2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——物理學(xué)專業(yè)中的熱核聚變與等離子體物理考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（本題共5小題，每小題3分，共15分。請將正確選項的字母填在答題紙上。）1.下列哪個物理量不是等離子體特有的？A.洛倫茲力B.德拜長度C.等離子體頻率D.逸度2.在磁約束等離子體中，E×B漂移的方向垂直于：A.電場EB.磁場BC.兩者構(gòu)成的平面D.等離子體密度梯度3.朗繆爾波的色散關(guān)系近似為ω2≈4π2n_ee2/k_BT_en_s，其中n_e是電子數(shù)密度，T_e是電子溫度，k_B是玻爾茲曼常量。該波主要是由下列哪個過程引起的？A.離子溫度遠(yuǎn)高于電子溫度B.電子與離子間的碰撞C.電子在電場中的加速D.等離子體膨脹4.在托卡馬克裝置中，為了實現(xiàn)能量約束，通常需要施加強大的縱向磁場。其主要作用是：A.提高等離子體溫度B.增強離子回旋頻率C.產(chǎn)生阿爾芬波，用于輸運D.約束等離子體，防止其觸及真空室壁5.熱核聚變中，D-T反應(yīng)(氘-氚反應(yīng))相比于D-He3(氘-氦3)反應(yīng)，其主要優(yōu)勢在于：A.反應(yīng)截面更大B.產(chǎn)生的中子能量更低C.對燃料溫度要求更低D.更容易實現(xiàn)點火二、填空題（本題共5小題，每小題3分，共15分。請將答案填在答題紙上。）6.等離子體中的粒子運動除了受到電磁力外，還會受到______和______的影響。7.磁流體力學(xué)(MHD)中，等離子體被視為一種導(dǎo)電的流體，其運動需要滿足______方程和______方程。8.在熱核聚變堆中，為了維持聚變反應(yīng)，需要將等離子體約束足夠長的時間(τ)，同時達(dá)到足夠高的溫度(T)。能量增益因子Q定義為______與______之比。9.中性束注入(NBI)是一種常用的等離子體加熱方法，其基本原理是向等離子體注入高能______，通過與等離子體粒子碰撞傳遞能量。10.等離子體不穩(wěn)定性是指在外界擾動或內(nèi)部參數(shù)變化下，等離子體平衡狀態(tài)喪失，其能量從______向______轉(zhuǎn)移的過程。三、簡答題（本題共3小題，每小題5分，共15分。請將答案簡潔明了地寫在答題紙上。）11.簡述什么是等離子體的“二流體模型”，并說明其適用的條件。12.解釋什么是等離子體的“反常輸運”，并簡述其在磁約束聚變中帶來的挑戰(zhàn)。13.簡要比較磁約束聚變(MCF)和慣性約束聚變(ICF)兩種主要聚變路徑的基本原理和主要挑戰(zhàn)。四、計算題（本題共3小題，共35分。請寫出詳細(xì)的計算過程和結(jié)果。）14.(10分)一均勻等離子體，電子數(shù)密度為n_e=1.0×1021m?3，電子溫度為T_e=100eV，離子溫度為T_i=10eV。設(shè)基本電荷e=1.6×10?1?C，電子質(zhì)量m_e=9.1×10?31kg，離子質(zhì)量m_i=1.67×10?2?kg，玻爾茲曼常量k_B=1.38×10?23J/K。計算：(1)等離子體特征頻率(朗繆爾頻率)ω_p；(2)電子和離子的熱運動速度方均根值v_th,e和v_th,i；(3)離子的回旋頻率ω_c,i(假設(shè)B=1.0T)。15.(12分)考慮一無限長、半徑為R的圓柱形均勻等離子體柱，其內(nèi)部存在一個沿柱軸的恒定電場E=E?(0<r<R)和垂直于柱軸的恒定磁場B=B?(沿z方向)。忽略重力，電子數(shù)密度n_e=n?(常數(shù))，離子數(shù)密度與電子數(shù)密度相同。電子質(zhì)量為m_e，基本電荷為-e。求：(1)求電子在徑向(r)和角向(φ)方向上的運動方程；(2)忽略電子與離子的相互作用，導(dǎo)出電子的平衡速度v?(r)，φ(t)；(3)簡述此條件下可能出現(xiàn)的E×B對流現(xiàn)象。16.(13分)簡述托卡馬克中阿爾芬波(Alfvenwave)的基本性質(zhì)，并解釋它在實現(xiàn)聚變堆能量約束中的作用。假設(shè)托卡馬克環(huán)半徑R=3.0m，磁通量環(huán)向模數(shù)q=3，等離子體內(nèi)部磁場B?=5.0T。計算該托卡馬克中阿爾芬波的截止頻率ω_c。提示：ω_c=q*Ω_A，其中Ω_A=B?/(√(μ?*ρ_i))是阿爾芬頻率，ρ_i是離子密度，μ?是真空磁導(dǎo)率。五、論述題（本題10分。請將答案寫在答題紙上。）17.熱核聚變被認(rèn)為是未來理想的清潔能源，但實現(xiàn)其商業(yè)化面臨諸多挑戰(zhàn)。請結(jié)合所學(xué)知識，論述實現(xiàn)可控核聚變需要克服的主要科學(xué)和工程難題。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.D5.A二、填空題6.碰撞；梯度力7.連續(xù)；動量8.聚變輸出功率；輸入功率9.中性粒子束10.平衡態(tài)；耗散結(jié)構(gòu)（或湍流）三、簡答題11.二流體模型將等離子體視為由電子和離子兩種準(zhǔn)流體組成的系統(tǒng)，分別描述它們的宏觀運動（密度、速度、溫度等），并引入描述相互作用的有源項（如粒子交換、動量交換）。該模型適用于粒子數(shù)密度足夠大，相互作用頻繁，可以忽略單個粒子行為的情況，即宏觀尺度研究。12.反常輸運是指等離子體輸運系數(shù)（如熱導(dǎo)率、擴(kuò)散率、電導(dǎo)率）偏離經(jīng)典理論預(yù)測的高斯-波爾茲曼極限（或斯莫魯夫-格拉森極限）而顯著增大的現(xiàn)象。其物理機(jī)制通常涉及波粒相互作用（如離子聲波、阿爾芬波對粒子的散射）、湍流等復(fù)雜集體效應(yīng)。反常輸運是限制磁約束聚變等離子體能量約束時間的關(guān)鍵因素。13.磁約束聚變(MCF)利用強磁場約束高溫等離子體，通過磁力線螺旋運動實現(xiàn)約束，主要裝置有托卡馬克和仿星器。挑戰(zhàn)包括實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式、處理高能中子輻照、材料科學(xué)限制、大型裝置工程建造等。慣性約束聚變(ICF)通過強大的驅(qū)動源（激光或粒子束）在極短時間內(nèi)向微小燃料靶丸輻照，利用慣性使其在自身坍縮中實現(xiàn)壓縮和點火。挑戰(zhàn)包括實現(xiàn)均勻、高效壓縮、獲得足夠能量增益、驅(qū)動器技術(shù)成熟度、重復(fù)頻率與成本等。四、計算題14.(1)ω_p=sqrt(4πn_ee2/m_ek_BT_e)=sqrt(4π*1.0e21*(1.6e-19)2/(9.1e-31*1.38e-23*100*1.6e-19))≈2.1e8rad/s(2)v_th,e=sqrt(k_BT_e/m_e)=sqrt(1.38e-23*100*1.6e-19/9.1e-31)≈1.3e?m/sv_th,i=sqrt(k_BT_i/m_i)=sqrt(1.38e-23*10*1.6e-19/1.67e-27)≈1.3e?m/s(3)ω_c,i=eB/m_i=(1.6e-19*1.0)/(1.67e-27)≈9.6e7rad/s15.(1)電子受力F=-eE+ev×B=m_edv/dt徑向運動:m_edv_r/dt=-eE+e(v_φB?/R)角向運動:m_edv_φ/dt=ev_rB?(假設(shè)穩(wěn)態(tài)解，v_r,v_φ不顯含t)(2)在平衡態(tài)，dv/dt=0:v_rB?=Ev_φ=v_rR/B?即電子以恒定角速度v_φ繞軸旋轉(zhuǎn)，同時沿磁場方向（或近似徑向）漂移。(3)此平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的。當(dāng)給予微小擾動，電子會偏離平衡軌道，徑向運動方程變?yōu)?m_edv_r/dt=-eE+e(v_φ(t)B?/R)由于v_φ隨時間變化，洛倫茲力不再平衡，導(dǎo)致電子獲得額外的徑向速度，可能向邊緣運動。這種不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致等離子體邊緣的湍流或粒子損失，是E×B對流的基礎(chǔ)機(jī)制之一。16.阿爾芬波是在等離子體中傳播的磁流體力學(xué)波，其相速度等于磁場中的阿爾芬速度。它攜帶磁場線一起運動，波的能量儲存在磁場中。在托卡馬克中，阿爾芬波可能參與能量和粒子輸運，對約束邊界穩(wěn)定性有重要影響。抑制阿爾芬波活動是提高約束性能的關(guān)鍵。截止頻率ω_c是指波數(shù)k達(dá)到某個臨界值k_c時波的頻率，此時波無法在介質(zhì)中傳播。對于環(huán)向磁面系統(tǒng)，截止頻率通常與環(huán)向模數(shù)q和阿爾芬頻率Ω_A相關(guān)。Ω_A=B?/sqrt(μ?ρ_i)。ω_c=q*Ω_A=q*B?/sqrt(μ?ρ_i)。計算:ω_c=3*(5.0)/sqrt(4π*1.257*1.0e21)≈3*5.0/sqrt(1.57*1e21)≈15/(1.25*1e10)≈1.2*1e9rad/s五、論述題可控核聚變面臨的主要挑戰(zhàn)包括：1.實現(xiàn)并維持高溫(>1億度)和高壓的等離子體狀態(tài)，以克服庫侖斥力并維持核反應(yīng)。2.實現(xiàn)對高溫等離子體足夠長(秒量級)的約束，使其不觸及容器壁而被冷卻或損壞。3.發(fā)展有效的等離子體加熱和電流驅(qū)動技術(shù)，將輸入能量轉(zhuǎn)化為等離子體內(nèi)部能量，并維持聚變所需的高參數(shù)。4.實