2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的等離子體與磁場結(jié)合效果研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡要回答以下問題：1.根據(jù)定義，什么是等離子體？與普通電離氣體相比，等離子體有哪些獨(dú)特的物理性質(zhì)？2.洛倫茲力對等離子體粒子運(yùn)動有何影響？在磁約束聚變中，如何利用洛倫茲力來約束帶電粒子？3.簡述等離子體中的三種主要drifts（漂移），并說明它們各自產(chǎn)生的條件及對等離子體流場的影響。二、計(jì)算題：1.一個(gè)溫度為1.5億開爾文的deuterium-tritium（氘-氚）等離子體，其密度為1.0×1022m?3。計(jì)算該等離子體的德拜長度和電子的回旋頻率。已知電子電荷e=1.6×10?1?C，電子質(zhì)量m?=9.11×10?31kg，真空介電常數(shù)ε?=8.85×10?12F/m，玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10?23J/K，真空磁導(dǎo)率μ?=4π×10??T·m/A，氘-氚離子質(zhì)量大致為m?≈3.3×10?2?kg。2.在一個(gè)磁約束裝置中，存在一個(gè)垂直于強(qiáng)磁場B的均勻電場E。設(shè)E=0.1V/m，B=2.0T。計(jì)算一個(gè)質(zhì)子（質(zhì)量m?≈1.67×10?2?kg，電荷e=1.6×10?1?C）在此電場和磁場共同作用下的E×B漂移速度大小和方向。三、簡答題：1.什么是磁約束聚變中的“磁中性”條件？為什么維持磁中性對于約束器設(shè)計(jì)至關(guān)重要？2.等離子體中的離子聲波（IonAcousticWave）是如何產(chǎn)生的？它與電磁場有何關(guān)系？其對等離子體內(nèi)部參數(shù)（如溫度、密度）有何可能的影響？3.簡述托卡馬克（Tokamak）約束器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。它面臨的主要物理挑戰(zhàn)有哪些？四、論述題：1.分析磁場對等離子體能量傳遞的影響。具體說明磁場如何約束熱能，以及等離子體通過哪些主要機(jī)制向環(huán)境損失能量（考慮碰撞、輻射、熱傳導(dǎo)、中性束注入、偏濾器等）？2.磁場中的等離子體可能發(fā)生哪些類型的不穩(wěn)定性？以tearingmode（撕裂模）為例，說明其物理機(jī)制及其對約束性能的危害。如何從理論上或?qū)嶒?yàn)上抑制這類不穩(wěn)定性？3.結(jié)合核反應(yīng)物理的基本知識，論述在磁約束聚變中，為了實(shí)現(xiàn)持續(xù)的聚變反應(yīng)，需要滿足哪些關(guān)鍵條件？這些條件與等離子體物理和磁場設(shè)計(jì)之間有何聯(lián)系？試卷答案一、1.等離子體是由大量自由移動的正負(fù)帶電粒子（電子和離子）以及少量中性粒子組成的準(zhǔn)中性物質(zhì)狀態(tài)。其獨(dú)特性質(zhì)包括：存在集體行為（如等離子體振蕩、漂移）；具有電導(dǎo)率，對電磁場響應(yīng)迅速；存在德拜長度尺度，決定了電荷間的屏蔽效應(yīng)；洛倫茲力是決定其動力學(xué)行為的主要作用力。2.洛倫茲力F=q(E+v×B)使帶電粒子在磁場中做回旋運(yùn)動，并可能沿著磁力線做漂移。在磁約束聚變中，利用強(qiáng)大的外部磁場（通常是環(huán)向磁場和縱向磁場組合）形成約束器（如托卡馬克、仿星器），產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場以使等離子體中的帶電粒子（主要是離子和電子）的回旋半徑小于約束器的半徑，從而將高溫等離子體限制在特定區(qū)域內(nèi)。3.E×B漂移：在均勻磁場B和垂直于B的電場E共同存在時(shí)，帶電粒子會沿著E×B的方向運(yùn)動。產(chǎn)生條件是存在平行于B的E分量或垂直于B的E分量。它導(dǎo)致等離子體流或粒子分布沿磁力線發(fā)生位移。梯度漂移：當(dāng)?shù)入x子體密度或溫度存在梯度時(shí)，帶電粒子傾向于漂移到梯度較小的區(qū)域。產(chǎn)生條件是存在密度或溫度梯度。曲率漂移：在曲率半徑不為零的磁力線上，帶電粒子會向磁力線彎曲的內(nèi)側(cè)漂移。產(chǎn)生條件是磁力線存在曲率。這些漂移會改變等離子體的密度分布、溫度分布和流動狀態(tài)。二、1.計(jì)算德拜長度λD=√(ε?kT/(ne2))。代入數(shù)值：λD=√(8.85×10?12×1.38×10?23×1.5×10?/(1.0×1022×(1.6×10?1?)2))≈1.4×10?3m。計(jì)算電子回旋頻率ω?=eB/m?。代入數(shù)值：ω?=(1.6×10?1?×2.0)/(9.11×10?31)≈3.5×101?rad/s。（注：離子回旋頻率ω?=eB/m?，計(jì)算結(jié)果約為9.7×1012rad/s，遠(yuǎn)低于電子回旋頻率。）解析思路：德拜長度反映了電荷間的屏蔽效應(yīng)尺度，計(jì)算需要用到介電常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)、溫度、密度和電荷量?；匦l率描述了帶電粒子在磁場中的回旋運(yùn)動周期倒數(shù)，計(jì)算需要用到電荷量、磁場強(qiáng)度和粒子質(zhì)量。選擇電子或離子質(zhì)量取決于具體粒子，此處計(jì)算電子回旋頻率。2.E×B漂移速度v_drift=E×B/B=E×(0°to90°)=E。因?yàn)镋和B垂直。v_drift=0.1m/s。方向：根據(jù)右手定則，伸開右手，使拇指指向E的方向，四指指向B的方向，則掌心指向即為正電荷漂移方向。對于質(zhì)子，此即E×B的方向。解析思路：在均勻磁場和垂直于磁場的電場共同作用下，帶電粒子的總運(yùn)動可分解為平行于B的回旋運(yùn)動和垂直于B的E×B漂移運(yùn)動。E×B漂移速度的大小等于E，方向垂直于E和B形成的平面。由于E和B垂直，漂移速度方向與E相同。質(zhì)子作為正電荷，其漂移方向與E×B方向一致。三、1.磁中性條件是指在約束器任何閉合的曲面內(nèi)，穿入和穿出的磁通量相等，即∮B·dA=0。物理意義是，如果沒有磁中性條件，磁場會驅(qū)動凈電荷流動，導(dǎo)致等離子體內(nèi)部出現(xiàn)巨大的電場，迅速改變電荷分布，最終因庫侖斥力而破裂，無法形成穩(wěn)定的約束。維持磁中性是確保等離子體能夠被穩(wěn)定約束的前提。2.離子聲波是等離子體中壓強(qiáng)擾動引起的集體振蕩模式。它通常由密度漲落引起，或者由熱離子響應(yīng)電場擾動而產(chǎn)生。其頻率通常接近離子特征頻率ω?=√(n?kT?/m?)，其中n?是電子密度，T?是離子溫度。離子聲波是縱波，伴隨著密度的振蕩。它們可以與電磁場耦合，例如，在特定條件下（如存在電場或磁場梯度），可以轉(zhuǎn)化為電磁離子波（EMI）。離子聲波可能導(dǎo)致局部密度和溫度擾動，加速粒子損失，甚至影響聚變反應(yīng)率。3.托卡馬克是環(huán)形真空室，內(nèi)部裝有環(huán)向磁場（由環(huán)向電流產(chǎn)生）和強(qiáng)大的縱向磁場（提供中心柱支撐和部分約束）。等離子體由中性束注入和邊環(huán)加熱等方式加熱至聚變溫度，并在環(huán)向磁場的作用下做回旋運(yùn)動，被約束在環(huán)向磁場和縱向磁場共同形成的螺線形磁力線中。主要挑戰(zhàn)包括：實(shí)現(xiàn)高參數(shù)（高溫度、高密度、長脈沖或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行）、維持長時(shí)間穩(wěn)定約束（克服各種不穩(wěn)定性）、實(shí)現(xiàn)有效的能量傳遞（加熱、電流驅(qū)動）、處理高熱負(fù)荷（特別是偏濾器靶板）、實(shí)現(xiàn)凈能量增益等。四、1.磁場對等離子體能量傳遞的影響是復(fù)雜的。一方面，強(qiáng)磁場將帶電粒子束縛在特定區(qū)域內(nèi)，防止其自由逃逸，從而將高溫?zé)崮堋凹s束”在裝置內(nèi)，是實(shí)現(xiàn)聚變能量的第一步。另一方面，磁場本身也影響著能量從熱能向其他形式的轉(zhuǎn)化和損失。等離子體通過多種機(jī)制向環(huán)境損失能量：碰撞：高溫帶電粒子與容器壁或雜質(zhì)原子發(fā)生碰撞，將能量傳遞給器壁，導(dǎo)致能量損失（濺射效應(yīng)）。輻射：高溫等離子體（特別是電子）會通過韌致輻射、線輻射（Bremsstrahlung）和共振輻射（Lineradiation）等形式發(fā)出電磁波，損失能量。熱傳導(dǎo)：等離子體內(nèi)部不同區(qū)域間存在溫度梯度，通過離子和電子的碰撞與散射，能量從高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)，最終可能傳遞給器壁。E×B漂移和梯度漂移也會導(dǎo)致能量伴隨粒子流發(fā)生轉(zhuǎn)移。中性束注入：用于加熱和驅(qū)動等離子體電流，其能量一部分用于等離子體加熱，一部分通過電荷交換損失給背景氣體或通過其他機(jī)制耗散。偏濾器：在托卡馬克等裝置中，等離子體通過偏濾器靶板，將大部分能量（熱能和動能）沉積在靶板上，導(dǎo)致靶板熱負(fù)荷問題。這些機(jī)制共同決定了等離子體的能量平衡和約束性能。2.磁場中的等離子體可能發(fā)生多種不穩(wěn)定性，如：tearingmode（撕裂模）：在磁場中存在誤差場（如偏濾器孔徑不對稱性）時(shí)，會形成不穩(wěn)定的模，導(dǎo)致磁力線被撕裂成兩個(gè)或多個(gè)不同方向的環(huán)，破壞磁約束結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致等離子體損失。ELMs（EdgeLocalizedModes，邊緣局部模）：在托卡馬克等裝置的等離子體邊緣區(qū)域出現(xiàn)，表現(xiàn)為高頻率、小尺度、局部化的模，導(dǎo)致邊緣參數(shù)（密度、溫度）劇烈波動，限制能量傳遞到核心區(qū)，并增加靶板熱負(fù)荷。MHDinstabilities（磁流體動力學(xué)不穩(wěn)定性）：如sausagemode（sausage模，sausage模，sausage模，sausage模）、kinkmode（kink模）、neoclassicaltearingmode（neoclassicaltearingmode）等，涉及整個(gè)或大部分等離子體的宏觀運(yùn)動。以tearingmode為例，其物理機(jī)制源于誤差場與不穩(wěn)定性模的相互作用。誤差場導(dǎo)致局部磁力線扭曲，使得該區(qū)域的等離子體電阻增加。根據(jù)歐姆定律j=σE，電阻增加導(dǎo)致電場增強(qiáng)。增強(qiáng)的電場進(jìn)一步扭曲磁力線，形成正反饋，最終導(dǎo)致磁力線被撕裂。撕裂模對約束性能的危害在于它直接破壞了磁約束結(jié)構(gòu)，使等離子體粒子（尤其是離子）能夠通過撕裂的空隙逃逸出去，導(dǎo)致約束時(shí)間和能量損失。抑制撕裂模的方法包括：優(yōu)化偏濾器設(shè)計(jì)（如采用多孔板）、施加特定的偏振磁場、注入中性束或射頻波來穩(wěn)定誤差場、利用自舉電流等。3.實(shí)現(xiàn)持續(xù)的核聚變反應(yīng)需要滿足以下關(guān)鍵條件：極高的溫度（通常>1億K），以克服原子核之間的庫侖斥力，使核子能夠發(fā)生碰撞；足夠高的等離子體密度（n?），以增加反應(yīng)發(fā)生的概率；足夠長的能量約束時(shí)間（τ），使得粒子有足夠的時(shí)間在高溫高密條件下發(fā)生聚變反應(yīng)，并產(chǎn)生凈能量增益；以及反應(yīng)產(chǎn)物的能量能夠有效地被收集。這些條件與等離子體物理和磁場設(shè)