2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——核聚變技術在航天科技中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述核聚變反應的能量來源及其主要物理條件。解釋什么是反應截面，并說明其對于聚變反應設計的重要性。二、對比磁約束聚變（MCF）和慣性約束聚變（ICF）的基本原理、主要裝置類型及各自面臨的關鍵技術挑戰(zhàn)。三、在核聚變推進系統(tǒng)中，中子是主要的能量傳遞粒子之一。簡述中子在穿過物質時可能引起的兩種主要效應（例如對材料結構和性能的影響），并說明在聚變航天器設計中考慮中子屏蔽的必要性。四、核聚變裝置運行在極端高溫、高輻照環(huán)境下，對材料提出了嚴苛的要求。列舉至少三種核聚變航天應用中關鍵的候選材料（例如第一壁材料），并分別說明選擇該材料的主要原因（需考慮至少兩個關鍵因素，如耐高溫、抗輻照、低活化等）。五、直接聚變推進（DirectFusionDrive,DFD）是聚變推進的一種先進概念。簡述其基本工作原理，并分析其相較于傳統(tǒng)熱核推進（ThermalNuclearRocket,TNR）可能帶來的主要優(yōu)勢以及需要克服的技術難點。六、聚變反應產(chǎn)生的中子具有特定的能譜。解釋中子能譜對聚變堆結構材料設計和宇航員輻射防護策略可能產(chǎn)生的影響。七、當前核聚變技術發(fā)展面臨諸多工程挑戰(zhàn)，例如高約束時間、高能量轉換效率、系統(tǒng)小型化等。選擇其中你認為最重要的兩個挑戰(zhàn)，分別詳細闡述其科學內涵和技術難點。八、將核聚變推進技術與傳統(tǒng)的化學火箭、核裂變火箭以及太陽能電推進（IonThruster）進行簡要比較，分析核聚變推進在特定航天任務（如深空探測、星際航行）中的潛在優(yōu)勢和局限性。試卷答案一、答案：核聚變反應的能量來源是輕原子核（如氫的同位素氘、氚）結合成較重原子核（如氦）時，生成產(chǎn)物的質量小于反應物的質量，根據(jù)愛因斯坦質能方程E=mc2，這損失的質量轉化為了巨大的能量釋放。主要物理條件包括極高的溫度（達到數(shù)百萬甚至數(shù)千萬開爾文），以提供粒子足夠的動能克服庫侖斥力；足夠的粒子密度，以增加反應粒子間的碰撞概率；以及足夠的約束時間，使高溫等離子體維持反應狀態(tài)而不飛散。反應截面是描述單位時間內發(fā)生特定核反應的概率的物理量，表示一個入射粒子與靶核發(fā)生相互作用（包括散射和吸收）的幾率大小。其對于聚變反應設計至關重要，因為截面的大小決定了在給定的溫度、密度和約束條件下，聚變反應的效率（單位體積、單位時間內的反應速率）和反應中產(chǎn)生的中子/帶電粒子流強度，直接影響裝置的設計參數(shù)和性能評估。二、答案：磁約束聚變（MCF）利用強磁場構建一個約束區(qū)域，通過洛倫茲力使帶正電的高溫等離子體約束在特定空間內，依靠自身熱壓實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行或通過外部加熱維持高溫。主要裝置類型有托卡馬克（Tokamak）、仿星器（Stellarator）等。其面臨的關鍵技術挑戰(zhàn)包括實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高參數(shù)運行、發(fā)展高效穩(wěn)定的等離子體加熱與電流驅動技術、處理高能量中子流對材料的損傷、以及實現(xiàn)裝置的凈能量增益等。慣性約束聚變（ICF）通過外部驅動系統(tǒng)（如激光、粒子束）在極短的時間內（納秒量級）均勻輻照包含聚變燃料的靶丸，利用慣性力使燃料快速壓縮到極高密度和溫度，引發(fā)內部爆炸式聚變。主要裝置類型有激光慣性約束（如NIF、LMF）、粒子束慣性約束等。其面臨的關鍵技術挑戰(zhàn)包括實現(xiàn)高效的靶丸壓縮與能量傳輸、發(fā)展強大的驅動系統(tǒng)、提高聚變燃料的利用率和能量增益、以及實現(xiàn)重復、可靠的操作等。三、答案：中子在穿過物質時可能引起的兩種主要效應是：1）物理損傷（或稱輻照損傷）：中子與物質原子核發(fā)生碰撞（散射或核反應），可能引起原子位移、晶格缺陷（空位、間隙原子、位錯環(huán)等）的引入，導致材料微觀結構發(fā)生改變，進而影響其宏觀力學性能（如強度、韌性下降，延展性變差）和耐久性（如抗疲勞性能減弱）。長期輻照下還可能導致材料發(fā)生相變或形成有害的嬗變產(chǎn)物。2）化學/放射性損傷（活化）：中子與材料中的穩(wěn)定原子核發(fā)生核反應，生成新的放射性同位素，即嬗變產(chǎn)物（TransmutationProducts）。這些放射性同位素會持續(xù)釋放射線（如衰變γ射線、α粒子），不僅可能進一步損傷材料本身，還可能對周圍結構和設備產(chǎn)生輻照損傷，并帶來長期的安全處置問題。在聚變航天器設計中考慮中子屏蔽的必要性在于，必須將到達航天器結構、敏感儀器設備以及乘員（如果存在）處的中子劑量（特別是高能中子）降至可接受的安全水平，以保護結構完整性、設備功能和人員健康。四、答案：核聚變航天應用中關鍵的候選材料及其主要原因：1）鎢（W）：作為第一壁材料，主要原因是其具有極高的熔點（約3422°C）和沸點（約5930°C），能夠承受聚變反應室極高溫環(huán)境；具有相對較低的原子量，產(chǎn)生的反沖作用對等離子體約束有利；中子活化產(chǎn)物相對較少且放熱效應不嚴重。2）鋯（Zr）基合金（如Zr-4）：作為結構材料或包層材料，主要原因是其良好的中子透明性（對中子吸收截面較小）；優(yōu)異的耐腐蝕性能，特別是在高溫水冷環(huán)境下；良好的高溫力學性能和抗輻照損傷能力（相較于不銹鋼等傳統(tǒng)材料）；與氘、氚等聚變燃料有較好的相容性。3）石墨（Graphite）或碳化物（如碳化硅SiC）：作為第一壁或偏濾器材料，主要原因是其極低的原子序數(shù)，可以有效減少對聚變中高能帶電粒子的反射和損失，提高能量轉換效率；極高的熔點（純碳約3572°C，SiC約2700-2890°C）；良好的中子透明性；相對較低的導熱率有助于熱量管理。選擇時需綜合考慮具體應用場景的溫度、輻照水平、受力狀況、成本及可加工性等因素。五、答案：直接聚變推進（DFD）的基本工作原理是直接將聚變反應產(chǎn)生的高能帶電粒子（主要是質子和α粒子）通過特定的偏轉和聚焦系統(tǒng)，將其能量的一部分轉化為directed慣性推力，另一部分則通過散熱系統(tǒng)排出以維持系統(tǒng)熱平衡。其相較于傳統(tǒng)熱核推進（TNR）可能帶來的主要優(yōu)勢包括：1）更高的能量轉換效率：能量傳輸鏈更短，可以直接利用高能帶電粒子的動能，能量損失相對較小。2）更大的比沖潛力：理論上可以獲得遠超化學火箭和傳統(tǒng)熱核火箭的比沖（推力/推進劑質量）。3）更簡潔的推進系統(tǒng)：可能不需要復雜的熱交換器和工質循環(huán)系統(tǒng)。需要克服的技術難點包括：1）高能帶電粒子約束與偏轉：如何有效、高效地將高能帶電粒子約束在反應室中參與反應，并將反應后具有定向動能的粒子引導出射產(chǎn)生推力，同時將剩余能量和未反應粒子導出，這是一個巨大的工程挑戰(zhàn)。2）材料兼容性：反應室和偏轉系統(tǒng)需要承受極端的高溫、高能粒子轟擊和強中子輻照，對材料提出了前所未有的要求。3）能量管理與散熱：如何有效處理反應產(chǎn)生的大量未用于產(chǎn)生推力的能量，防止系統(tǒng)過熱。4）系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制：確保聚變反應的穩(wěn)定運行和推力的精確控制。六、答案：聚變反應產(chǎn)生的中子能譜對聚變堆結構材料設計和宇航員輻射防護策略具有顯著影響。中子能譜決定了不同能量中子對材料造成的輻照損傷類型和速率的分布。在結構材料設計方面，需要根據(jù)預期的中子能譜選擇具有特定抗輻照性能的材料。例如，低能中子主要引起位移損傷和空位型缺陷，而高能中子則更容易引起核反應產(chǎn)生嬗變產(chǎn)物。因此，材料的選擇不僅要考慮總劑量輻照效應，還要考慮中子能量譜分布引起的特定損傷機制，可能需要針對不同能量區(qū)間的中子設計不同的材料或表面涂層。在宇航員輻射防護方面，中子能譜直接決定了防護屏蔽材料需要多厚以及需要使用何種類型的材料組合才能有效降低到達宇航員的劑量。由于不同能量中子穿透能力和與物質相互作用方式不同（例如，高能中子穿透力強，低能中子易被俘獲），防護設計需要針對特定能譜進行優(yōu)化，通常采用多層屏蔽策略，如外層用重元素材料（如鉛、水）吸收高能中子，內層用輕元素材料（如氫化物、聚乙烯）慢化中子并減少次級反應，以最有效地降低總輻射劑量。七、答案：選擇的關鍵挑戰(zhàn)及其科學內涵和技術難點：1）實現(xiàn)長約束時間（LongConfinementTime）：科學內涵是指在維持聚變等離子體所需的高溫（>100萬K）和足夠密度的情況下，保持其穩(wěn)定和約束狀態(tài)的時間足夠長，以實現(xiàn)有凈能量輸出的聚變反應。技術難點在于克服等離子體的各種不穩(wěn)定性（如破裂、邊界局域模、阿爾芬模等），發(fā)展有效的等離子體穩(wěn)定和控制技術；實現(xiàn)高效、穩(wěn)定、自持的等離子體加熱與電流驅動；發(fā)展能夠長期在極端條件下穩(wěn)定運行的超導磁體或其他約束裝置；以及確保燃料的充分點火和燃燒。2）提高能量轉換效率（EnergyConversionEfficiency）：科學內涵是指將聚變產(chǎn)生的熱能（或直接動能）高效地轉化為可用于產(chǎn)生推力的機械能或電能的比例。技術難點在于發(fā)展高效的熱交換器或能量轉換裝置，以最大限度地回收和利用反應熱；減少能量在傳輸、損失過程中的損耗（如輻射損失、各種模式的波耗散、材料傳熱損失等）；優(yōu)化聚變反應本身的設計以產(chǎn)生更多有用的能量形式。八、答案：核聚變推進技術與傳統(tǒng)化學火箭、核裂變火箭以及太陽能電推進的比較：核聚變推進的潛在優(yōu)勢：1）極高的比沖：可達數(shù)萬甚至數(shù)十萬秒，遠超化學火箭（約200-450秒）和核裂變火箭（約900-1200秒），理論上可實現(xiàn)快速行星際旅行或無人深空探測。2）幾乎無限的燃料供應：氘可以從海水中提取，氚可以通過聚變反應自身增殖（D-T反應），燃料來源廣泛。3）更高的能量密度：單位質量燃料釋放的能量遠超化學燃料。潛在局限性：1）技術成熟度低：目前仍處于實驗研究階段，距離工程化應用還有很長的路要走，面臨眾多科學和工程難題。2）系統(tǒng)復雜性和體積/重量：聚變堆系統(tǒng)極其復雜，對空間環(huán)境要求高，目前裝置體積龐大、重量沉重，難以直接應用