2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核聚變技術(shù)與未來能源考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪個過程是核聚變？A.α衰變B.β衰變C.氘氚核反應(yīng)D.γ衰變2.托卡馬克裝置主要利用什么來約束高溫等離子體？A.強(qiáng)磁場B.強(qiáng)電場C.重力D.慣性3.氘氚核聚變的主要產(chǎn)物是什么？A.α粒子B.中子C.質(zhì)子D.電子4.下列哪個物理量是描述等離子體狀態(tài)的重要參數(shù)？A.密度B.溫度C.速度D.以上都是5.核聚變反應(yīng)中，能量釋放的主要形式是什么？A.光子B.中微子C.核子動能D.電能6.等離子體加熱方法中，哪種方法效率最高？A.中性束注入B.射頻波加熱C.磁鏡加熱D.熱沉加熱7.核聚變堆中，對等離子體材料的主要要求是什么？A.高熔點B.高強(qiáng)度C.良好的抗輻照性能D.以上都是8.慣性約束聚變的主要挑戰(zhàn)是什么？A.等離子體約束B.等離子體加熱C.等離子體診斷D.激光能量傳輸9.下列哪個不是核聚變技術(shù)的優(yōu)勢？A.能源來源豐富B.放射性廢物少C.運行成本高D.安全性高10.核聚變技術(shù)對環(huán)境的主要影響是什么？A.溫室氣體排放B.重金屬污染C.放射性污染D.水資源消耗二、填空題1.核聚變反應(yīng)需要滿足的三個基本條件是______、______和______。2.托卡馬克裝置的中文全稱是______。3.氘核的符號是______，氚核的符號是______。4.等離子體診斷的主要目的是______。5.核聚變反應(yīng)堆中，中子的作用是______。6.影響核聚變堆經(jīng)濟(jì)性的主要因素有______、______和______。7.核聚變技術(shù)的安全性主要關(guān)注______和______兩個問題。8.慣性約束聚變中，常用的激光器類型有______和______。9.核聚變技術(shù)對未來能源結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在______和______兩個方面。10.目前世界上最大的托卡馬克裝置是______。三、簡答題1.簡述核聚變反應(yīng)的基本原理。2.簡述托卡馬克裝置的工作原理及其主要組成部分。3.簡述核聚變反應(yīng)中，等離子體加熱的主要方法及其原理。4.簡述核聚變堆中，等離子體材料面臨的主要挑戰(zhàn)。5.簡述核聚變技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性問題。6.簡述核聚變技術(shù)的安全性問題。7.簡述核聚變技術(shù)對未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響。8.簡述核聚變技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)。9.簡述核聚變技術(shù)與化石能源的區(qū)別。10.簡述核聚變技術(shù)的未來發(fā)展前景。四、計算題1.已知氘核的質(zhì)量為$2.014102\,\mathrm{u}$，氚核的質(zhì)量為$3.016049\,\mathrm{u}$，α粒子的質(zhì)量為$4.002603\,\mathrm{u}$，中子的質(zhì)量為$1.008665\,\mathrm{u}$。計算氘氚核聚變反應(yīng)釋放的能量（其中$1\,\mathrm{u}=931.5\,\mathrm{MeV}/c^2$）。2.假設(shè)一個托卡馬克裝置的等離子體直徑為$10\,\mathrm{m}$，等離子體溫度為$1\,\mathrm{keV}$，密度為$1\times10^{19}\,\mathrm{m}^{-3}$。計算該等離子體的總能量。3.假設(shè)一個核聚變堆的年發(fā)電量為$1\times10^{14}\,\mathrm{kWh}$，燃料成本為每兆瓦時$10\,\mathrm{USD}$，運行和維護(hù)成本為年發(fā)電量的$10\%$。計算該核聚變堆的年運行成本。4.假設(shè)一個核聚變堆的功率為$1\times10^{6}\,\mathrm{kW}$，年運行時間為$8000\,\mathrm{h}$，中子產(chǎn)額為$1\times10^{19}\,\mathrm{s}^{-1}$，中子能量為$14\,\mathrm{MeV}$。計算該核聚變堆的年中子注量。五、論述題1.論述核聚變技術(shù)對未來能源安全的意義。2.論述核聚變技術(shù)的社會影響。3.論述核聚變技術(shù)的倫理問題。4.論述核聚變技術(shù)的未來發(fā)展前景。5.論述核聚變技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展。試卷答案一、選擇題1.C2.A3.B4.D5.C6.A7.D8.D9.C10.C二、填空題1.高溫、高壓、高密度2.磁約束核聚變實驗裝置3.$^2\mathrm{H}$、$^3\mathrm{H}$4.獲取等離子體參數(shù)信息5.熱電轉(zhuǎn)換6.建設(shè)成本、運行成本、維護(hù)成本7.放射性廢物處理、事故預(yù)防和應(yīng)對8.脈沖激光器、千瓦級激光器9.清潔能源、能源獨立性10.JET三、簡答題1.核聚變是兩個輕原子核結(jié)合成一個較重的原子核的過程，同時釋放出巨大的能量。這個過程需要克服原子核之間的靜電斥力，因此需要非常高的溫度和壓力，使原子核具有足夠的動能來克服斥力并進(jìn)行核反應(yīng)。2.托卡馬克裝置是利用強(qiáng)磁場將高溫等離子體約束在一個環(huán)形的真空室內(nèi)。其主要組成部分包括真空室、等離子體加熱系統(tǒng)、磁約束系統(tǒng)、等離子體診斷系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。3.等離子體加熱的主要方法包括中性束注入、射頻波加熱和磁鏡加熱等。中性束注入是將高能中性粒子束射入等離子體中，通過碰撞將能量傳遞給等離子體粒子。射頻波加熱是利用射頻波與等離子體粒子發(fā)生共振，將能量傳遞給等離子體粒子。磁鏡加熱是利用磁鏡將高能粒子約束在等離子體中，通過粒子與等離子體粒子的碰撞將能量傳遞給等離子體粒子。4.核聚變堆中，等離子體材料面臨的主要挑戰(zhàn)是抗輻照性能。高溫等離子體會產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，對材料造成損傷，因此需要使用具有良好抗輻照性能的材料。5.核聚變技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性問題主要體現(xiàn)在建設(shè)成本、運行成本和維護(hù)成本等方面。核聚變堆的建設(shè)成本非常高，運行和維護(hù)成本也比較高，因此需要降低成本才能實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。6.核聚變技術(shù)的安全性問題主要關(guān)注放射性廢物處理和事故預(yù)防和應(yīng)對。核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子會活化反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料，產(chǎn)生放射性物質(zhì)，因此需要妥善處理這些放射性廢物。此外，核聚變堆也需要采取安全措施，防止發(fā)生事故。7.核聚變技術(shù)對未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響主要體現(xiàn)在推動產(chǎn)業(yè)升級和創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會等方面。核聚變技術(shù)將帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，創(chuàng)造大量的就業(yè)機(jī)會，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長。8.核聚變技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括等離子體約束、等離子體加熱、材料科學(xué)、經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面。9.核聚變技術(shù)與化石能源的區(qū)別主要體現(xiàn)在能源來源、環(huán)境影響和利用方式等方面。核聚變能源來源豐富，對環(huán)境影響小，可以利用多種方式發(fā)電。10.核聚變技術(shù)的未來發(fā)展前景廣闊，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，核聚變技術(shù)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可行性將不斷提高，有望在未來成為主要的能源來源。四、計算題1.解：反應(yīng)方程式為$^2\mathrm{H}+^3\mathrm{H}\rightarrow^4\mathrm{He}+n$。質(zhì)量虧損$\Deltam=(2.014102+3.016049)-(4.002603+1.008665)=0.036134\,\mathrm{u}$。能量釋放$\DeltaE=\Deltamc^2=0.036134\times931.5=33.6\,\mathrm{MeV}$。2.解：等離子體體積$V=\frac{4}{3}\piR^3=\frac{4}{3}\pi(5\,\mathrm{m})^3=523.6\,\mathrm{m}^3$。等離子體總能量$E=n\cdotk\cdotT\cdotV=\left(1\times10^{19}\,\mathrm{m}^{-3}\right)\times\left(1.38\times10^{-23}\,\mathrm{J/K}\right)\times(1000\,\mathrm{eV}/1\,\mathrm{keV})\times(1.6\times10^{-19}\,\mathrm{J/eV})\times523.6\,\mathrm{m}^3=1.19\times10^{11}\,\mathrm{J}$。3.解：燃料成本$=1\times10^{14}\,\mathrm{kWh}\times10\,\mathrm{USD}/\mathrm{GW}\cdot\mathrm{h}=10^7\,\mathrm{USD}$。運行和維護(hù)成本$=1\times10^{14}\,\mathrm{kWh}\times10\%\times0.1\,\mathrm{USD}/\mathrm{kWh}=10^6\,\mathrm{USD}$。年運行成本$=10^7\,\mathrm{USD}+10^6\,\mathrm{USD}=1.1\times10^7\,\mathrm{USD}$。4.解：年中子注量$=1\times10^{19}\,\mathrm{s}^{-1}\times8000\,\mathrm{h}\times3600\,\mathrm{s/h}=2.88\times10^{25}\,\mathrm{s}^{-1}$。年中子注量$=2.88\times10^{25}\,\mathrm{s}^{-1}\times14\,\mathrm{MeV}\times1.6\times10^{-19}\,\mathrm{J/eV}=6.4\times10^{7}\,\mathrm{J/s}=6.4\times10^5\,\mathrm{kW}$。五、論述題1.核聚變技術(shù)對未來能源安全的意義在于，它可以提供幾乎無限的清潔能源，解決全球能源供應(yīng)短缺和環(huán)境污染問題，