2025年大學(xué)《核物理》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——核聚變反應(yīng)中的等離子體物理考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.簡(jiǎn)述等離子體區(qū)別于普通氣體和液體的基本特征，并說(shuō)明德拜長(zhǎng)度和朗道長(zhǎng)度的物理意義及其在等離子體物理中的重要性。2.描述Langmuir探針在測(cè)量等離子體基本參數(shù)（如電子溫度、密度、等離子體電位等）時(shí)的基本原理，并指出其可能存在的局限性。二、1.寫(xiě)出氘氚（D-T）核聚變反應(yīng)的方程式，計(jì)算該反應(yīng)釋放的能量（以MeV為單位），并簡(jiǎn)述反應(yīng)截面隨能量的變化特點(diǎn)。2.解釋什么是核反應(yīng)率，并說(shuō)明在核聚變等離子體中，影響反應(yīng)率的主要因素有哪些？請(qǐng)闡述溫度和粒子數(shù)密度如何影響反應(yīng)率。三、1.磁約束聚變（MCF）中，洛倫茲力扮演著關(guān)鍵角色。請(qǐng)解釋洛倫茲力的來(lái)源，并說(shuō)明它在約束高溫等離子體方面的作用機(jī)制。簡(jiǎn)述托卡馬克裝置中常見(jiàn)的幾種約束模式（如H-mode）及其特點(diǎn)。2.簡(jiǎn)要描述慣性約束聚變（ICF）中，從激光（或粒子束）入射到聚變?nèi)剂宵c(diǎn)火的主要物理過(guò)程，包括能量吸收、壓縮、均勻化和燒蝕膨脹等階段。四、1.等離子體輸運(yùn)是限制聚變堆性能的關(guān)鍵因素。請(qǐng)分別解釋熱傳導(dǎo)、離子聲波和電子回旋波在等離子體能量輸運(yùn)中的作用機(jī)制，并說(shuō)明這些輸運(yùn)過(guò)程可能對(duì)約束時(shí)間和能量效率產(chǎn)生什么影響。2.什么是漂移輸運(yùn)？請(qǐng)至少列舉三種主要的漂移現(xiàn)象（如E×B漂移、梯度漂移、極性漂移），并簡(jiǎn)要說(shuō)明其產(chǎn)生原因和方向。五、1.簡(jiǎn)述磁流體力學(xué)（MHD）的基本思想，并列出描述理想MHD行為的簡(jiǎn)化磁流體力學(xué)方程組（無(wú)需推導(dǎo)）。說(shuō)明MHD不穩(wěn)定性（如破裂模）對(duì)聚變堆運(yùn)行可能帶來(lái)的危害。2.解釋什么是阿爾文波？它在等離子體物理中有什么重要性？它如何影響等離子體的動(dòng)量輸運(yùn)？六、1.在核聚變等離子體中，多種波動(dòng)現(xiàn)象并存。請(qǐng)比較離子聲波和電子回旋波在頻率、波數(shù)、色散關(guān)系以及主要物理機(jī)制上的異同點(diǎn)。2.什么是“燒蝕不穩(wěn)定性”（AberrationInstability）？在慣性約束聚變中，它為何是一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題？簡(jiǎn)述抑制該不穩(wěn)定性的一種可能方法。試卷答案一、1.答案：等離子體是電離氣體，含有足夠數(shù)量的自由電子和正離子，整體呈電中性，但存在微觀不穩(wěn)定性，能傳導(dǎo)電流，受磁場(chǎng)影響顯著。德拜長(zhǎng)度（λ_D）是描述等離子體電荷屏蔽效應(yīng)的特征長(zhǎng)度，其大小與電子（或離子）溫度和數(shù)密度的平方根成反比，決定了電荷在等離子體中作用的平均距離。朗道長(zhǎng)度（L_c）是描述等離子體中集體振蕩（朗道波）相干性的特征長(zhǎng)度，其大小與離子溫度成正比，與電子溫度和數(shù)密度的平方根成反比，決定了集體效應(yīng)的重要性區(qū)域。德拜長(zhǎng)度反映了電荷間的平均屏蔽距離，朗道長(zhǎng)度反映了集體振動(dòng)的相干范圍，兩者共同決定了等離子體偏離平衡態(tài)的性質(zhì)。解析思路：首先回答等離子體的基本定義和特征（電中性、能導(dǎo)電、受磁場(chǎng)影響）。然后分別解釋德拜長(zhǎng)度和朗道長(zhǎng)度的物理意義（電荷屏蔽效應(yīng)、集體振蕩相干性）。最后闡述這兩個(gè)長(zhǎng)度的計(jì)算依賴(lài)關(guān)系及其在區(qū)分微觀/宏觀效應(yīng)、理解等離子體響應(yīng)中的重要性。2.答案：Langmuir探針通過(guò)將一個(gè)微小電極（探針）插入等離子體中，測(cè)量探針與等離子體之間的電壓-電流特性曲線（V-I曲線）。通過(guò)分析曲線的形狀和特定點(diǎn)的值，可以提取等離子體的電子溫度（T_e）、電子密度（n_e）和等離子體電位（Φ_0）。例如，曲線的斜率在飽和區(qū)與電子溫度相關(guān)，曲線峰值對(duì)應(yīng)的電流與電子密度有關(guān)，曲線峰值對(duì)應(yīng)的電壓即為等離子體電位。局限性包括：探針本身會(huì)擾動(dòng)原等離子體；測(cè)量的是探針附近局域的等離子體參數(shù)，可能不能完全代表整體；對(duì)于非常稀薄的等離子體或非均勻等離子體，測(cè)量精度可能下降；無(wú)法直接測(cè)量離子密度和離子溫度。解析思路：首先描述Langmuir探針的工作原理（插入電極、測(cè)量V-I曲線）。然后說(shuō)明如何通過(guò)分析V-I曲線提取關(guān)鍵參數(shù)（T_e,n_e,Φ_0）及其物理依據(jù)。最后列舉該方法的局限性（擾動(dòng)、局域性、適用范圍、參數(shù)缺失）。二、1.答案：D-T核聚變反應(yīng)方程式為：12C+13N→1?O+n+3.52MeV。計(jì)算釋放的能量基于質(zhì)能方程E=Δmc2。反應(yīng)前后質(zhì)量虧損Δm=(m(12C)+m(13N))-(m(1?O)+m(n))。查表得近似質(zhì)量數(shù)質(zhì)量：m(12C)=12.0000u,m(13N)=13.0057u,m(1?O)=14.0031u,m(n)=1.0087u。Δm=(12.0000+13.0057)-(14.0031+1.0087)=25.0057-15.0118=9.9939u。能量釋放E=9.9939u*c2。1u*c2≈931.5MeV，故E≈9.9939*931.5MeV/u≈9327MeV。反應(yīng)截面隨能量變化的特點(diǎn)是：對(duì)于D-T反應(yīng)，反應(yīng)截面在幾MeV的能量范圍內(nèi)迅速增加，達(dá)到峰值后隨能量升高而指數(shù)式衰減。解析思路：首先正確書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程。然后應(yīng)用質(zhì)能方程E=Δmc2，明確質(zhì)量虧損Δm是反應(yīng)前后原子核總質(zhì)量的差值。通過(guò)查找核質(zhì)量數(shù)據(jù)計(jì)算Δm。最后，給出能量計(jì)算結(jié)果，并描述D-T反應(yīng)截面隨能量變化的典型特征（快速上升和指數(shù)衰減）。2.答案：核反應(yīng)率是指單位體積內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的某種特定核反應(yīng)的次數(shù)。在核聚變等離子體中，影響反應(yīng)率的主要因素包括：反應(yīng)物（如D和T）的粒子數(shù)密度（n_D,n_T），反應(yīng)截面（σ），以及反應(yīng)發(fā)生的概率相關(guān)的因子（如相對(duì)速度的平方根1/√(μΤ)）。反應(yīng)率與粒子數(shù)密度的乘積（n_D*n_T）成正比，與反應(yīng)截面成正比，并與反應(yīng)溫度T有關(guān)（通常與T的某個(gè)冪次方相關(guān)，具體取決于反應(yīng)類(lèi)型和溫度范圍）。溫度升高顯著增加反應(yīng)截面，并提高反應(yīng)物平均動(dòng)能，從而大幅提高反應(yīng)率。粒子數(shù)密度是反應(yīng)發(fā)生的“原料”基礎(chǔ)，越高則反應(yīng)可能性越大。解析思路：首先定義核反應(yīng)率。然后列舉影響聚變反應(yīng)率的主要因素，重點(diǎn)突出粒子數(shù)密度、反應(yīng)截面和溫度的作用。對(duì)于粒子數(shù)密度和截面，解釋其直接影響。對(duì)于溫度，解釋其通過(guò)影響截面和反應(yīng)物動(dòng)能的途徑來(lái)顯著提高反應(yīng)率。三、1.答案：洛倫茲力F=q(E+v×B)是運(yùn)動(dòng)電荷q在電場(chǎng)E和磁場(chǎng)B共同作用下受到的力，其來(lái)源是電磁場(chǎng)本身。在磁約束聚變中，利用強(qiáng)大的外部磁場(chǎng)B形成閉合磁力線，約束高溫等離子體。由于洛倫茲力F=q(v×B)總是垂直于速度v和磁場(chǎng)B所在的平面，它能夠不斷改變帶電粒子（主要是離子）的運(yùn)動(dòng)方向，使其圍繞磁力線做回旋運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又受到磁場(chǎng)曲率的約束，難以逃逸出磁場(chǎng)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)宏觀上的約束。托卡馬克裝置中常見(jiàn)的約束模式包括：L-mode（低約束模式，存在多種不穩(wěn)定性，約束性能差）、H-mode（高約束模式，具有陡峭的等離子體邊界和低輸運(yùn)，約束性能好）、ELMs（H-mode中的局部模不穩(wěn)定）、NEQ（高參數(shù)H-mode，無(wú)ELMs，約束性能更優(yōu)）。解析思路：首先解釋洛倫茲力的來(lái)源和公式。然后說(shuō)明在MCF中如何利用洛倫茲力（通過(guò)B場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)粒子約束（回旋運(yùn)動(dòng)+曲率約束）。最后列舉幾種典型的托卡馬克約束模式（L-mode,H-mode,ELMs,NEQ）并簡(jiǎn)述其特點(diǎn)。2.答案：慣性約束聚變（ICF）中，從激光（或粒子束）入射到聚變?nèi)剂宵c(diǎn)火的主要物理過(guò)程包括：1)能量吸收：激光（或粒子束）能量被靶丸表面吸收，可能通過(guò)多種機(jī)制（如等離子體前驅(qū)體吸收、直接電子加熱、光致電離等）。吸收效率是關(guān)鍵。2)壓縮：被加熱的靶丸表面物質(zhì)向外膨脹，產(chǎn)生巨大的反作用力，使靶丸內(nèi)部的聚變?nèi)剂希ㄍǔＪ荄-T冰）向中心快速移動(dòng)，被壓縮到極高的密度（達(dá)到固體密度的數(shù)千倍）。3)均勻化：壓縮過(guò)程旨在使燃料達(dá)到均勻的高密度狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的點(diǎn)火。4)燒蝕膨脹：壓縮到極限密度的燃料核心溫度急劇升高。當(dāng)溫度超過(guò)點(diǎn)火溫度（對(duì)于D-T約為幾百萬(wàn)度）時(shí)，聚變反應(yīng)開(kāi)始發(fā)生并自我維持，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為“點(diǎn)火”。點(diǎn)火釋放的大量能量進(jìn)一步加熱燃料，導(dǎo)致燃料向外進(jìn)行絕熱膨脹（燒蝕）。解析思路：按照ICF物理流程的順序，依次描述激光/粒子束吸收、燃料壓縮、壓縮后的均勻化以及最終點(diǎn)火和燒蝕膨脹這幾個(gè)核心階段，并簡(jiǎn)要說(shuō)明每個(gè)階段的主要作用和發(fā)生的物理過(guò)程。四、1.答案：熱傳導(dǎo)是等離子體中能量從高溫區(qū)向低溫區(qū)輸運(yùn)的主要機(jī)制之一，由溫度梯度驅(qū)動(dòng)。其微觀機(jī)制通常與離子聲波（離子熱波）或電子熱傳導(dǎo)有關(guān)。離子聲波是離子溫度遠(yuǎn)高于電子溫度時(shí)，由離子熱運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)的低頻集體振蕩，其波動(dòng)能量可以攜帶離子能量進(jìn)行輸運(yùn)。電子回旋波是高溫電子在磁場(chǎng)中圍繞磁力線做回旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于碰撞或波與波的相互作用（如Landau共振）損失能量，將能量傳遞給離子或等離子體整體。漂移輸運(yùn)是指等離子體粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度梯度等力的作用下，除了回旋運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)外，還會(huì)產(chǎn)生平行于梯度或場(chǎng)的平均漂移運(yùn)動(dòng)，從而引起能量、粒子或動(dòng)量的輸運(yùn)。例如，E×B漂移使帶電粒子垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)；梯度漂移使粒子沿溫度或密度梯度方向運(yùn)動(dòng)。這些輸運(yùn)過(guò)程都會(huì)導(dǎo)致高溫?zé)崮芟蛑車(chē)鋮^(qū)傳遞，限制了聚變等離子體的能量約束時(shí)間，是設(shè)計(jì)聚變堆時(shí)需要極力抑制的。解析思路：分別解釋熱傳導(dǎo)（離子聲波機(jī)制、電子熱傳導(dǎo)）、離子聲波和電子回旋波在能量輸運(yùn)中的作用機(jī)制。然后解釋漂移輸運(yùn)的概念，并舉例說(shuō)明常見(jiàn)的漂移類(lèi)型（E×B,梯度）。最后指出這些輸運(yùn)過(guò)程對(duì)約束時(shí)間和能量效率的負(fù)面影響。2.答案：漂移輸運(yùn)是指等離子體中的帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度梯度等宏觀場(chǎng)的作用下，除了圍繞磁力線做回旋運(yùn)動(dòng)和向高密度區(qū)擴(kuò)散外，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿特定方向（通常平行于E×B力、溫度梯度或磁場(chǎng)力）的平均運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為漂移。這種平均運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致能量、粒子或動(dòng)量沿特定方向輸運(yùn)。主要的漂移現(xiàn)象包括：1)E×B漂移：等離子體粒子在電場(chǎng)E和磁場(chǎng)B的叉積方向上（垂直于E和B構(gòu)成的平面）的恒定漂移，其速度v_drift=E×B/B2。2)離子溫度梯度漂移（ITG漂移）：在離子溫度梯度存在時(shí)，由于離子與電子碰撞頻率不同，離子傾向于向低溫區(qū)漂移。3)電子溫度梯度漂移（ETG漂移）：在電子溫度梯度存在時(shí)，電子傾向于向低溫區(qū)漂移。4)極性漂移（或稱(chēng)磁場(chǎng)梯度漂移）：在磁場(chǎng)垂直于環(huán)向（φ向）時(shí)，帶電粒子傾向于沿磁力線（ρ向）向磁場(chǎng)較弱（即曲率半徑較?。┑膮^(qū)域漂移。這些漂移現(xiàn)象都源于粒子與背景場(chǎng)的相互作用以及碰撞效應(yīng)。解析思路：首先定義漂移輸運(yùn)。然后列舉三種主要的漂移類(lèi)型（E×B,ITG,ETG,極性漂移）。對(duì)于每種漂移，簡(jiǎn)述其產(chǎn)生原因（對(duì)應(yīng)的力或梯度）和運(yùn)動(dòng)方向。五、1.答案：磁流體力學(xué)（MHD）將等離子體視為一個(gè)整體，既遵守流體力學(xué)方程（描述質(zhì)量和動(dòng)量守恒），又遵守電磁學(xué)定律（歐姆定律、法拉第定律、洛倫茲力項(xiàng)），同時(shí)考慮了等離子體的導(dǎo)電性。其基本思想是利用磁場(chǎng)的約束和電磁場(chǎng)與等離子體相互作用來(lái)研究等離子體的宏觀運(yùn)動(dòng)行為。描述理想MHD行為的簡(jiǎn)化磁流體力學(xué)方程組為：1)連續(xù)方程：?ρ/?t+?·(ρv)=0（質(zhì)量守恒）；2)動(dòng)量方程：ρ(?v/?t+(v·?)v)=-?p/ρ+(?×B)×B/μ?+j×B（牛頓第二定律，包含壓力梯度、洛倫茲力）；3)誘導(dǎo)方程：?B/?t=?×(v×B)-?×(η?×B)（法拉第定律，包含運(yùn)動(dòng)電流項(xiàng)和電阻項(xiàng)，η為電阻率）。MHD不穩(wěn)定性是指等離子體在宏觀尺度上失去平衡，發(fā)生增幅的擾動(dòng)。常見(jiàn)的MHD不穩(wěn)定性包括破裂模（BreakdownMode），它是一種快速增長(zhǎng)的、可能導(dǎo)致約束喪失的模態(tài)，常出現(xiàn)在邊界附近或特定參數(shù)條件下。解析思路：首先闡述MHD的研究對(duì)象和基本思想（流體+電磁場(chǎng)）。然后列出理想MHD的三個(gè)核心方程（連續(xù)、動(dòng)量、誘導(dǎo)）并簡(jiǎn)要說(shuō)明其物理意義。最后解釋MHD不穩(wěn)定的概念，并舉例說(shuō)明一種具體的不穩(wěn)定性（破裂模）及其危害。2.答案：阿爾文波（AlfvenWave）是在無(wú)限大或足夠大的均勻磁化等離子體中傳播的磁流體力學(xué)波。它的特點(diǎn)是波的相速度與磁場(chǎng)線一起運(yùn)動(dòng)，即v_ph=B/μ?√(ρ_m/ρ_e)，其中B是磁場(chǎng)強(qiáng)度，μ?是真空磁導(dǎo)率，ρ_m是等效