2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫(kù)——核聚變實(shí)驗(yàn)中的等離子體對(duì)流考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述等離子體對(duì)流的定義及其與傳導(dǎo)、輻射等能量輸運(yùn)機(jī)制的主要區(qū)別。二、在核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（如托卡馬克）中，等離子體邊緣區(qū)域通常存在強(qiáng)烈的溫度梯度。解釋這種溫度梯度如何驅(qū)動(dòng)對(duì)流的發(fā)生，并簡(jiǎn)述對(duì)流在此區(qū)域可能扮演的角色（例如對(duì)雜質(zhì)輸運(yùn)的影響）。三、磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）方程是描述磁化等離子體運(yùn)動(dòng)的基本方程之一。簡(jiǎn)述在MHD框架下，如何體現(xiàn)等離子體對(duì)流項(xiàng)？其對(duì)等離子體宏觀行為有何潛在影響？四、試述等離子體對(duì)流可能對(duì)核聚變實(shí)驗(yàn)中的等離子體約束時(shí)間和能量平衡產(chǎn)生的具體影響。結(jié)合你理解的托卡馬克等離子體物理，說明為什么抑制或控制對(duì)流有時(shí)是必要的。五、在分析核聚變實(shí)驗(yàn)中的等離子體對(duì)流問題時(shí)，兩流體模型有時(shí)被采用。簡(jiǎn)述兩流體模型的基本思想，并說明其中如何描述對(duì)流輸運(yùn)過程（特別是質(zhì)子和電子的對(duì)流）。六、假設(shè)在一個(gè)核聚變實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量到某區(qū)域等離子體由于溫度梯度產(chǎn)生了對(duì)流，導(dǎo)致邊緣局部溫度下降了10%。若該區(qū)域等離子體平均密度為1.0×102?m?3，電子溫度為T_e=10keV，并假設(shè)對(duì)流引起的能量損失主要轉(zhuǎn)化為熱耗散，且此過程可近似視為各向同性的。請(qǐng)嘗試定性分析并定量估算（無(wú)需復(fù)雜計(jì)算，給出數(shù)量級(jí)即可）此對(duì)流過程導(dǎo)致的局部電子能量耗散率（單位體積的能量損失速率）大致范圍，并說明你做出估算所依據(jù)的關(guān)鍵假設(shè)。試卷答案一、答案：等離子體對(duì)流是指等離子體內(nèi)部流體狀粒子（離子和電子）由于溫度梯度、壓力梯度或外部力場(chǎng)作用而產(chǎn)生的宏觀定向流動(dòng)。其驅(qū)動(dòng)力主要是溫度或壓力差。與傳導(dǎo)（通過粒子碰撞或場(chǎng)相互作用傳遞能量）和輻射（通過電磁波或粒子發(fā)射傳遞能量）不同，對(duì)流是能量或質(zhì)量通過物質(zhì)的宏觀流動(dòng)來輸運(yùn)的過程。傳導(dǎo)和輻射是粒子層面的過程，而對(duì)流是流體層面的現(xiàn)象。解析思路：本題考查對(duì)流的基本定義。首先要清晰界定對(duì)流是什么（宏觀流動(dòng)），其驅(qū)動(dòng)力是什么（溫度/壓力梯度等）。其次，關(guān)鍵在于與傳導(dǎo)、輻射進(jìn)行區(qū)分，明確它們各自的物理機(jī)制和作用層次（粒子層面vs流體層面）。二、答案：托卡馬克邊緣強(qiáng)溫度梯度導(dǎo)致內(nèi)部粒子（離子和電子）向溫度較低的區(qū)域流動(dòng)，以趨向熱平衡。這種流動(dòng)形成了對(duì)流。在邊緣區(qū)域，對(duì)流是重要的能量輸運(yùn)機(jī)制，將核心的高能粒子輸送到外緣。同時(shí)，雜質(zhì)離子也可能被卷入對(duì)流流場(chǎng)，被輸運(yùn)到偏濾器等部件，影響等離子體純凈度。解析思路：本題考查對(duì)流在特定區(qū)域（托卡馬克邊緣）的驅(qū)動(dòng)力和作用。思路是：1）解釋溫度梯度如何產(chǎn)生對(duì)流（粒子熱運(yùn)動(dòng)趨向平衡）；2）說明對(duì)流在邊緣的具體作用，重點(diǎn)在于能量輸運(yùn)和雜質(zhì)輸運(yùn)。三、答案：在MHD方程組（如歐拉方程加洛倫茲力項(xiàng)和能量方程）中，對(duì)流體現(xiàn)在描述等離子體密度、速度和溫度場(chǎng)空間變化的偏微分項(xiàng)上。例如，在密度演化方程中，對(duì)流項(xiàng)為??(ρv)表示流體密度的變化率；速度演化方程中，壓力梯度、洛倫茲力等驅(qū)動(dòng)速度場(chǎng)變化，這些變化構(gòu)成的流體運(yùn)動(dòng)即為對(duì)流；能量方程中則包含描述熱量通過對(duì)流輸運(yùn)的項(xiàng)，如ρ(??(vT))。MHD對(duì)流影響等離子體的宏觀流動(dòng)模式、旋轉(zhuǎn)、湍流邊界層結(jié)構(gòu)等。解析思路：本題考查MHD框架下對(duì)流的體現(xiàn)。思路是：1）指出MHD方程組包含描述流體運(yùn)動(dòng)的方程（密度、速度、能量）；2）具體說明這些方程中哪些項(xiàng)包含了流體速度場(chǎng)v及其與密度ρ、溫度T的乘積或相關(guān)項(xiàng)，這些項(xiàng)即為對(duì)流項(xiàng)；3）簡(jiǎn)述其對(duì)宏觀行為（流動(dòng)、邊界層等）的影響。四、答案：對(duì)流有助于將核心的高能粒子輸送到邊緣，有助于維持邊緣的等離子體密度和能量分布，從而可能對(duì)約束時(shí)間有積極貢獻(xiàn)（通過改善能量平衡）。然而，過強(qiáng)的對(duì)流也可能導(dǎo)致能量損失過快，或者將雜質(zhì)大量輸運(yùn)到核心，污染等離子體，反而惡化約束。此外，強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng)可能與邊界不穩(wěn)定性（如破裂）相關(guān)，破壞等離子體穩(wěn)定。因此，在實(shí)驗(yàn)中需要精確理解和控制對(duì)流，以優(yōu)化約束性能。解析思路：本題考查對(duì)流對(duì)約束時(shí)間和能量平衡的雙重影響。思路是：1）正面影響：解釋對(duì)流如何幫助能量輸運(yùn)和分布；2）負(fù)面影響：指出過強(qiáng)對(duì)流可能導(dǎo)致能量損失過快、雜質(zhì)輸運(yùn)、觸發(fā)不穩(wěn)定性；3）總結(jié)：強(qiáng)調(diào)控制對(duì)流的必要性。五、答案：兩流體模型將等離子體視為由帶電粒子（離子和電子）組成的兩種獨(dú)立流體。它分別建立了描述每種流體的動(dòng)力學(xué)方程（如連續(xù)性方程、動(dòng)量方程）和能量方程。在對(duì)流輸運(yùn)的描述上，模型直接包含粒子密度、速度和溫度等流體變量的空間變化率，即?(ρv)/?t和?(ρT)/?t等項(xiàng)代表了流體的對(duì)流輸運(yùn)。通過求解這些方程，可以分析不同流體成分的對(duì)流行為及其相互作用。解析思路：本題考查兩流體模型對(duì)對(duì)流的描述。思路是：1）解釋兩流體模型的基本思想（離子、電子視為獨(dú)立流體）；2）說明模型包含哪些核心方程（連續(xù)性、動(dòng)量、能量）；3）重點(diǎn)在于解釋能量方程或動(dòng)量方程中如何體現(xiàn)對(duì)流項(xiàng)（流體變量的時(shí)空變化率）。六、答案：對(duì)流能量耗散率的估算需要考慮對(duì)流速度、溫度梯度、粒子數(shù)密度和能量。定性上，耗散率與對(duì)流速度和溫度梯度成正比，與粒子數(shù)密度成正比。定量估算（數(shù)量級(jí)）：假設(shè)典型托卡馬克邊緣對(duì)流速度約為1km/s，溫度梯度ΔT/Δr≈10^6K/m，粒子數(shù)密度n≈10^20m^-3，電子溫度T_e≈10keV=1.6×10^4eV=2.56×10^-15J。能量耗散率ρχ_T≈nvΔT/Δrχ_T≈10^20m^-3×1×10^3m/s×10^6K/(10^6m)×(2.56×10^-15J/eV×6.02×10^23/mol×1eV)≈10^20×10^0×10^0×10^-15×6×10^8≈6×10^3W/m^3。數(shù)量級(jí)約為10^3-10^4W/m^3。關(guān)鍵假設(shè)：對(duì)流速度、溫度梯度和粒子數(shù)密度為典型值；能量損失主要通過熱耗散；對(duì)流與溫度梯度方向相反且近似垂直；簡(jiǎn)化計(jì)算