2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——核聚變反應堆的種類與原理考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)。）1.氘（D）和氚（T）發(fā)生聚變反應產(chǎn)生氦-4（He）和一個中子，該反應方程式為D+T→He+n。此聚變反應釋放的能量主要來源于（）。A.核子的結(jié)合能差異B.核子的質(zhì)量差異轉(zhuǎn)化為能量C.核子的電勢能釋放D.磁場能量轉(zhuǎn)換2.實現(xiàn)熱核反應所需的最低條件之一是等離子體溫度達到千萬開爾文量級，其主要目的是（）。A.提供足夠的能量克服原子核之間的庫侖排斥力B.使中子具有足夠的動能以逃逸出反應區(qū)C.加速等離子體中的帶電粒子，提高熱傳導效率D.激發(fā)核外電子躍遷，產(chǎn)生特定波長的輻射3.托卡馬克型聚變反應堆主要利用（）來實現(xiàn)對高溫等離子體的約束。A.強大的電場力B.磁場產(chǎn)生的洛倫茲力C.等離子體自身的慣性D.循環(huán)流動的冷劑流體4.仿星器（Stellarator）與托卡馬克相比，其主要區(qū)別在于（）。A.采用環(huán)形真空室而非柱形B.使用超導磁體系統(tǒng)而非常規(guī)磁體C.通過設計復雜的螺旋磁場來約束等離子體，無需旋轉(zhuǎn)D.主要依靠中性束注入來維持等離子體溫度5.慣性約束聚變（ICF）技術面臨的核心挑戰(zhàn)之一是（）。A.如何建造足夠強大的超導磁體系統(tǒng)B.如何實現(xiàn)高能量密度、均勻的激光或粒子束驅(qū)動C.如何長期穩(wěn)定地維持極低溫度的等離子體D.如何處理反應堆產(chǎn)生的中子輻射6.在磁約束聚變反應堆中，偏濾器（Divertor）的主要功能是（）。A.產(chǎn)生主要的約束磁場B.將等離子體中的熱量和粉粒物質(zhì)導入第一壁C.提供聚變反應發(fā)生的區(qū)域D.加速等離子體中的離子7.對于聚變反應堆的第一壁材料，要求其具備的關鍵核特性之一是（）。A.極高的電導率以利于散熱B.良好的耐高溫和抗輻照性能C.優(yōu)異的透明度以利于光學診斷D.高熔點以承受極端工作環(huán)境8.在托卡馬克裝置中，等離子體破裂（Disruption）是一種典型的（）不穩(wěn)定性。A.離子溫度梯度驅(qū)動的B.等離子體旋轉(zhuǎn)模驅(qū)動的C.磁流體（MHD）模驅(qū)動的D.電荷密度梯度驅(qū)動的9.聚變反應堆產(chǎn)生的中子流會對其結(jié)構(gòu)材料造成（）。A.電磁轟擊B.核反應損傷和輻照損傷C.化學腐蝕D.熱負荷10.釔鋇銅氧（YBCO）超導材料在聚變堆中有潛在的應用價值，主要得益于其（）。A.極高的臨界溫度B.良好的抗中子輻照性能C.高載流密度和低損耗D.優(yōu)異的機械強度二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.聚變反應產(chǎn)生的能量遵循愛因斯坦的質(zhì)能方程________，其中Δm是質(zhì)量虧損，c是光速。2.磁約束聚變（MCF）利用磁場將帶電的高溫等離子體約束在特定區(qū)域內(nèi)，以實現(xiàn)聚變反應。3.慣性約束聚變（ICF）通過高能量束流（激光或粒子束）快速加熱和壓縮小型聚變靶丸，使其內(nèi)爆并產(chǎn)生聚變反應。4.托卡馬克利用強大的環(huán)向磁場、極向磁場和等離子體自身電流產(chǎn)生的_______磁場來實現(xiàn)等離子體的主要約束。5.聚變堆中，第一壁是指最靠近_______的部分，直接承受聚變反應產(chǎn)生的熱量和粒子輻照。6.衡量聚變反應堆性能的重要指標Q表示_______，即凈產(chǎn)生的聚變能量與輸入的驅(qū)動能量之比。7.等離子體不穩(wěn)定性是磁約束聚變實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行必須克服的關鍵科學問題之一。8.中子壁是聚變堆中吸收中子流并承受輻照損傷的關鍵部件，其材料選擇至關重要。9.實現(xiàn)D-T聚變反應所需的等離子體溫度約為________K。10.稀土材料，特別是_______，因其優(yōu)異的超導特性而受到聚變堆高溫超導磁體研究的關注。三、名詞解釋（每小題3分，共15分。請給出簡潔、準確的定義。）1.核結(jié)合能2.等離子體不穩(wěn)定性3.慣性約束聚變（ICF）4.偏濾器（Divertor）5.能量增益因子Q四、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述實現(xiàn)熱核聚變需要克服的主要物理挑戰(zhàn)。2.比較托卡馬克和仿星器兩種磁約束聚變構(gòu)型的主要異同點。3.解釋聚變反應堆中中子壁面臨的主要工程挑戰(zhàn)。4.簡述慣性約束聚變（ICF）中實現(xiàn)有效壓縮和燃燒的關鍵物理過程。五、論述題（10分。請就下列問題進行論述。）結(jié)合具體的物理原理，論述磁約束聚變（MCF）中實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運行所面臨的主要科學難題及其可能的解決方案方向。試卷答案一、選擇題1.B解析思路：聚變反應的能量來源于核反應前后質(zhì)量的虧損，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2，這部分虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為了巨大的能量。2.A解析思路：原子核帶有正電荷，之間存在庫侖排斥力。要使輕核聚變，必須給予它們足夠的動能來克服這種排斥力，這需要極高的溫度。3.B解析思路：托卡馬克利用外部產(chǎn)生的強大磁場（主要是環(huán)向和極向磁場）對等離子體中的帶電粒子施加洛倫茲力，使其約束在環(huán)形真空室內(nèi)。4.C解析思路：仿星器的主要特點是利用精心設計的螺旋磁場來直接約束等離子體，而托卡馬克則需要通過等離子體自身電流產(chǎn)生的環(huán)向磁場來實現(xiàn)約束。5.B解析思路：ICF的核心挑戰(zhàn)在于如何精確控制高能量密度的激光或粒子束，使其均勻地轟擊靶丸，實現(xiàn)有效的壓縮和燃燒。6.B解析思路：偏濾器是位于托卡馬克反應室底部或側(cè)面的部件，其主要功能是將反應產(chǎn)生的熱量、中子、離子和氚粉等物質(zhì)從核心等離子體區(qū)域排出，保護第一壁。7.B解析思路：第一壁直接承受高能中子流和帶電粒子的輻照，會發(fā)生核反應損傷（材料活化）和輻照損傷（輻照脆化、相變等），因此需要材料具備良好的耐輻照性能。8.C解析思路：等離子體破裂是一種典型的磁流體動力學（MHD）不穩(wěn)定現(xiàn)象，通常由局部擾動迅速增長導致整個等離子體柱失去約束而突然變壞。9.B解析思路：中子是中性的，但它們是高速帶電粒子（如果考慮反沖核），在飛行過程中會與材料原子發(fā)生核反應（產(chǎn)生活化產(chǎn)物）和庫侖散射/碰撞（引起材料損傷和熱負荷）。10.C解析思路：YBCO材料具有相對較高的臨界溫度（優(yōu)于液氮溫度），并且表現(xiàn)出高臨界電流密度和低交流損耗，這使得它在構(gòu)建聚變堆所需的高場強超導磁體方面具有應用潛力。二、填空題1.E=mc2解析思路：這是愛因斯坦提出的質(zhì)能關系式，描述了質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)化為能量的過程，是聚變能量來源的理論基礎。2.磁場解析思路：MCF利用磁場作為無接觸約束工具，將帶正電的離子和帶負電的電子約束在一起，形成等離子體。3.內(nèi)爆和燃燒解析思路：ICF通過外部驅(qū)動器壓縮靶丸，使其內(nèi)部物質(zhì)密度和溫度急劇升高，發(fā)生聚變反應（燃燒），同時產(chǎn)生大量中子和熱量。4.?環(huán)向解析思路：托卡馬克的約束磁場由外部電流產(chǎn)生的環(huán)向磁場和自身電流產(chǎn)生的環(huán)向磁場共同作用，形成主要的螺旋磁場結(jié)構(gòu)。5.聚變反應區(qū)解析思路：第一壁是緊鄰反應堆核心區(qū)域（發(fā)生聚變反應的地方）的結(jié)構(gòu)部件，直接承受聚變產(chǎn)物和反應過程的影響。6.每單位輸入能量產(chǎn)生的凈聚變能量解析思路：Q值是衡量聚變反應堆能量轉(zhuǎn)換效率的關鍵參數(shù)，表示輸出的凈聚變能量（通常以中子動能和α粒子能量計算）與驅(qū)動等離子體（如加熱系統(tǒng)、約束系統(tǒng)）所消耗能量之比。7.等離子體解析思路：不穩(wěn)定性是指等離子體狀態(tài)失穩(wěn)、能量耗散、偏離原有平衡或穩(wěn)定運行狀態(tài)的現(xiàn)象，會破壞聚變反應的進行。8.中子流解析思路：中子壁是吸收反應堆中產(chǎn)生的大量中子流的部分，承受極高的中子通量和輻照劑量，因此材料選擇和性能是關鍵。9.1千萬解析思路：實現(xiàn)D-T聚變反應克服庫侖勢壘所需的最低理論溫度約為1千萬開爾文，實際運行溫度通常更高。10.超導解析思路：YBCO是重要的稀土基高溫超導材料，其超導特性（高臨界溫度、高臨界電流密度）使其在需要強磁場約束等離子體的聚變堆磁體系統(tǒng)中具有研究和應用價值。三、名詞解釋1.核結(jié)合能：原子核的靜止質(zhì)量與其組成核子的靜止質(zhì)量之差（即質(zhì)量虧損）所對應的能量，表示將核子結(jié)合成原子核時釋放的能量，或反之，分裂原子核需要吸收的能量。結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定。2.等離子體不穩(wěn)定性：指等離子體狀態(tài)對其平衡參數(shù)（如密度、溫度、磁場等）的微小擾動發(fā)生增長，導致等離子體失去原有的平衡或穩(wěn)定運行狀態(tài)的現(xiàn)象。3.慣性約束聚變（ICF）：一種實現(xiàn)聚變的方式，通過外部高能束流（激光或粒子束）快速加熱和壓縮一個包含聚變?nèi)剂系男⌒桶型?，利用靶丸自身質(zhì)量的慣性使其在被壓縮破壞前發(fā)生聚變反應。4.偏濾器（Divertor）：磁約束聚變反應堆中的一個關鍵部件，負責將高溫等離子體中的熱量、中子、離子、氚粉等物質(zhì)從核心區(qū)域引導并排放到反應室壁或其他處理系統(tǒng)，以保護第一壁和維持反應堆運行。5.能量增益因子Q：衡量聚變反應堆能量轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)，定義為反應堆產(chǎn)生的凈聚變能量（通常指中子和α粒子的動能）與驅(qū)動反應所消耗的輔助能量（如加熱系統(tǒng)、啟動電流等）之比。Q>1表示反應堆能夠產(chǎn)生凈能量輸出。四、簡答題1.簡述實現(xiàn)熱核聚變需要克服的主要物理挑戰(zhàn)。解析思路：實現(xiàn)熱核聚變主要需克服：1）提供足夠高的溫度（千萬開爾文量級）以克服原子核間的庫侖排斥力；2）維持足夠高的等離子體密度和足夠長的約束時間（能量約束時間），以實現(xiàn)足夠高的反應速率并保證能量增益；3）將聚變產(chǎn)生的巨大能量有效地傳遞出去，形成可利用的電力；4）處理反應堆產(chǎn)生的大量中子和氚粉，保護結(jié)構(gòu)和材料，并實現(xiàn)氚的自持。2.比較托卡馬克和仿星器兩種磁約束聚變構(gòu)型的主要異同點。解析思路：相同點：都是磁約束聚變構(gòu)型，利用磁場約束高溫等離子體，目標都是實現(xiàn)聚變能產(chǎn)生。不同點：主要在于約束磁場的設計和實現(xiàn)方式不同。托卡馬克利用環(huán)形真空室，通過等離子體自身電流和外部偏轉(zhuǎn)場線圈產(chǎn)生環(huán)向和極向磁場，并依靠等離子體自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力輔助穩(wěn)定。仿星器則通過精確設計的、完全由外部線圈產(chǎn)生的復雜螺旋磁場來直接約束等離子體，無需旋轉(zhuǎn)。仿星器理論上可以避免托卡馬克中存在的某些不穩(wěn)定性，但磁場線圈系統(tǒng)更為復雜。3.解釋聚變反應堆中中子壁面臨的主要工程挑戰(zhàn)。解析思路：中子壁面臨的主要工程挑戰(zhàn)包括：1）承受極高的中子通量和能量沉積，導致材料快速活化（產(chǎn)生放射性核素）和輻照損傷（如輻照脆化、相變、氚滯留等），縮短結(jié)構(gòu)壽命；2）中子壁材料需具備高耐輻照性能、良好的抗熱負荷能力、足夠的熔點以及與冷卻系統(tǒng)的良好匹配性；3）中子壁區(qū)域會產(chǎn)生強烈的熱負荷，需要有效的冷卻系統(tǒng)來移走熱量，防止材料過熱損壞；4）材料表面的氚釋放（氚化學和物理輸運）問題，可能影響材料性能和堆芯安全。4.簡述慣性約束聚變（ICF）中實現(xiàn)有效壓縮和燃燒的關鍵物理過程。解析思路：實現(xiàn)有效壓縮和燃燒的關鍵在于：1）精確控制高能量束流（激光或粒子束）的均勻輻照，使其在靶丸表面產(chǎn)生均勻的初始壓力；2）通過輻射壓力和后續(xù)的粒子轟擊加熱，使靶丸外殼迅速蒸發(fā)（燒蝕），產(chǎn)生向內(nèi)的反作用力，實現(xiàn)對靶丸內(nèi)部聚變?nèi)剂系目焖?、均勻壓縮；3）壓縮過程需在燃料達到足夠高的密度和溫度（點火條件）之前完成，并維持足夠長的時間；4）壓縮后的高溫高密度燃料核心發(fā)生聚變反應（燃燒），釋放巨大能量，產(chǎn)生中子和α粒子。五、論述題結(jié)合具體的物理原理，論述磁約束聚變（MCF）中實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運行所面臨的主要科學難題及其可能的解決方案方向。解析思路：MCF實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運行面臨的主要科學難題是等離子體不穩(wěn)定性。等離子體不穩(wěn)定性是指等離子體狀態(tài)對其平衡參數(shù)的微小擾動發(fā)生增長，導致約束性能惡化、能量損失、甚至破壞性崩潰。這些不穩(wěn)定性（如破裂、模態(tài)不穩(wěn)定）限制了等離子體運行參數(shù)（密度、溫度、能量約束時間）的進一步提高，阻礙了高增益聚變堆的實現(xiàn)?？赡艿慕鉀Q方案方向包括：1）改進等離子體邊界處理：發(fā)展更優(yōu)化的偏濾器