2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核聚變反應(yīng)在聚變能源中的應(yīng)用前景考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述核聚變與核裂變在反應(yīng)產(chǎn)物、能量釋放、資源可持續(xù)性及環(huán)境影響等方面的主要區(qū)別。二、D-T反應(yīng)是目前聚變研究中最常被關(guān)注的反應(yīng)通道之一，請說明選擇該反應(yīng)通道的主要原因，并簡述其主要的核物理特性（如反應(yīng)截面、反應(yīng)能量、中子產(chǎn)額等）。三、磁約束聚變（MCF）和慣性約束聚變（ICF）是實(shí)現(xiàn)聚變能量的兩種主要途徑。請分別闡述這兩種約束方式的基本物理原理，并指出各自面臨的核心科學(xué)和工程挑戰(zhàn)。四、在聚變堆設(shè)計(jì)中，中子輻照是一個(gè)必須面對的關(guān)鍵問題。請簡述中子輻照對聚變堆結(jié)構(gòu)材料可能造成的主要損傷類型（如輻照脆化、輻照腫脹、材料活化等），并說明選擇先進(jìn)聚變堆材料時(shí)需要考慮這些因素。五、磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性（MHD不穩(wěn)定性）是磁約束聚變等離子體confinement面臨的重要問題之一。請簡述一種主要的MHD不穩(wěn)定性（如tokamak中的tearingmode或ELMs），說明其觸發(fā)機(jī)制及其可能對等離子體性能產(chǎn)生的影響。六、請列舉并簡要說明實(shí)現(xiàn)聚變能源商業(yè)化面臨的幾個(gè)主要障礙，并選擇其中一個(gè)障礙進(jìn)行較為詳細(xì)的分析。七、國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）是目前全球最大的聚變實(shí)驗(yàn)裝置。請簡述ITER項(xiàng)目的目標(biāo)，并說明其采用的主要約束技術(shù)及設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)。八、假設(shè)一個(gè)聚變堆的核心設(shè)計(jì)參數(shù)如下：反應(yīng)堆直徑5米，高度4米，運(yùn)行溫度15兆度，等離子體密度1.0×10^19m^-3，約束時(shí)間1秒。請基于這些參數(shù)，估算該聚變堆的理論能量增益因子Q（提示：可先假設(shè)主要反應(yīng)為D-T反應(yīng)，并利用典型反應(yīng)能量和反應(yīng)率進(jìn)行估算）。試卷答案一、核聚變反應(yīng)通常釋放比核裂變更多的能量（單位質(zhì)量反應(yīng)物）；聚變?nèi)剂希ㄈ珉?、氚）在地球上儲量遠(yuǎn)大于裂變?nèi)剂希ㄈ玮櫋㈩校?；聚變反?yīng)產(chǎn)物主要是穩(wěn)定的同位素（如氦），而裂變產(chǎn)物常包含長壽命的放射性核素，導(dǎo)致更復(fù)雜的核廢料處理問題；聚變反應(yīng)不易失控，具有更高的固有安全性；聚變過程不產(chǎn)生長壽命的核廢料，對環(huán)境的影響較小。二、選擇D-T反應(yīng)的主要原因：反應(yīng)截面最大，即使在相對較低的能量下（如幾百萬電子伏特）也有較高的反應(yīng)率；反應(yīng)中子能量低（14.1MeV），易于被材料吸收和利用進(jìn)行熱量導(dǎo)出，也降低了對材料性能的要求；反應(yīng)產(chǎn)物氦氣穩(wěn)定，不易引起材料活化。主要核物理特性：D-T反應(yīng)截面在幾十萬電子伏特處有共振峰，熱核聚變條件下反應(yīng)率較高；反應(yīng)能量約為17.6MeV，其中14.1MeV為中子能量，3.5MeV為氚核能量；每反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)中子。三、磁約束聚變（MCF）原理：利用強(qiáng)磁場產(chǎn)生的洛倫茲力約束高溫度等離子體，使其不接觸容器壁。核心挑戰(zhàn)：實(shí)現(xiàn)并維持長時(shí)間（秒量級）高參數(shù)（高溫、高密度、高約束時(shí)間）的等離子體；處理等離子體不穩(wěn)定性（如MHD模、邊界局域模）；實(shí)現(xiàn)能量增益（Q>10）；材料科學(xué)挑戰(zhàn)（耐高溫、耐輻照、低活化）。慣性約束聚變（ICF）原理：利用強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)源（激光或粒子束）在極短時(shí)間內(nèi)（納秒量級）均勻壓縮小型聚變靶丸，使其內(nèi)爆、燃燒并產(chǎn)生聚變反應(yīng)。核心挑戰(zhàn)：實(shí)現(xiàn)精確的靶丸制造和定位；提高激光能量轉(zhuǎn)換效率和能量沉積的均勻性；實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火（產(chǎn)生足夠高的反應(yīng)溫度和密度）；處理中子輸運(yùn)和能量導(dǎo)出問題；實(shí)現(xiàn)重復(fù)、穩(wěn)定的運(yùn)行。四、主要損傷類型：輻照脆化（材料韌性下降、抗斷裂能力減弱）；輻照腫脹（材料體積膨脹，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)致密性下降、孔隙增加）；材料活化（中子或帶電粒子使材料中的穩(wěn)定核素轉(zhuǎn)變?yōu)榉派湫院怂?，產(chǎn)生放射性廢物并可能改變材料性能）；輻照硬化（在某些材料中，輻照可能增加位錯(cuò)密度，反而提高強(qiáng)度，但通常伴隨脆化）。選擇材料時(shí)需考慮：材料的輻照抗力（抵抗脆化、腫脹的能力）；材料的耐高溫性能；材料的抗中子輻照損傷能力（包括輻照脆化、活化等）；材料的力學(xué)性能（在高溫、輻照下的表現(xiàn)）；材料的制造可行性和成本。五、以托卡馬克中的TearingMode（撕裂模）為例：觸發(fā)機(jī)制：通常由等離子體邊界區(qū)域存在的微小不完美性（如位形誤差、雜質(zhì)島）作為種子，在垂直于磁力線的方向上發(fā)生模不穩(wěn)定增長。影響：導(dǎo)致磁力線重聯(lián)，形成小尺度渦旋結(jié)構(gòu)（島），破壞等離子體的連續(xù)性，可能導(dǎo)致局部等離子體參數(shù)（如溫度、密度）下降，增加熱負(fù)荷和粒子泄漏，嚴(yán)重時(shí)可能破壞等離子體的穩(wěn)定運(yùn)行。六、主要障礙：科學(xué)挑戰(zhàn)（實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行）；工程挑戰(zhàn)（建造和運(yùn)行大型、復(fù)雜的聚變裝置）；材料挑戰(zhàn)（開發(fā)能承受極端工況和輻照的先進(jìn)材料）；經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)（降低建造成本和運(yùn)行成本，使聚變能源具有商業(yè)競爭力）；以及長期存在的公眾接受度和政策支持問題。詳細(xì)分析（選擇MHD不穩(wěn)定性）：MHD不穩(wěn)定性的隨機(jī)爆發(fā)（如ELMs）會(huì)周期性地向等離子體邊界注入巨大的能量和粒子，導(dǎo)致邊界參數(shù)劇烈波動(dòng)，破壞能量約束邊界，增加熱負(fù)荷和氚吸附，嚴(yán)重影響等離子體的能量約束性能和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，是限制托卡馬克等裝置實(shí)現(xiàn)高參數(shù)長脈沖運(yùn)行的關(guān)鍵瓶頸之一。七、ITER項(xiàng)目目標(biāo)：構(gòu)建一個(gè)大型多磁體托卡馬克裝置，驗(yàn)證聚變能量的科學(xué)可行性和工程可行性，即證明在實(shí)驗(yàn)室條件下能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)火（Q>10）和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行（能量增益和功率維持至少1000秒）。主要約束技術(shù)：磁約束聚變（MCF）。關(guān)鍵參數(shù)：目標(biāo)等離子體參數(shù)約為150兆電子伏特（15兆度）溫度，1.8×10^20m^-3密度，1秒能量約束時(shí)間，實(shí)現(xiàn)1.8×10^26瓦特的聚變功率，能量增益因子Q>10，運(yùn)行持續(xù)時(shí)間>1000秒。八、估算Q值：1.計(jì)算D-T反應(yīng)熱（單位質(zhì)量）：D-T反應(yīng)釋放能量約17.6MeV/nucleon。2.估算反應(yīng)率（單位體積，單位時(shí)間）：反應(yīng)率R∝σ(n_Dn_T)，其中σ為反應(yīng)截面，n_D,n_T為氘、氚密度。假設(shè)反應(yīng)發(fā)生在反應(yīng)堆核心區(qū)域，體積V=(π/4)d^2h，其中d=5m,h=4m，則V=62.8m^3。假設(shè)燃料完全是D-T混合物，密度n_D=n_T=1.0×10^19m^-3。典型D-T反應(yīng)截面σ≈0.5b(1b=10^-28m^2)。反應(yīng)率R≈0.5b×(1.0×10^19m^-3)^2=5.0×10^-10m^-6s^-1?？偡磻?yīng)率N=R×V=5.0×10^-10×62.8≈3.14×10^-8nucleons/s。3.計(jì)算總功率：P=N×E=3.14×10^-8s^-1×17.6MeV/nucleon×(1.6×10^-19J/MeV)≈8.8×10^-27J/s。4.估算加熱功率（近似為反應(yīng)功率）：P_heating≈P=8.8×10^-27W。5.估算輸出功率（假設(shè)部分能量可以被轉(zhuǎn)化為有用功）：P_output≈0