2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——超高溫核反應(yīng)堆技術(shù)在氫能源中的應(yīng)用考試時間：______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.在超高溫核反應(yīng)堆（STTR）中，實現(xiàn)氘（D）和氚（T）核聚變的主要反應(yīng)通常是（）。A.D+D→He+n+能量B.T+T→He+2n+能量C.D+T→He+n+能量D.D+He→Be+n+能量2.下列哪一項不是維持托卡馬克型STTR中等離子體約束的主要物理機制？（）A.磁約束B.熱傳導C.浴流約束D.離子回旋共振加熱3.超高溫核反應(yīng)堆產(chǎn)生巨大能量的主要過程是（）。A.重核裂變B.輕核聚變C.放射性衰變D.核衰變鏈4.利用STTR產(chǎn)生的高溫進行水電解制氫，主要利用了哪種效應(yīng)？（）A.光電效應(yīng)B.熱離子效應(yīng)C.核磁共振D.原子能級躍遷5.在評估STTR制氫的經(jīng)濟性時，以下哪個因素通常不是主要考慮因素？（）A.建設(shè)成本B.運行維護成本C.氫氣純度要求D.核材料增殖成本6.超高溫核反應(yīng)堆中，等離子體溫度需要達到上億攝氏度的主要原因是（）。A.為了熔化反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料B.為了克服氘、氚核之間的庫侖斥力，使它們能夠發(fā)生聚變C.為了有效約束等離子體D.為了加速中子達到高能7.與傳統(tǒng)的核反應(yīng)堆（如壓水堆）相比，超高溫核反應(yīng)堆在氫能源生產(chǎn)應(yīng)用方面的主要優(yōu)勢在于（）。A.能量轉(zhuǎn)換效率更高B.安全性更好C.初期投資成本更低D.易于實現(xiàn)小型化8.熱化學法制氫通常需要STTR提供（）。A.高溫高壓的等離子體B.直接的電能C.極端的環(huán)境溫度D.豐富的中子源9.在STTR的聚變反應(yīng)中，中子是不帶電的粒子，其主要作用是（）。A.直接參與聚變反應(yīng)B.將能量傳遞給反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料，可用于制氫或其他用途C.約束等離子體D.作為催化劑促進反應(yīng)10.STTR技術(shù)面臨的重大挑戰(zhàn)之一是（）。A.如何有效處理聚變產(chǎn)生的中子輻射B.如何實現(xiàn)長時間穩(wěn)定運行C.如何將產(chǎn)生的熱能高效轉(zhuǎn)化為電能D.以上都是二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.超高溫核反應(yīng)堆通常采用__________或__________等磁約束方式來約束高溫等離子體。2.氘（D）和氚（T）是氫的同位素，它們發(fā)生聚變反應(yīng)釋放能量的過程稱為__________。3.利用STTR產(chǎn)生的高溫直接電解水制氫，核心是利用高溫下的__________效應(yīng)，降低電解所需的電壓。4.超高溫核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子具有很高的能量，它們與反應(yīng)堆堆芯材料相互作用會釋放出__________，這部分能量可以被利用。5.STTR制氫技術(shù)目前仍處于__________階段，面臨諸多技術(shù)難題。6.等離子體是物質(zhì)的一種狀態(tài)，其特點是沒有固定的形狀和__________。7.為了維持STTR的聚變反應(yīng)，需要持續(xù)對等離子體進行__________，以補充能量損失。8.除了制氫，STTR產(chǎn)生的中子還可以用于生產(chǎn)__________等放射性同位素。9.評估STTR制氫的效率，通常關(guān)注輸入的__________與輸出的氫氣能量之比。10.STTR作為一種潛在的清潔能源，其在氫能源應(yīng)用中的前景受到__________和__________等因素的制約。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述核聚變反應(yīng)與核裂變反應(yīng)的主要區(qū)別。2.簡述托卡馬克裝置實現(xiàn)等離子體約束的基本原理。3.簡述利用STTR高溫進行熱化學法制氫的基本思想。4.簡述超高溫核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子在制氫過程中可能發(fā)揮的作用。四、計算題（6分）假設(shè)一個STTR裝置在穩(wěn)定運行時，每秒聚變1.0×10^20個D-T核對。已知D-T聚變反應(yīng)釋放的能量約為17.6MeV/核對，其中大約80%的能量以中子的形式釋放。試計算該裝置每秒產(chǎn)生的中子能量是多少焦耳？（注：1MeV=1.6×10^-13焦耳）五、論述題（14分）結(jié)合核物理的基本原理，論述超高溫核反應(yīng)堆技術(shù)應(yīng)用于氫能源生產(chǎn)的主要優(yōu)勢、面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.B5.C6.B7.A8.C9.B10.D二、填空題1.托卡馬克仿星器2.核聚變3.熱離子4.中子輻照熱5.研究開發(fā)6.體積7.加熱8.放射性同位素9.能量輸入10.安全性經(jīng)濟性三、簡答題1.解析思路：核聚變是輕核結(jié)合成重核釋放能量，反應(yīng)物主要是氫的同位素（氘氚）；核裂變是重核分裂成輕核釋放能量，反應(yīng)物是重核（如鈾钚）。從產(chǎn)物看，聚變生成穩(wěn)定核素，裂變產(chǎn)生多種放射性產(chǎn)物。從能量看，聚變單位質(zhì)量釋放的能量遠大于裂變。從反應(yīng)條件看，聚變需要極高溫度和壓力，裂變在常溫常壓下即可（需中子轟擊引發(fā)）。答案要點：反應(yīng)物種類不同（輕核vs重核），產(chǎn)物不同（穩(wěn)定核素vs放射性核素），釋放能量密度不同（聚變更高），反應(yīng)條件不同（聚變需極端條件vs裂變需中子引發(fā)）。2.解析思路：托卡馬克利用強磁場，將帶電的高溫等離子體約束在一個環(huán)形真空室內(nèi)。主要包括兩種磁場：垂直于環(huán)向的環(huán)向磁場提供主要的約束力（類似柱形磁場），使其不散開；平行于環(huán)向的等離子體自身電流產(chǎn)生的縱向磁場和環(huán)向磁場共同作用形成的螺旋磁場，起到類似“箍”的作用，進一步增強約束，并幫助實現(xiàn)能量傳遞和加熱。答案要點：利用強磁場（環(huán)向磁場和縱向磁場/電流產(chǎn)生的螺旋磁場）共同作用，約束帶電的等離子體，防止其接觸容器壁。3.解析思路：熱化學法制氫利用STTR產(chǎn)生的高溫（通常超過1000°C）來驅(qū)動一個包含催化劑和溶劑的多步化學循環(huán)，該循環(huán)能選擇性地將水分子分解成氫氣和含氧化合物。整個過程無需外接電源，直接利用熱能。STTR提供的熱量用于驅(qū)動循環(huán)中的化學反應(yīng)。答案要點：利用STTR提供的高溫驅(qū)動化學循環(huán)，通過催化劑作用分解水制氫，過程無需外接電源。4.解析思路：STTR產(chǎn)生的高能中子與反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料（如冷卻劑、第一壁、包殼等）發(fā)生相互作用，發(fā)生（彈）核反應(yīng)或（快）中子輻射俘獲，這些相互作用會釋放能量，這種能量以熱量的形式傳遞給材料，稱為中子輻照熱。這部分熱量可以被收集并用于制氫過程中的熱交換環(huán)節(jié)，提高制氫效率。答案要點：中子與反應(yīng)堆材料相互作用（彈核反應(yīng)、輻射俘獲），將中子能量轉(zhuǎn)化為熱能，這部分熱能可用于制氫。四、計算題計算過程：1.每秒聚變次數(shù)：N=1.0×10^20/秒2.每次聚變釋放能量：E_meV=17.6MeV3.每秒總釋放能量（MeV）：E_total_meV=N*E_meV=1.0×10^20*17.6MeV=1.76×10^21MeV4.轉(zhuǎn)換為焦耳：E_total_J=E_total_meV*1.6×10^-19J/MeV=1.76×10^21*1.6×10^-19J=2.816×10^2J=281.6J5.計算中子能量份額：中子占比=80%=0.86.每秒產(chǎn)生的中子能量：E_neutron_J=E_total_J*0.8=281.6J*0.8=225.28J答案：225.28J五、論述題解析思路：*優(yōu)勢：*能量密度高：從核物理角度看，聚變單位質(zhì)量釋放能量遠超化學能或裂變能，可持續(xù)提供巨大功率，為大規(guī)模制氫提供潛力。*資源近乎無限：氘在海水中含量豐富，氚可通過鋰同位素增殖獲得，資源遠超有限的化石燃料和裂變?nèi)剂稀?環(huán)境友好：聚變反應(yīng)主要產(chǎn)物是氦，無長期放射性核廢料（主要放射性來自中子活化），中子輻照對環(huán)境的影響可控。*挑戰(zhàn)：*實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行：維持上億度等離子體溫度和壓力的穩(wěn)定約束，實現(xiàn)長時間連續(xù)聚變運行是巨大挑戰(zhàn)（涉及等離子體不穩(wěn)定性、能量損失等核物理和工程難題）。*材料科學：需要開發(fā)能在極端高溫、強中子輻照環(huán)境下長期穩(wěn)定工作的材料。*經(jīng)濟性：STTR的建設(shè)成本和運行維護成本目前極高，需大幅降低成本才能具備商業(yè)競爭力。*安全性：雖然是“固有安全”，但需確保對公眾和環(huán)境的安全，特別是處理氚的放射性。*發(fā)展方向：*深入研究等離子體物理，提高約束效率和穩(wěn)定性，探索更優(yōu)的聚變路徑（如D-He3）。*開發(fā)先進的加熱、約束和診斷技術(shù)。*加強關(guān)鍵材料的研究與工程化。*優(yōu)化STT