2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——核裂變與核聚變的發(fā)展歷程考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.鏈式反應2.勞森判據(jù)3.核臨界質(zhì)量4.托卡馬克5.曼哈頓計劃二、填空題（每空1分，共10分）1.1896年，法國物理學家__________發(fā)現(xiàn)了天然放射性現(xiàn)象。2.愛因斯坦提出的質(zhì)能方程__________揭示了質(zhì)子和中子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損所對應的巨大能量。3.1938年，德國科學家__________和__________發(fā)現(xiàn)了鈾核的裂變現(xiàn)象。4.為解決核反應堆中中子泄漏問題，需要在反應堆中放置__________材料。5.目前商業(yè)運行的核電站主要利用__________核反應產(chǎn)生的能量。6.實現(xiàn)核聚變需要克服極高的__________和極短的__________兩個主要挑戰(zhàn)。7.國際熱核聚變實驗堆（ITER）是當今世界規(guī)模最大的實驗性__________裝置，其目標是驗證聚變能量的科學可行性與工程可行性。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述盧瑟福原子核模型的主要內(nèi)容及意義。2.簡述核裂變鏈式反應得以維持的三個基本條件。3.簡述核聚變與核裂變在基本原理、燃料來源、反應產(chǎn)物和環(huán)境效應等方面的主要區(qū)別。4.簡述核廢料處理面臨的主要挑戰(zhàn)。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述第二次世界大戰(zhàn)期間曼哈頓計劃對核裂變技術發(fā)展的推動作用及其歷史影響。2.結(jié)合核聚變發(fā)展的歷史進程，分析實現(xiàn)聚變能商業(yè)化的主要科學難題和工程挑戰(zhàn)，并探討其未來發(fā)展的前景與潛在意義。試卷答案一、名詞解釋1.鏈式反應：指一個原子核的裂變（或其他核反應）產(chǎn)生的中子引起另一個原子核裂變，釋放的能量和產(chǎn)生的中子又進一步引發(fā)更多原子核裂變的持續(xù)過程。**解析思路：*考察對核裂變核心機制的掌握。關鍵在于理解“一個中子引發(fā)另一個裂變，并產(chǎn)生更多中子”的持續(xù)循環(huán)過程。2.勞森判據(jù)：指實現(xiàn)磁約束核聚變需要同時滿足的兩個條件：最小化損失的能量與產(chǎn)生熱能之比（Q值）大于10，以及約束的等離子體中能量約束時間（τ_E）與離子碰撞時間（τ_coll）之比大于1。**解析思路：*考察對聚變等離子體物理基本要求的理解。雖然題目只填判據(jù)本身，但解析應理解其核心是能量增益和約束穩(wěn)定性的要求。3.核臨界質(zhì)量：指能夠維持鏈式裂變反應（特別是鏈式反應）得以持續(xù)進行的最低質(zhì)量的某種fissilematerial（易裂變材料，如鈾-235或钚-239）塊。**解析思路：*考察對核反應堆運行基本條件的理解。關鍵在于“維持鏈式反應”、“最低質(zhì)量”、“易裂變材料”這幾個要素。4.托卡馬克：一種利用強磁場將高溫等離子體約束成環(huán)形，并利用環(huán)形真空室壁的反射來增加等離子體約束時間的磁約束聚變裝置。**解析思路：*考察對主流聚變研究路徑中典型裝置的了解。關鍵在于理解其“環(huán)形約束”和利用“真空室壁反射”的基本原理。5.曼哈頓計劃：第二次世界大戰(zhàn)期間，美國實施的旨在研制原子彈的秘密軍事計劃。該計劃集中了當時美國頂尖的科學家、工程師和大量資源，成功制造了原子彈。**解析思路：*考察對核技術發(fā)展史上重大歷史事件的掌握。關鍵在于理解其“二戰(zhàn)”、“研制原子彈”、“秘密計劃”和“巨大成功”等核心信息。二、填空題1.貝克勒爾2.E=mc23.奧本海默斯特拉斯曼(或哈恩)4.控制棒5.核裂變6.溫度時間7.磁約束聚變?nèi)?、簡答題1.簡述盧瑟福原子核模型的主要內(nèi)容及意義。**主要內(nèi)容簡介：*盧瑟福通過α粒子散射實驗發(fā)現(xiàn)原子大部分質(zhì)量和全部正電荷集中在一個非常小的核心區(qū)域，即原子核。電子在核外空間高速運動。該模型否定了湯姆孫的“葡萄干布丁模型”，提出了原子具有核式結(jié)構(gòu)的觀點。**意義：*該模型成功地解釋了α粒子散射實驗結(jié)果，奠定了現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)理論的基礎，為后續(xù)玻爾模型等的發(fā)展指明了方向。**解析思路：*考察對原子物理發(fā)展史上重要模型的掌握。需答出模型的核心內(nèi)容（核式結(jié)構(gòu)）和實驗依據(jù)（α粒子散射），并點出其歷史意義。2.簡述核裂變鏈式反應得以維持的三個基本條件。**三個基本條件：*1.足夠數(shù)量的易裂變核燃料：反應堆中必須含有足夠量的fissilematerial（如鈾-235或钚-239），以便中子能有效碰撞并引起裂變。2.中子的有效增殖：每次裂變平均產(chǎn)生的中子數(shù)（即中子增殖因子k）必須大于或等于1(k≥1)。這意味著產(chǎn)生的中子足夠多，能夠補償因各種原因（散射出反應堆、被非裂變材料吸收、泄漏等）損失掉的中子，并維持或增強反應。3.中子的有效慢化：裂變產(chǎn)生的是高速中子（快中子），而只有慢中子才能被易裂變核高效吸收并引起裂變。因此需要利用慢化劑（如水、石墨、重水）將快中子減速到熱中子能量。**解析思路：*考察對核反應堆運行原理的理解。需準確列出維持鏈式反應所需的三個物理條件，并簡要說明每個條件的含義。3.簡述核聚變與核裂變在基本原理、燃料來源、反應產(chǎn)物和環(huán)境效應等方面的主要區(qū)別。**基本原理：*核裂變是重原子核分裂成兩個或多個較輕的原子核并釋放能量；核聚變是兩個或多個輕原子核結(jié)合成一個較重的原子核并釋放能量。**燃料來源：*核裂變主要燃料是地球上儲量有限的鈾、钚等重元素；核聚變主要燃料是氘（海水中含量豐富）、氚（可通過鋰制備，鋰在地殼和海水中儲量也較豐富）等輕元素。**反應產(chǎn)物：*核裂變產(chǎn)生多種放射性核素裂變碎片，伴隨強烈的放射性污染；核聚變主要產(chǎn)物是穩(wěn)定的氦核，產(chǎn)生的中子能量相對較低，放射性廢料少，環(huán)境風險小。**環(huán)境效應：*裂變堆運行有核廢料處理難題和潛在的核擴散風險；聚變堆理論上無長期高放射性廢料，氘資源幾乎無限，不產(chǎn)生長壽命核廢料，被認為是更清潔、更可持續(xù)的核能源。**解析思路：*考察對兩種核反應基本差異的全面理解。需從反應機制、燃料、產(chǎn)物、環(huán)境影響等多個維度進行比較。4.簡述核廢料處理面臨的主要挑戰(zhàn)。**主要挑戰(zhàn)：*1.高放射性和長期性：核裂變產(chǎn)生的長壽命放射性核素具有強輻射，需要長期（數(shù)萬至數(shù)十萬年）的嚴格隔離和處置，確保不危害人類和環(huán)境。2.安全性和環(huán)境兼容性：廢料處置方案必須確保長期（地質(zhì)時間尺度）內(nèi)容器不泄漏、結(jié)構(gòu)不失效，并能與地質(zhì)環(huán)境長期穩(wěn)定兼容。3.公眾接受度：由于核廢料的潛在風險和長期性，公眾對廢料處置設施（如深地質(zhì)處置庫）的選址和建設普遍存在疑慮和反對，社會接受度是巨大挑戰(zhàn)。4.技術復雜性：開發(fā)高效、可靠的廢料固化（如玻璃固化）、長期監(jiān)測和最終處置（如深地質(zhì)鉆孔處置）技術難度大、成本高。**解析思路：*考察對核能應用中關鍵難題的認識。需指出核廢料的“高放射性”、“長期性”是其核心挑戰(zhàn)，并進一步闡述在“安全性”、“環(huán)境兼容性”、“公眾接受度”和“技術”方面所面臨的具體困難。四、論述題1.論述第二次世界大戰(zhàn)期間曼哈頓計劃對核裂變技術發(fā)展的推動作用及其歷史影響。**推動作用：*1.集中資源，加速發(fā)展：計劃將美國全國的頂尖科學家（如奧本海默、費米等）、工業(yè)界和軍事力量高度集中，圍繞一個明確目標——制造原子彈——進行協(xié)同攻關，極大地加速了核裂變理論研究向?qū)嶋H應用的轉(zhuǎn)化。2.突破關鍵技術：在極短時間內(nèi)攻克了重水生產(chǎn)、鈾濃縮、核反應堆建造（如芝加哥Pile-1）、原子彈物理設計等一系列當時看來極為困難的技術難關。3.建立完整工業(yè)體系：推動了相關新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如特殊材料、大型設備制造、精密測量等，為核技術的后續(xù)發(fā)展奠定了工業(yè)基礎。**歷史影響：*1.終結(jié)了戰(zhàn)爭：美國成功研制并使用原子彈，加速了第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束。2.開啟了核時代：原子彈的誕生標志著人類掌握了核裂變能的巨大威力，開啟了核能的新紀元。3.引發(fā)了核軍備競賽：原子彈的出現(xiàn)導致了美蘇等國的核軍備競賽，深刻影響了戰(zhàn)后國際關系格局，開啟了“冷戰(zhàn)”。4.促進了核能和平利用：原子彈的成功研制也反向促進了人們對核能和平利用（如核電站）的探索和投入，催生了核能產(chǎn)業(yè)。5.帶來了倫理和安全問題：核武器的毀滅性力量引發(fā)了關于核倫理、戰(zhàn)爭責任以及核安全問題（如核擴散、核事故）的深刻反思。**解析思路：*考察對重大歷史事件的分析能力。需從“推動作用”（資源集中、技術突破、工業(yè)發(fā)展）和“歷史影響”（戰(zhàn)爭結(jié)局、開啟核時代、軍備競賽、和平利用、倫理安全）兩個層面進行論述，結(jié)構(gòu)清晰，論據(jù)充分。2.結(jié)合核聚變發(fā)展的歷史進程，分析實現(xiàn)聚變能商業(yè)化的主要科學難題和工程挑戰(zhàn)，并探討其未來發(fā)展的前景與潛在意義。**歷史進程簡述：*核聚變的概念最早在20世紀初被提出，人類對聚變現(xiàn)象的認識逐步加深。20世紀中期開始進行實驗研究，經(jīng)歷了從早期簡單裝置（如托卡馬克、仿星器、激光約束裝置）到大型國際合作項目（如JET、NIF、ITER）的探索歷程，逐步逼近科學上的可行性驗證。**主要科學難題：*1.實現(xiàn)和維持高參數(shù)等離子體：需要創(chuàng)造并維持上億攝氏度的高溫、足夠高的能量密度（約束參數(shù)）和足夠長的能量約束時間（滿足勞森判據(jù)），以使核燃料發(fā)生聚變反應。2.能量增益（Q值）：實現(xiàn)聚變裝置產(chǎn)生的凈能量輸出大于輸入的驅(qū)動能量（Q>10）是聚變能商業(yè)化的關鍵標志，目前實驗裝置尚未實現(xiàn)持續(xù)凈能量增益。3.等離子體不穩(wěn)定性：高溫等離子體極易受到各種擾動而失去穩(wěn)定性，導致約束性能下降，需要發(fā)展有效的控制技術。4.等離子體-壁相互作用：高溫等離子體與容器壁接觸會損壞材料、產(chǎn)生放射性物質(zhì)并影響聚變反應。**主要工程挑戰(zhàn)：*1.龐大復雜的裝置系統(tǒng)：聚變堆是極其復雜的系統(tǒng)工程，涉及超導磁體、加熱系統(tǒng)、等離子體診斷、能量轉(zhuǎn)換、材料、遠程操作、冷卻等多個方面。2.關鍵材料科學問題：需要開發(fā)能在極端高溫、強中子輻照等苛刻條件下長期穩(wěn)定服役的結(jié)構(gòu)材料、包層材料、偏濾器材料等。3.經(jīng)濟性：即使科學問題解決，聚變堆的建設成本、發(fā)電成本、以及與現(xiàn)有能源系統(tǒng)的并網(wǎng)等問題，都需要通過技術進步和規(guī)模示范來降低，實現(xiàn)經(jīng)濟可行性。4.長期運行與維護：實現(xiàn)商業(yè)化的聚變堆需要具備長期穩(wěn)定、可靠運行的能力，并開發(fā)有效的維護策略。**前景與潛在意義：*1.幾乎無限的清潔能源：氘資源（海水提?。┖碗埃ㄤ囍苽洌﹣碓簇S富，聚變反應不產(chǎn)生長壽命核廢料，環(huán)境友好，被視為終極的清潔能源解決方案。2.緩解能源危機：可以為人類提供近乎無限的能源，從根本上解決能