2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——核分裂與聚變反應過程的比較考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡要描述重核裂變過程，并說明實現(xiàn)鏈式反應的條件。二、解釋什么是核聚變，并列舉至少兩種典型的聚變反應方程式。三、根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2，說明核裂變和核聚變過程中能量是如何釋放的。估算1kg鈾-235完全裂變所釋放的能量大約是多少焦耳？（提示：考慮每個鈾核裂變的質(zhì)量虧損和能量釋放，并注意單位換算）四、比較核裂變和核聚變反應產(chǎn)物的放射性特征及其對廢物處理的影響。五、分析核裂變能和核聚變能在實現(xiàn)條件（如溫度、壓力、材料要求）、安全性、環(huán)境影響以及可持續(xù)性等方面的主要差異。六、簡述當前核裂變技術的主要應用形式及其面臨的主要挑戰(zhàn)。核聚變研究目前處于什么階段？它被認為具有哪些潛在的巨大優(yōu)勢？試卷答案一、重核裂變是指一個重原子核（如鈾-235或钚-239）在中子的轟擊下，分裂成兩個或多個較輕的原子核，同時釋放出中子、γ射線和巨大的能量。典型的裂變過程是：中子轟擊重核，重核吸收中子后成為激發(fā)態(tài)，隨后發(fā)生裂變，釋放出2-3個中子、裂變碎片（較輕核）和能量。實現(xiàn)鏈式反應的條件包括：①能夠裂變的核材料（如足夠數(shù)量的鈾-235或钚-239）；②裂變中釋放的中子能夠被裂變材料吸收并引起后續(xù)裂變；③中子再生率大于1（即每個裂變事件平均產(chǎn)生的中子數(shù)大于1），且中子能有效逃逸率較低；④裂變材料達到足夠的質(zhì)量（臨界質(zhì)量）以維持中子循環(huán)。二、核聚變是指兩個或多個輕原子核（通常是氫的同位素氘和氚）在極高的溫度和壓力條件下，克服庫侖斥力結合成一個較重的原子核（如氦），同時釋放出巨大的能量。這是太陽等恒星發(fā)光發(fā)熱的原理。典型的聚變反應方程式有：①氘氚反應：D+T→He+n+17.6MeV；②氘氘反應：D+D→He-3+p+3.27MeV或D+D→T+p+4.03MeV。三、核裂變和核聚變過程中能量的釋放都是基于愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2。在重核裂變時，裂變產(chǎn)物和釋放的中子的總質(zhì)量小于初始重核和中子的總質(zhì)量，這個“虧損”的質(zhì)量轉化為了巨大的能量（動能、輻射能等）釋放出來。在輕核聚變時，生成的較重核的質(zhì)量小于參與反應的輕核的總質(zhì)量，同樣，這個“虧損”的質(zhì)量轉化為了巨大的能量釋放出來。估算：1個鈾-235核裂變釋放約200MeV，1kg鈾-235的核數(shù)為6.02×1023/235≈2.56×1021個，總能量E=2.56×1021×200MeV×1.6×10?1?J/MeV≈8.19×1?12J。四、核裂變的產(chǎn)物通常是多種不同的放射性核素（裂變碎片），這些碎片具有不同的半衰期，從fractionsofasecond到thousandsofyears不等，形成復雜的放射性廢物系列。這些長壽命放射性廢物處理困難，需要長期安全儲存甚至地質(zhì)處置。核聚變的產(chǎn)物通常是穩(wěn)定的原子核（如氦）和中子。中子會與反應堆材料或其他雜質(zhì)相互作用，產(chǎn)生少量放射性物質(zhì)（如氚的衰變產(chǎn)物），但總體上，聚變產(chǎn)生的放射性廢物種類少、量少、半衰期短，處理相對簡單。五、實現(xiàn)條件上，核裂變在相對較低的溫度和壓力下即可進行（需中子轟擊），對材料要求是能吸收中子的裂變?nèi)剂希ㄢ?、钚），但需要精確控制中子鏈式反應以防止失控。核聚變需要在極高的溫度（上億攝氏度）和壓力下使核子克服庫侖斥力發(fā)生融合，對材料要求是能夠承受極端高溫、高壓和輻照的等離子體約束裝置（如托卡馬克），實現(xiàn)條件極為苛刻，目前仍處于實驗研究階段。安全性方面，裂變堆存在堆芯熔毀、放射性泄漏、核擴散風險等潛在安全問題。聚變堆具有固有安全性（反應停止則能量釋放停止），輻射水平相對較低，無長期核廢料，核擴散風險也較小。環(huán)境影響方面，兩者都可能產(chǎn)生中子照射帶來的活化問題，但聚變產(chǎn)生的活化物質(zhì)種類和量遠少于裂變?？沙掷m(xù)性方面，鈾資源相對有限，而聚變?nèi)剂想诤Ｋ泻控S富（氘氚聚變?nèi)剂现须靶枞斯ぶ苽洌?，理論上可以提供近乎無限的清潔能源。六、當前核裂變技術的主要應用形式是核電站，利用核裂變產(chǎn)生的熱能驅動汽輪機發(fā)電。面臨的主要挑戰(zhàn)包括：①核廢料處理問題；②核安全問題（事故預防和應急）；③核擴散風險；④高成本和長建設周期；⑤公眾接受度問題。核聚變研究目前處于實驗研究階段，主要目標是實現(xiàn)受控核聚變，即在磁約束或慣性約束裝置中穩(wěn)定地產(chǎn)生凈能量