2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核聚變技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在括號(hào)內(nèi)）1.在核聚變反應(yīng)D+T→He+n+17.6MeV中，反應(yīng)的閾能（即反應(yīng)發(fā)生的最低能量）主要由哪個(gè)因素決定？(A)氘核和氚核的靜能(B)中子的靜能(C)氦-4原子的結(jié)合能(D)庫侖勢(shì)壘的高度2.磁約束聚變（MCF）中，實(shí)現(xiàn)等離子體約束的主要物理原理是利用磁場(chǎng)產(chǎn)生的什么效應(yīng)來克服帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)？(A)洛倫茲力(B)庫侖力(C)磁鏡效應(yīng)(D)回旋運(yùn)動(dòng)3.對(duì)于托卡馬克聚變裝置，其核心的約束方式可以描述為？(A)利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強(qiáng)大的環(huán)向磁場(chǎng)，使等離子體粒子回旋運(yùn)動(dòng)并限制在環(huán)狀空間內(nèi)(B)通過高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)形真空室，利用離心力將等離子體約束在環(huán)內(nèi)(C)將超高溫等離子體注入并快速膨脹，利用慣性使其在膨脹過程中約束一段時(shí)間(D)利用強(qiáng)激光束持續(xù)轟擊燃料靶丸，產(chǎn)生向心沖擊波來約束等離子體4.在托卡馬克裝置中，實(shí)現(xiàn)等離子體能量加熱的主要方式中，哪種主要依賴于磁場(chǎng)與等離子體相互作用？(A)粒子注入(B)等離子體自身電阻發(fā)熱(C)磁擾動(dòng)加熱（如阿爾文波、離子回旋波）(D)激光直接光電效應(yīng)加熱5.核聚變堆第一壁材料面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一是？(A)承受極高的熱負(fù)荷(B)長(zhǎng)期暴露于高能中子輻照下的損傷和活化(C)與氚氣體發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)(D)保持超導(dǎo)特性6.氚在聚變堆中實(shí)現(xiàn)自持循環(huán)，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是？(A)將反應(yīng)產(chǎn)生的氚高效地收集起來(B)利用鋰材料吸收中子生成氚(C)將氚安全地輸運(yùn)到反應(yīng)區(qū)(D)降低氚的滲透率以減少損失7.與D-T反應(yīng)相比，D-D反應(yīng)在聚變堆研發(fā)中面臨的主要困難是？(A)反應(yīng)閾能更高(B)產(chǎn)生的中子能量更低，但反應(yīng)率也顯著更低(C)燃料中氘的豐度遠(yuǎn)低于氚(D)反應(yīng)產(chǎn)生的氦-4無法被進(jìn)一步利用8.核聚變能源被視為清潔能源，其主要環(huán)境優(yōu)勢(shì)在于？(A)運(yùn)行過程中不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體(B)燃料資源（氘、氚）在地球上儲(chǔ)量極其豐富(C)堆芯事故風(fēng)險(xiǎn)極低(D)產(chǎn)生的放射性廢物種類少、半衰期短9.慣性約束聚變（ICF）中，用于壓縮和加熱燃料靶丸的核心技術(shù)是？(A)強(qiáng)磁場(chǎng)(B)等離子體電流(C)高能激光束或粒子束(D)超導(dǎo)磁體10.庫侖勢(shì)壘的存在是阻礙輕核發(fā)生聚變反應(yīng)的根本原因，其勢(shì)壘高度主要取決于？(A)核子的質(zhì)量(B)參與反應(yīng)核的原子序數(shù)(C)核力強(qiáng)度(D)宇宙溫度二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.核聚變反應(yīng)釋放能量的微觀機(jī)制是輕核結(jié)合成較重核時(shí)，其______的增加。2.等離子體是一種______狀態(tài)下的、由自由電子和正離子組成的物質(zhì)。3.磁約束聚變裝置中，為了處理由聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子，通常在裝置中心放置一個(gè)______，用于吸收中子并產(chǎn)生熱能。4.慣性約束聚變中，實(shí)現(xiàn)燃料壓縮的主要物理機(jī)制是激光或粒子束對(duì)靶丸表面的______作用。5.為了實(shí)現(xiàn)聚變堆的氚自持，需要使用含有______的同位素材料來吸收中子生成氚。6.在核反應(yīng)方程D+T→He+n+17.6MeV中，質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒分別要求中子（n）的質(zhì)量數(shù)為______，電荷數(shù)為______。7.托卡馬克裝置中的環(huán)向磁場(chǎng)主要提供約束，而______磁場(chǎng)則用于產(chǎn)生等離子體電流和維持環(huán)狀等離子體。8.聚變堆的關(guān)鍵材料不僅需要能承受高溫和輻照，還必須具有良好的______和______性能。9.核聚變技術(shù)除了用于發(fā)電，其產(chǎn)生的中子還可以應(yīng)用于______等領(lǐng)域。10.實(shí)現(xiàn)商業(yè)核聚變能源面臨的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)包括實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高參數(shù)運(yùn)行、開發(fā)耐輻照材料、解決______問題等。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題）1.簡(jiǎn)述核聚變反應(yīng)與核裂變反應(yīng)在能量來源、產(chǎn)物、環(huán)境影響等方面的主要區(qū)別。2.解釋什么是等離子體的“準(zhǔn)中性”條件，并說明其在磁約束聚變中為何是重要的約束條件。3.簡(jiǎn)要說明磁鏡約束的基本原理及其如何限制等離子體粒子。4.氚具有放射性，為何在聚變堆中實(shí)現(xiàn)氚自持循環(huán)仍然是一個(gè)重要的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)？四、計(jì)算題（共10分。請(qǐng)列出必要的公式和計(jì)算步驟）已知氘核（D）的質(zhì)量為m_D≈2.014u，氚核（T）的質(zhì)量為m_T≈3.016u，氦-4核（He）的質(zhì)量為m_He≈4.003u，中子（n）的質(zhì)量為m_n≈1.008u。其中1u=931.5MeV/c2。計(jì)算D-T聚變反應(yīng)D+T→He+n的反應(yīng)質(zhì)量虧損（Δm）和釋放的能量（Q值）。五、論述題（10分。請(qǐng)圍繞下列問題展開論述）核聚變能被視為“人造太陽”，具有巨大的潛力。然而，人類至今尚未能成功建造出能夠穩(wěn)定輸出凈能量超過輸入能量的商業(yè)聚變堆。請(qǐng)分析實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所面臨的主要科學(xué)和工程障礙，并簡(jiǎn)要談?wù)効朔@些障礙可能的技術(shù)方向或途徑。試卷答案一、選擇題1.(D)2.(A)3.(A)4.(C)5.(B)6.(B)7.(B)8.(A)9.(C)10.(B)二、填空題1.結(jié)合能2.電離3.偏濾器4.熱壓5.鋰6.1；07.poloidal（或螺線管）8.抗輻照；抗氚滲透9.材料輻照改性、癌癥治療10.經(jīng)濟(jì)性三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：區(qū)分能量來源（結(jié)合能釋放vs重核裂變）、產(chǎn)物（氦/中子vs鈾裂變碎片/中子）、環(huán)境影響（無長(zhǎng)壽命核廢料/低中子輻射vs長(zhǎng)壽命核廢料/高中子輻射）。*能量來源：聚變是輕核結(jié)合成重核，釋放結(jié)合能；裂變是重核分裂成中等核，釋放結(jié)合能。*產(chǎn)物：聚變主要產(chǎn)生氦和中子；裂變產(chǎn)生多種較輕的核碎片和中子。*環(huán)境影響：聚變無長(zhǎng)壽命核廢料，中子輻射水平相對(duì)可控；裂變產(chǎn)生大量長(zhǎng)壽命核廢料，中子輻照問題顯著。2.解析思路：解釋準(zhǔn)中性定義（正負(fù)電荷密度大致相等）及其物理意義（洛倫茲力平衡，允許宏觀電場(chǎng)存在但無凈電流，磁場(chǎng)能束縛帶電粒子）。*定義：準(zhǔn)中性指等離子體區(qū)域內(nèi)，電子數(shù)密度和離子數(shù)密度大致相等，使得宏觀上正負(fù)電荷平衡。*意義：在磁場(chǎng)中，帶電粒子受到洛倫茲力作用做回旋運(yùn)動(dòng)。若等離子體非準(zhǔn)中性，會(huì)產(chǎn)生凈電流，進(jìn)而受到與磁場(chǎng)相關(guān)的焦耳熱或驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致約束不穩(wěn)定或能量損失。準(zhǔn)中性是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定磁場(chǎng)約束的前提。3.解析思路：描述磁鏡原理（利用兩端磁面形成的強(qiáng)磁場(chǎng)梯度將沿磁力線運(yùn)動(dòng)的粒子反射回去）。*原理：磁力線從兩端強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域（磁鏡）發(fā)出，向中心弱磁場(chǎng)區(qū)域延伸。對(duì)于具有特定能量范圍的粒子，當(dāng)其沿著磁力線從強(qiáng)場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)到弱場(chǎng)區(qū)時(shí)，會(huì)因磁傾角的變化而發(fā)生回旋，并在達(dá)到某個(gè)最小半徑后，又被反射回強(qiáng)場(chǎng)區(qū)。*限制：粒子若能量過高，無法被約束在特定半徑內(nèi)；若能量過低，可能無法到達(dá)強(qiáng)場(chǎng)區(qū)就被損失。因此，磁鏡主要約束特定能量范圍的粒子。4.解析思路：分析氚放射性問題（半衰期短，易泄漏）與自持循環(huán)需求（需要足量易裂變材料或高效增殖）的矛盾。*氚放射性：氚是氫的同位素，半衰期短（約12.3年），發(fā)生β衰變變?yōu)楹?3，產(chǎn)生β射線和γ射線，對(duì)設(shè)備材料有輻照損傷。*自持循環(huán)：理想聚變堆需要實(shí)現(xiàn)氚增殖，即反應(yīng)產(chǎn)生的氚足以補(bǔ)充循環(huán)中損失的氚。這通常需要大量易裂變材料（如Li）或高效的氚增殖材料。實(shí)現(xiàn)高效的氚收集、輸運(yùn)、增殖和循環(huán)，同時(shí)保證氚在材料中的密封性和長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性，是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。四、計(jì)算題*公式：Δm=m_initial-m_final=(m_D+m_T)-(m_He+m_n)，Q=Δm*c2*計(jì)算步驟：1.計(jì)算反應(yīng)前總質(zhì)量：m_initial=m_D+m_T≈2.014u+3.016u=5.030u2.計(jì)算反應(yīng)后總質(zhì)量：m_final=m_He+m_n≈4.003u+1.008u=5.011u3.計(jì)算質(zhì)量虧損：Δm=m_initial-m_final=5.030u-5.011u=0.019u4.將質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)換為能量：Δm(MeV)=Δm(u)*931.5MeV/c2≈0.019u*931.5MeV/c2≈17.69MeV5.計(jì)算Q值：Q=Δm*c2≈17.69MeV（或直接使用上一步結(jié)果）五、論述題解析思路：從物理極限（能量增益、約束時(shí)間）、工程實(shí)現(xiàn)（材料、結(jié)構(gòu)、控制）、經(jīng)濟(jì)性（成本、壽命周期）等多個(gè)維度分析挑戰(zhàn)，并提出可能的解決方案方向。*主要科學(xué)和工程障礙：*物理極限挑戰(zhàn)：實(shí)現(xiàn)并維持所需的超高溫（10^8-10^9K）、高密度、長(zhǎng)約束時(shí)間（秒級(jí)甚至更長(zhǎng)）的等離子體狀態(tài)，以獲得足夠的能量增益（Q值）并實(shí)現(xiàn)能量?jī)糨敵??？朔入x子體的不穩(wěn)定性（如MHD不穩(wěn)定性、微湍流）是維持約束時(shí)間和參數(shù)的關(guān)鍵。*工程實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)：開發(fā)能夠承受極端高溫、高能中子輻照和強(qiáng)電磁場(chǎng)的耐輻照、耐高溫材料，并保證其在長(zhǎng)期運(yùn)行下的可靠性和密封性。設(shè)計(jì)建造規(guī)模龐大、運(yùn)行復(fù)雜的聚變實(shí)驗(yàn)裝置（如ITER），其工程技術(shù)難度極高，成本巨大。*能量轉(zhuǎn)換與傳輸：高溫等離子體的能量如何高效、安全地轉(zhuǎn)換和輸運(yùn)出去，也是一個(gè)重大的工程難題。*經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)：即使實(shí)驗(yàn)裝置成功實(shí)現(xiàn)能量增益，要達(dá)到商業(yè)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)可行性，還需要大幅降低建設(shè)成本、提高裝置運(yùn)行可靠性和壽命周期，實(shí)現(xiàn)全生命周期成本效益。*可能的技術(shù)方向或途徑：*基礎(chǔ)研究：深入理解等離子體物理和核物理規(guī)律，發(fā)展新的等離子體約束和加熱方案（如仿星器、先進(jìn)托卡馬克、激光約束的新概念等），探索更優(yōu)的聚變反應(yīng)路徑（如p-B11）。