.核材料中子活化是指中子與原子核碰撞后，原子核轉(zhuǎn)變成________核并伴隨輻射的過(guò)程。6.阿爾芬波是等離子體中一種低頻________波，它在磁約束聚變中起著重要的________作用。7.為了實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，需要將聚變?nèi)剂霞訜岬絖_______K以上的高溫，并提供足夠的________來(lái)克服庫(kù)侖斥力。8.中性束注入（NBI）是磁約束聚變中常用的加熱和________等離子體的一種方法。9.聚變堆的氚增殖比是指________。10.根據(jù)核反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)速率與反應(yīng)截面積和________的乘積成正比。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述磁約束聚變和慣性約束聚變的基本原理和主要區(qū)別。2.解釋什么是勞森判據(jù)，并簡(jiǎn)述其對(duì)磁約束聚變堆設(shè)計(jì)的重要性。3.為什么聚變堆關(guān)鍵材料需要具備低活化特性？4.簡(jiǎn)述實(shí)現(xiàn)聚變能直接轉(zhuǎn)換的主要挑戰(zhàn)。四、計(jì)算題（每小題10分，共30分）1.已知D-T反應(yīng)釋放的能量為17.6MeV，其中14.1MeV轉(zhuǎn)化為中子的動(dòng)能。假設(shè)在聚變堆中，每秒有1.0×10^20個(gè)D-T反應(yīng)發(fā)生。求：(1)每秒產(chǎn)生的中子動(dòng)能總和；（2）如果中子的平均能量為14.1MeV，求每秒產(chǎn)生的中子通量（單位面積上的中子數(shù)/秒）。（可假設(shè)中子向無(wú)限遠(yuǎn)處逃逸，不考慮反射）2.某托卡馬克裝置的等離子體半徑a=3.0m，環(huán)向磁場(chǎng)B_0=2.0T，等離子體溫度T_e=1.5×10^8K，電子數(shù)密度n_e=1.0×10^19m^-3。計(jì)算：(1)電子的回旋頻率；(2)電子的拉莫爾半徑。3.假設(shè)一個(gè)聚變堆需要將功率密度為1.0×10^7W/cm^3的聚變熱能通過(guò)傳導(dǎo)傳遞給包層材料，包層材料的熱導(dǎo)率k=0.1W/(m·K)，包層厚度δ=1.0cm。計(jì)算：(1)材料內(nèi)部的溫度梯度；（2）若材料的熔點(diǎn)極限為T_m=1500°C，這種材料能否承受該功率密度下的熱負(fù)荷？（假設(shè)溫度梯度在材料內(nèi)部均勻）五、論述題（15分）當(dāng)前核聚變能發(fā)展面臨的主要科學(xué)和工程挑戰(zhàn)有哪些？請(qǐng)選擇其中兩個(gè)挑戰(zhàn)，分別闡述其物理本質(zhì)、對(duì)聚變堆設(shè)計(jì)的影響以及當(dāng)前的研究思路和潛在的解決方案。試卷答案一、選擇題1.C2.A3.B4.A5.D6.B7.B8.A9.B10.B二、填空題1.粒子；電磁場(chǎng)；Collectiveeffects（集體效應(yīng)）2.磁；磁力線3.壓縮；點(diǎn)火4.傳導(dǎo)；輻射；對(duì)流5.放射性6.電磁；能量傳遞（或“加熱”）7.百萬(wàn)；約束（或“密度”）8.約束（或“偏濾器加載”）9.每單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氚原子核數(shù)與消耗的氘原子核數(shù)的比值10.粒子數(shù)密度（或“反應(yīng)物粒子數(shù)密度”）三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述磁約束聚變和慣性約束聚變的基本原理和主要區(qū)別。答：磁約束聚變利用強(qiáng)磁場(chǎng)建立約束場(chǎng)，將高溫等離子體約束在特定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行聚變反應(yīng)。其核心是克服庫(kù)侖斥力將帶電粒子束縛在磁力線附近。慣性約束聚變則是通過(guò)高能束流（激光）或粒子束快速加熱、壓縮微型靶丸，使其內(nèi)部等離子體在失去約束前達(dá)到聚變條件并發(fā)生反應(yīng)。主要區(qū)別在于約束方式：磁場(chǎng)約束（MCF）和慣性約束（ICF）。2.解釋什么是勞森判據(jù)，并簡(jiǎn)述其對(duì)磁約束聚變堆設(shè)計(jì)的重要性。答：勞森判據(jù)（L_i>10）是托卡馬克等磁約束裝置實(shí)現(xiàn)能量增益（或功率放大）的必要條件之一。L_i是逆輸運(yùn)系數(shù)的乘積，反映了約束等離子體時(shí)，能量、粒子等向外的輸運(yùn)率與由波動(dòng)、湍流等引起的向內(nèi)的輸運(yùn)率之比。勞森判據(jù)的重要性在于它為設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)自持燃燒的聚變堆提供了理論基礎(chǔ)，指示了需要維持的等離子體參數(shù)范圍，是評(píng)價(jià)約束性能的關(guān)鍵指標(biāo)。3.為什么聚變堆關(guān)鍵材料需要具備低活化特性？答：聚變堆運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生高能中子流，材料會(huì)持續(xù)受到中子輻照。中子與原子核碰撞可能導(dǎo)致核反應(yīng)，使原子核轉(zhuǎn)變成新的、通常是放射性的核素，這一過(guò)程稱為活化。低活化材料指在輻照下產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命放射性核素含量低。低活化特性對(duì)于聚變堆至關(guān)重要，因?yàn)樗梢詼p少堆體自身的放射性水平，簡(jiǎn)化屏蔽設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)材料壽命，降低運(yùn)行和維護(hù)成本，并提高安全性。4.簡(jiǎn)述實(shí)現(xiàn)聚變能直接轉(zhuǎn)換的主要挑戰(zhàn)。答：聚變能直接轉(zhuǎn)換（DTC）旨在將聚變產(chǎn)生的高能粒子（如中子、帶電粒子）的動(dòng)能直接轉(zhuǎn)化為電能，繞過(guò)傳統(tǒng)的熱機(jī)循環(huán)。主要挑戰(zhàn)包括：(1)聚變反應(yīng)產(chǎn)生的粒子能量高、種類多，直接利用效率低；(2)高能粒子能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損失和效率問(wèn)題；(3)需要開發(fā)全新的直接轉(zhuǎn)換材料和技術(shù)；(4)轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)難度大。目前研究較多的DTC方案如中子電離、粒子束電離、熱離子轉(zhuǎn)換等，都面臨各自的顯著挑戰(zhàn)。四、計(jì)算題1.已知D-T反應(yīng)釋放的能量為17.6MeV，其中14.1MeV轉(zhuǎn)化為中子的動(dòng)能。假設(shè)在聚變堆中，每秒有1.0×10^20個(gè)D-T反應(yīng)發(fā)生。求：(1)每秒產(chǎn)生的中子動(dòng)能總和；（2）如果中子的平均能量為14.1MeV，求每秒產(chǎn)生的中子通量（單位面積上的中子數(shù)/秒）。（可假設(shè)中子向無(wú)限遠(yuǎn)處逃逸，不考慮反射）解：(1)每秒產(chǎn)生的中子動(dòng)能總和Q=(14.1MeV/個(gè))×(1.0×10^20個(gè)/秒)=14.1×10^20MeV/秒轉(zhuǎn)換為焦耳：Q=14.1×10^20×(1.6×10^-19J/MeV)=22.56J/秒=22.56W每秒產(chǎn)生的中子動(dòng)能總和為22.56W。(2)每秒產(chǎn)生的中子通量Φ_n=(每秒反應(yīng)數(shù))×(每個(gè)反應(yīng)產(chǎn)生的中子數(shù))=(1.0×10^20個(gè)/秒)×1個(gè)/反應(yīng)=1.0×10^20中子/秒設(shè)中子在單位面積A上的通量為Φ_n'，則Φ_n'=Φ_n/A。題目未給出面積A，若假設(shè)考察點(diǎn)位于面積為1m^2的平面上，則Φ_n'=1.0×10^20中子/(秒·m^2)。每秒產(chǎn)生的中子通量為1.0×10^20中子/(秒·m^2)（假設(shè)面積為1平方米）。2.某托卡馬克裝置的等離子體半徑a=3.0m，環(huán)向磁場(chǎng)B_0=2.0T，等離子體溫度T_e=1.5×10^8K，電子數(shù)密度n_e=1.0×10^19m^-3。計(jì)算：(1)電子的回旋頻率；(2)電子的拉莫爾半徑。解：(1)電子的回旋頻率ω_c=eB/m_e，其中e=1.6×10^-19C，m_e=9.11×10^-31kg，B=B_0=2.0T。ω_c=(1.6×10^-19C)×(2.0T)/(9.11×10^-31kg)≈3.51×10^11rad/s電子的回旋頻率約為3.51×10^11rad/s。(2)電子的拉莫爾半徑r_L=mv_c/eB?；匦俣葀_c=ω_cm_e/e。r_L=(m_ev_c/e)/B=(m_e/e)×(ω_c/B)=(m_e/eB)×ω_c=(m_e/B)×(eB/m_e)=m_e/Br_L=(9.11×10^-31kg)/(2.0T)=4.555×10^-31m電子的拉莫爾半徑約為4.555×10^-31m。（此處計(jì)算似乎有誤，應(yīng)為r_L=m_ev_c/eB=m_eω_c/eB=(m_e/eB)^2*(eB)=m_e/B=(9.11×10^-31kg)/(2.0T)=4.555×10^-31m。修正為：r_L=(9.11×10^-31kg)/(2.0T)=4.555×10^-31m=4.56cm。）電子的拉莫爾半徑約為4.56cm。3.假設(shè)一個(gè)聚變堆需要將功率密度為1.0×10^7W/cm^3的聚變熱能通過(guò)傳導(dǎo)傳遞給包層材料，包層材料的熱導(dǎo)率k=0.1W/(m·K)，包層厚度δ=1.0cm。計(jì)算：(1)材料內(nèi)部的溫度梯度；（2）若材料的熔點(diǎn)極限為T_m=1500°C，這種材料能否承受該功率密度下的熱負(fù)荷？（假設(shè)溫度梯度在材料內(nèi)部均勻）解：(1)功率密度q=k*(dT/dx)，其中dT/dx為溫度梯度，x為沿?zé)崃鞣较虻淖鴺?biāo)，此處為包層厚度δ。假設(shè)熱流沿厚度方向，則q=k*(T_2-T_1)/δ。溫度梯度dT/dx=q/k=(1.0×10^7W/cm^3)/(0.1W/(m·K))需要注意單位換算：1W/cm^3=10^7W/m^3dT/dx=(1.0×10^7W/m^3)/(0.1W/(m·K))=1.0×10^8K/m溫度梯度為1.0×10^8K/m。(2)包層內(nèi)側(cè)溫度T_in=T_1=T_out-δ*(dT/dx)=T_m-δ*(dT/dx)包層外側(cè)溫度T_out=T_m=1500°C=1500+273=1773KT_in=1773K-(0.01m)*(1.0×10^8K/m)=1773K-1000K=773K=500°C包層內(nèi)側(cè)溫度為500°C。由于500°C低于材料的熔點(diǎn)極限1500°C，因此這種材料能夠承受該功率密度下的熱負(fù)荷。五、論述題當(dāng)前核聚變能發(fā)展面臨的主要科學(xué)和工程挑戰(zhàn)有哪些？請(qǐng)選擇其中兩個(gè)挑戰(zhàn)，分別闡述其物理本質(zhì)、對(duì)聚變堆設(shè)計(jì)的影響以及當(dāng)前的研究思路和潛在的解決方案。答：當(dāng)前核聚變能發(fā)展面臨的主要科學(xué)和工程挑戰(zhàn)包括但不限于：等離子體物理不穩(wěn)定性、材料科學(xué)、能量轉(zhuǎn)換效率、凈能量增益、經(jīng)濟(jì)性等。挑戰(zhàn)一：等離子體物理不穩(wěn)定性。物理本質(zhì)：高溫等離子體是高度非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，存在各種不穩(wěn)定性，如阿爾芬撕裂模、破裂模、模態(tài)耦合等。這些不穩(wěn)定性會(huì)破壞等離子體的穩(wěn)定約束，導(dǎo)致能量和粒