2025年大學(xué)《核物理》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——核聚變技術(shù)在核動(dòng)力航天中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共10分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的首字母填入括號(hào)內(nèi)）1.在評(píng)估D-T（氘-氚）核聚變反應(yīng)的可行性時(shí)，以下哪個(gè)核物理參數(shù)起著決定性作用？(A)核子的平均結(jié)合能(B)熱中子反應(yīng)截面(C)核反應(yīng)的量子隧穿概率(D)原子核的半徑2.核動(dòng)力航天器中，熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將聚變堆產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能，其工作原理主要依賴(lài)于：(A)核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(B)等離子體的磁約束(C)溫度梯度下的熱電效應(yīng)(D)反應(yīng)產(chǎn)物的直接電磁推進(jìn)3.與傳統(tǒng)化學(xué)火箭相比，核聚變火箭的主要優(yōu)勢(shì)在于：(A)推進(jìn)劑密度高(B)能量密度極大，可重復(fù)啟動(dòng)(C)對(duì)發(fā)射場(chǎng)環(huán)境要求低(D)燃燒產(chǎn)物無(wú)污染4.在磁約束聚變（MCF）研究中，實(shí)現(xiàn)聚變?nèi)剂系入x子體約束的關(guān)鍵物理機(jī)制是：(A)慣性力平衡(B)等離子體自身電流產(chǎn)生的洛倫茲力(C)強(qiáng)激光對(duì)靶丸的壓縮(D)等離子體與壁面的碰撞5.核聚變堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料長(zhǎng)期暴露在高溫、高能中子輻照環(huán)境中，將面臨的主要核物理挑戰(zhàn)是：(A)嚴(yán)重的熱腐蝕(B)核反應(yīng)率過(guò)高導(dǎo)致功率過(guò)大(C)材料發(fā)生輻照損傷、脆化及活化(D)等離子體不穩(wěn)定性增加二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填入橫線上）6.實(shí)現(xiàn)核聚變需要克服庫(kù)侖勢(shì)壘，粒子需要具備足夠的________才能發(fā)生聚變反應(yīng)。7.氘（D）和氚（T）是氫的同位素，它們的中子數(shù)分別為_(kāi)_______和________。8.核聚變反應(yīng)中釋放的巨大能量主要來(lái)源于________的轉(zhuǎn)化。9.在核動(dòng)力航天系統(tǒng)中，用于將聚變產(chǎn)生的熱能傳遞到反應(yīng)堆壁或轉(zhuǎn)換裝置的關(guān)鍵是________。10.慣性約束聚變（ICF）技術(shù)試圖通過(guò)強(qiáng)大的________在極短時(shí)間內(nèi)壓縮并加熱聚變?nèi)剂习型瑁蛊浒l(fā)生聚變。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）11.簡(jiǎn)述核聚變反應(yīng)中反應(yīng)截面和反應(yīng)閾能的含義及其對(duì)聚變反應(yīng)發(fā)生的影響。12.簡(jiǎn)要說(shuō)明核動(dòng)力航天系統(tǒng)與核裂變動(dòng)力航天系統(tǒng)在基本工作原理和主要優(yōu)勢(shì)上的區(qū)別。13.解釋什么是等離子體的“約束”，并列舉磁約束和慣性約束兩種主要約束方式的原理。14.為什么說(shuō)材料科學(xué)是限制核聚變技術(shù)（尤其是核動(dòng)力航天）發(fā)展的關(guān)鍵因素之一？四、計(jì)算題（共15分）15.氘-氚（D-T）核聚變反應(yīng)方程為D+T→He?+n。已知氘核（D）的質(zhì)量為2.014102u，氚核（T）的質(zhì)量為3.016049u，氦-4核（He?）的質(zhì)量為4.002603u，自由中子（n）的質(zhì)量為1.008665u。其中1u（原子質(zhì)量單位）對(duì)應(yīng)的能量為931.5MeV。計(jì)算該聚變反應(yīng)釋放的能量（Q值）。五、論述題（共15分）16.結(jié)合核物理原理，論述實(shí)現(xiàn)可控核聚變?cè)诤藙?dòng)力航天應(yīng)用中面臨的主要科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，并探討可能的解決方案或研究方向。試卷答案一、選擇題1.(C)2.(C)3.(B)4.(B)5.(C)二、填空題6.動(dòng)能7.1,28.質(zhì)能9.熱傳遞系統(tǒng)（或：冷卻系統(tǒng)/熱導(dǎo)系統(tǒng)）10.激光（或：粒子束）三、簡(jiǎn)答題11.解析思路：首先定義反應(yīng)截面（表示反應(yīng)概率的大小，單位面積）和反應(yīng)閾能（引發(fā)反應(yīng)所需的最小能量）。然后說(shuō)明截面越大，反應(yīng)概率越高；閾能越低，越容易發(fā)生反應(yīng)。結(jié)合聚變反應(yīng)需要克服庫(kù)侖勢(shì)壘，說(shuō)明高能粒子和靶核發(fā)生反應(yīng)的可能性。答案：反應(yīng)截面是描述核反應(yīng)概率的物理量，表示單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上發(fā)生核反應(yīng)的幾率。反應(yīng)截面越大，發(fā)生反應(yīng)的可能性越高。反應(yīng)閾能是指能夠引發(fā)特定核反應(yīng)所需的最小反應(yīng)物能量。對(duì)于聚變反應(yīng)，閾能是粒子必須克服庫(kù)侖勢(shì)壘所需的能量。反應(yīng)截面和閾能共同決定了聚變反應(yīng)的難易程度和反應(yīng)發(fā)生的概率。通常，在高溫條件下，更多粒子能達(dá)到閾能，同時(shí)反應(yīng)截面（如共振截面）也可能增大，從而提高反應(yīng)速率。12.解析思路：首述核動(dòng)力航天系統(tǒng)利用聚變反應(yīng)產(chǎn)生熱能，通過(guò)熱傳遞系統(tǒng)加熱工質(zhì)（如氦氣）產(chǎn)生高速?lài)娏骰蛑苯愚D(zhuǎn)換產(chǎn)生電力。然后述核裂變動(dòng)力航天系統(tǒng)利用核裂變反應(yīng)（如鈾-235或钚-239裂變）在反應(yīng)堆中產(chǎn)生熱能，原理類(lèi)似，但能量來(lái)源不同。最后比較兩者，點(diǎn)出聚變能量密度更高、可持續(xù)性（理論上）更好的優(yōu)勢(shì)，以及裂變技術(shù)相對(duì)成熟但存在放射性廢料和處理、臨界安全等問(wèn)題。答案：核動(dòng)力航天系統(tǒng)通過(guò)聚變反應(yīng)產(chǎn)生巨大熱量，這些熱量通過(guò)熱傳遞系統(tǒng)加熱工質(zhì)（如氦氣），工質(zhì)膨脹做功推動(dòng)火箭，或者通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換、熱離子轉(zhuǎn)換等方式直接產(chǎn)生電力驅(qū)動(dòng)。核裂變動(dòng)力航天系統(tǒng)則利用核裂變反應(yīng)（如鈾-235或钚-239的裂變）在反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生熱能，原理與聚變動(dòng)力類(lèi)似，但能量來(lái)源是重核裂變而非輕核聚變。主要區(qū)別在于能量來(lái)源：聚變能量密度遠(yuǎn)高于裂變，推進(jìn)劑（氘等）易獲?。涣炎兗夹g(shù)相對(duì)成熟，但存在放射性廢料處理和臨界安全等問(wèn)題。13.解析思路：定義等離子體約束為將高溫、高密度等離子體限制在特定區(qū)域內(nèi)，以維持聚變反應(yīng)。解釋磁約束利用強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力偏轉(zhuǎn)帶電粒子運(yùn)動(dòng)，使其約束在磁力線回旋的區(qū)域內(nèi)。解釋?xiě)T性約束利用強(qiáng)大的外部能量（如激光）在極短時(shí)間內(nèi)壓縮、加熱燃料靶丸，使其內(nèi)部達(dá)到聚變條件，并依靠自身慣性維持一段時(shí)間，然后發(fā)生聚變。答案：等離子體約束是指將具有極高溫度和自由移動(dòng)電荷（離子和電子）的聚變?nèi)剂系入x子體限制在特定空間區(qū)域內(nèi)，防止其與反應(yīng)堆壁接觸并損壞設(shè)備，同時(shí)維持足夠密度和溫度以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的聚變反應(yīng)。磁約束聚變（MCF）利用強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力來(lái)偏轉(zhuǎn)等離子體中的帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，使其圍繞磁力線運(yùn)動(dòng)并限制在磁籠內(nèi)。慣性約束聚變（ICF）則是通過(guò)強(qiáng)大的能量束（如激光）從外部均勻、快速地轟擊聚變?nèi)剂习型瑁蛊渫鈿け徽舭l(fā)，內(nèi)部被壓縮到極高的密度和溫度，依靠自身的慣性維持這種狀態(tài)足夠長(zhǎng)的時(shí)間（飛秒量級(jí)）以引發(fā)聚變反應(yīng)。14.解析思路：首述核聚變反應(yīng)產(chǎn)生高能中子（如D-T反應(yīng)）和高能帶電粒子，以及極高的工作溫度（千萬(wàn)攝氏度）。指出這些因素對(duì)材料提出了嚴(yán)苛要求。具體說(shuō)明高能中子輻照會(huì)導(dǎo)致材料原子位移、晶格損傷、產(chǎn)生缺陷（輻照損傷），降低材料韌性、強(qiáng)度和抗蠕變性能（脆化）。高能帶電粒子轟擊會(huì)濺射材料原子，并引起核反應(yīng)活化，產(chǎn)生放射性同位素，可能對(duì)設(shè)備和人員造成危害。高溫則要求材料具有極高的熔點(diǎn)和耐熱性。材料必須能承受這些綜合作用而不失效，且具有足夠長(zhǎng)的壽命。答案：核聚變堆需要在極端物理?xiàng)l件下工作：產(chǎn)生高能中子（如D-T反應(yīng)中每個(gè)反應(yīng)產(chǎn)生約14MeV中子）和高能帶電粒子，并處于上千萬(wàn)攝氏度的高溫環(huán)境。這些極端因素對(duì)作為反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料（包層、第一壁、偏濾器等）的材料提出了前所未有的挑戰(zhàn)。首先，高能中子輻照會(huì)引起材料內(nèi)部的輻照損傷，如原子位移、形成間隙原子或空位等缺陷，累積損傷會(huì)導(dǎo)致材料性能劣化，如脆化、強(qiáng)度下降、蠕變速率增加，嚴(yán)重縮短材料壽命和反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)間。其次，高能帶電粒子轟擊會(huì)從材料表面濺射出原子，并可能在材料內(nèi)部引發(fā)核反應(yīng)，產(chǎn)生具有放射性的活化產(chǎn)物，這不僅可能降低材料性能，還可能污染反應(yīng)堆內(nèi)部其他部件，帶來(lái)安全問(wèn)題和維護(hù)困難。最后，材料本身必須能承受極端高溫而不熔化、不變形、不與工作氣體（如氘、氚）發(fā)生不允許的化學(xué)反應(yīng)。因此，尋找兼具高抗輻照性能、高耐高溫性能、良好等離子體兼容性和低活化特性的材料是核聚變技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸之一。四、計(jì)算題15.解析思路：首先寫(xiě)出核反應(yīng)方程。然后根據(jù)質(zhì)能方程E=Δmc2計(jì)算質(zhì)量虧損Δm。Δm=(m(D)+m(T))-(m(He?)+m(n))。將各質(zhì)量單位換算為千克（1u=1.660539×10?2?kg）。計(jì)算質(zhì)量虧損Δm。最后，將Δm代入E=Δmc2，c取光速值（約2.9979×10?m/s），計(jì)算能量E，并將結(jié)果換算為MeV（使用1u對(duì)應(yīng)931.5MeV）。注意單位統(tǒng)一和有效數(shù)字。答案：反應(yīng)方程：D+T→He?+n質(zhì)量虧損Δm=m(D)+m(T)-m(He?)-m(n)Δm=(2.014102+3.016049-4.002603-1.008665)uΔm=0.018881u將質(zhì)量虧損換算為千克：Δm=0.018881×1.660539×10?2?kg≈3.136×10?2?kg反應(yīng)釋放的能量E=Δmc2E=3.136×10?2?kg×(2.9979×10?m/s)2E≈2.827×10?12J將焦耳換算為電子伏特（1eV=1.602177×10?1?J）：E≈(2.827×10?12J)/(1.602177×10?1?J/eV)E≈1.764×10?eV=17.64MeV（或者直接使用1u對(duì)應(yīng)931.5MeV進(jìn)行計(jì)算）E=Δm×931.5MeV/uE=0.018881×931.5MeV/uE≈17.6MeV五、論述題16.解析思路：首先點(diǎn)明核聚變?cè)诤教祛I(lǐng)域的巨大潛力（高能量密度、可持續(xù)性），但實(shí)現(xiàn)可控聚變本身極其困難，這是基礎(chǔ)。然后分點(diǎn)論述科學(xué)挑戰(zhàn)：*等離子體物理學(xué)挑戰(zhàn)：實(shí)現(xiàn)和維持高溫（千萬(wàn)度）、高密度、長(zhǎng)壽命的等離子體，并實(shí)現(xiàn)有效的能量約束（磁約束的穩(wěn)定性、破裂；慣性約束的壓縮均勻性、能量沉積效率）。需要克服各種不穩(wěn)定性（破裂、邊界層、阿爾文波等）。*核物理挑戰(zhàn)：精確測(cè)量和預(yù)測(cè)反應(yīng)截面隨溫度、密度變化；優(yōu)化反應(yīng)路徑（如實(shí)現(xiàn)更高能量增益的D-He?反應(yīng)）；處理反應(yīng)中產(chǎn)生的中子、帶電粒子流及其對(duì)系統(tǒng)的效應(yīng)。*材料科學(xué)挑戰(zhàn)：如前所述，開(kāi)發(fā)能承受極端高溫、高能中子輻照、高能帶電粒子轟擊的材料，要求材料具有優(yōu)異的抗輻照損傷、耐高溫、抗濺射、低活化性能，且壽命長(zhǎng)。*工程與系統(tǒng)挑戰(zhàn)：聚變堆的工程設(shè)計(jì)（緊湊性、輕量化）、高效熱轉(zhuǎn)換、緊湊型、可靠的控制與診斷系統(tǒng)、高效率的推進(jìn)機(jī)制（直接驅(qū)動(dòng)vs間接驅(qū)動(dòng)）、啟動(dòng)時(shí)間、成本控制等。*點(diǎn)火與自持：實(shí)現(xiàn)凈能量增益（輸出能量大于輸入能量）并達(dá)到聚變自持狀態(tài)。最后，可以簡(jiǎn)要提及可能的解決方案方向，如發(fā)展更先進(jìn)的約束技術(shù)（仿星器、托卡馬克的改進(jìn)）、新型燃料_cycle、先進(jìn)材料研發(fā)、大型國(guó)際合作項(xiàng)目、人工智能輔助設(shè)計(jì)等。答案：實(shí)現(xiàn)可控核聚變?cè)诤藙?dòng)力航天應(yīng)用中具有巨大潛力，可以提供幾乎無(wú)限的能量，極大提升航天器的推重比和有效載荷能力，并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、深空的無(wú)人或載人任務(wù)。然而，將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)面臨著嚴(yán)峻的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)。科學(xué)挑戰(zhàn)方面：1.等離子體物理挑戰(zhàn)：如何實(shí)現(xiàn)和維持所需的高溫（千萬(wàn)攝氏度）、高密度、長(zhǎng)壽命的聚變等離子體，并有效將其約束在反應(yīng)室內(nèi)足夠長(zhǎng)的時(shí)間以實(shí)現(xiàn)能量增益，是核心難題。磁約束聚變（MCF）面臨等離子體穩(wěn)定性、邊界處理、大型裝置工程實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題；慣性約束聚變（ICF）則需精確控制激光能量沉積，實(shí)現(xiàn)均勻、高效壓縮，并克服預(yù)脈沖、熱點(diǎn)等問(wèn)題。2.核物理挑戰(zhàn)：聚變反應(yīng)的物理特性直接影響裝置設(shè)計(jì)和性能。需要精確理解和測(cè)量反應(yīng)截面、反應(yīng)閾能、反應(yīng)能量譜隨溫度、密度的變化，以?xún)?yōu)化反應(yīng)路徑和能量利用效率。如何處理聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子流（D-T反應(yīng)中中子能量約14MeV）和高能帶電粒子流，及其對(duì)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)和周?chē)h(huán)境的影響，也是關(guān)鍵物理問(wèn)題。3.材料科學(xué)挑戰(zhàn)：聚變堆運(yùn)行環(huán)境極端惡劣，要求結(jié)構(gòu)材料能長(zhǎng)期承受上千萬(wàn)度等離子體或高溫壁的相互作用、高能中子輻照以及高能帶電粒子轟擊。材料必須具備優(yōu)異的抗輻照損傷能力（防止脆化、性能退化）、高熔點(diǎn)、良好的等離子體兼容性（低濺射、低雜質(zhì)排放）、低活化特性（減少放射性產(chǎn)生）和足夠的機(jī)械強(qiáng)度。目前尚無(wú)完美的材料能滿(mǎn)足所有要求。工程與系統(tǒng)挑戰(zhàn)方面：1.工程設(shè)計(jì)與緊湊化：如何將龐大、復(fù)雜的聚變實(shí)驗(yàn)裝置工程化，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足航天器空間限制、重量限制的緊湊型、高效的核聚變動(dòng)力系統(tǒng)。2.高效能量轉(zhuǎn)換：如何將聚變產(chǎn)生的熱能高效地轉(zhuǎn)換為航天器可利用的電力或直接用于推進(jìn)。3.系統(tǒng)可靠性與控制：開(kāi)發(fā)高可靠性的啟動(dòng)、運(yùn)行、控制和診斷系統(tǒng)，確保航天任務(wù)的順利完成。4.