2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——核聚變技術在軍事防衛(wèi)中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述原子核的組成及其主要性質。說明核力在原子核結構中所起的作用。二、定義核反應截面。解釋反應截面在描述核反應過程中的作用。列舉并簡要說明幾種主要的核反應類型。三、熱核聚變需要滿足哪些基本物理條件？簡述實現受控核聚變的兩種主要途徑及其基本原理。四、核聚變反應D-T反應相比于D-D反應有哪些優(yōu)勢？簡述D-T反應在軍事應用中可能涉及的物理問題。五、磁約束聚變和慣性約束聚變各自面臨哪些主要的物理和工程挑戰(zhàn)？從核物理角度分析這些挑戰(zhàn)的根源。六、高能激光器是利用核聚變技術的一種潛在軍事應用。簡述其基本工作原理，并分析其作為軍事武器可能的優(yōu)缺點。七、核聚變推進系統(tǒng)被視為未來高推重比推進器的潛在方案。簡述直接聚變推進和間接聚變推進的基本概念，并討論其在軍事應用中可能面臨的核物理難題。八、聚變反應產生的中子具有顯著的物理效應。說明中子輻照對材料性能可能產生哪些影響？這些影響在軍事裝備設計中應如何被考慮？九、分析將核聚變技術應用于軍事領域可能帶來的戰(zhàn)略影響。討論技術發(fā)展對現有軍事平衡和國際安全格局的潛在作用。十、結合核物理知識，論述實現安全、可控的聚變軍事應用需要克服哪些關鍵科學和工程障礙。你認為當前在核物理層面，哪些研究方向對于突破這些障礙最為關鍵？試卷答案一、原子核由質子和中子組成。質子帶正電，中子不帶電，兩者均被強大的核力束縛在原子核內。原子核的半徑大致與核質量的立方根成正比。原子核具有質量、電荷、自旋、磁矩等基本性質。核力是短程力，主要作用范圍在1-2費米，它克服了質子間的庫侖排斥力，使原子核得以穩(wěn)定存在。二、核反應截面是描述一個靶核在單位面積、單位時間內發(fā)生某種核反應的概率大小的物理量，其單位通常為靶恩（b）。反應截面在核反應中起著橋梁作用，它將入射粒子流與靶核發(fā)生反應的幾率與可觀測到的反應產物（如散射粒子、出射粒子）的角分布、能量分布等聯系起來。主要的核反應類型包括：核散射（彈性散射和非彈性散射）、核衰變（α衰變、β衰變、γ衰變）、人工核反應（如轟擊靶核產生新核）和核聚變（輕核結合成較重核）。三、熱核聚變需要滿足：足夠高的溫度（使核具有足夠的動能克服庫侖勢壘）、足夠的等離子體密度（提高反應幾率）、足夠長的約束時間（使反應粒子有足夠時間發(fā)生反應）。實現受控核聚變的兩種主要途徑是：磁約束聚變（利用強磁場將高溫等離子體約束在特定空間內，如托卡馬克裝置）；慣性約束聚變（利用強大的激光束或粒子束從各個方向均勻轟擊小型聚變燃料靶丸，使其內爆、壓縮、加熱到聚變條件，并在燃料燒盡前發(fā)生聚變反應）。四、D-T反應的優(yōu)勢在于：反應門檻能最低（約0.02MeV），反應截面最大（特別是熱中子截面），反應產物主要是α粒子（氦核）和具有巨大能量的中子，α粒子不易引起材料活化，中子能量高可用于多種軍事目的。軍事應用中可能涉及的物理問題包括：中子輻照對材料損傷和活化、反應中產生的γ射線、如何有效約束高能中子和α粒子、反應的自持燃燒問題等。五、磁約束聚變的主要挑戰(zhàn)有：實現穩(wěn)定的高溫等離子體約束（如托卡馬克中的模態(tài)不穩(wěn)定性）、維持足夠長的時間（能量約束時間與體積的平方根成反比）、材料科學挑戰(zhàn)（等離子體與材料的相互作用、耐高溫高壓輻照）。慣性約束聚變的主要挑戰(zhàn)有：精確控制激光束/粒子束的能量、均勻性和聚焦質量、實現燃料靶丸的完美壓縮和對稱性、提高反應效率（將輸入能量有效轉化為聚變能量）。六、高能激光器（聚變驅動激光器）的基本工作原理是：利用核聚變反應（通常是D-T反應）產生的極高溫度（如X射線輻射）或直接產生的高能粒子束（如聚變中子轟擊靶材產生快電子）作為能源，驅動強大的激光系統(tǒng)。作為軍事武器，其優(yōu)點可能包括：能量密度高、響應速度快、可遠程精確打擊、潛在的定向能攻擊能力。缺點可能涉及：系統(tǒng)龐大復雜、能源供應和運輸困難、易受敵方干擾或反制、技術成熟度和可靠性等。七、直接聚變推進的概念是：將聚變燃料直接置于推進器中，聚變反應產生的熱高壓氣體或高能粒子直接膨脹產生推力。間接聚變推進的概念是：聚變反應產生高能中子或X射線，這些能量傳遞給“吸收器”靶材，靶材被加熱膨脹，將能量轉化為向外噴射的等離子體產生的推力。軍事應用中可能面臨的核物理難題包括：如何將聚變反應能量高效、直接地轉化為推力（直接）或如何有效地將中子/X射線能量傳遞給靶材并轉化為推力（間接）、如何處理聚變反應產生的強烈輻射和帶電粒子對推進器結構和航天員的損傷、實現小型化和高效率的聚變反應包。八、中子輻照對材料可能產生的影響包括：核反應損傷（產生點缺陷、位錯等晶體缺陷，導致材料embrittlement變脆）、核嬗變（使材料原子轉變?yōu)槠渌?，可能改變材料成分和性質，引入放射性）、輻照硬化（在某些材料中，輻照可能導致相變或晶格畸變，反而提高強度，但通常伴隨脆化）、輻射腐蝕（加速腐蝕過程）。在軍事裝備設計中應考慮選擇耐輻照材料、優(yōu)化材料結構以減輕輻照損傷、設計有效的輻射屏蔽、對輻照效應進行預測和評估。九、核聚變技術應用于軍事領域可能帶來的戰(zhàn)略影響包括：可能引發(fā)新的軍備競賽（“聚變武器”或先進的聚變能源武器化），導致戰(zhàn)略平衡被打破；可能極大地改變戰(zhàn)爭形態(tài)和方式（如超高速飛行器、強大的定向能武器）；提升國家軍事實力和威懾能力，加劇國際關系緊張；帶來前所未有的安全和擴散風險（聚變技術的復雜性和獨特性可能使其難以完全控制）；促進相關科技發(fā)展，但也可能擠占民用科技投入。十、實現安全、可控的聚變軍事應用需要克服的關鍵科學和工程障礙包括：如何實現凈能量增益并提高能量轉換效率、如何實現長時間穩(wěn)定的高參數等離子體約束或有效的燃料壓縮、如何發(fā)展能夠承受極端物理條件（高溫、高壓、強輻射）的先進材料、如何實現聚變裝置的小型化和輕量化以適應軍事需