2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫(kù)——核聚變反應(yīng)在能源領(lǐng)域的應(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)的代表字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。）1.下列哪一項(xiàng)不是核聚變區(qū)別于核裂變的主要特征？A.釋放的能量源于原子核的結(jié)合能B.反應(yīng)產(chǎn)物通常具有比反應(yīng)物更高的原子序數(shù)C.需要極高的溫度和壓力條件才能發(fā)生D.可以利用地球上取之不盡的氫同位素作為燃料2.在D-T（氘氚）核聚變反應(yīng)中，釋放的核能主要轉(zhuǎn)化為哪種粒子的動(dòng)能？A.氦-4核B.中子C.質(zhì)子D.電子3.勞森判據(jù)是判斷磁約束聚變等離子體能否實(shí)現(xiàn)凈能量增益的關(guān)鍵條件之一，它描述了以下哪個(gè)物理量？A.等離子體溫度B.等離子體密度C.等離子體能量約束時(shí)間與離子特征運(yùn)動(dòng)時(shí)間的比值D.聚變反應(yīng)的Q值4.與D-T反應(yīng)相比，P-11（氘氦-3）核聚變反應(yīng)的主要優(yōu)勢(shì)在于？A.燃料更易獲得B.產(chǎn)生的中子注量更低C.理論上可實(shí)現(xiàn)的Q值更高D.反應(yīng)截面在低能區(qū)更大5.在托卡馬克型聚變裝置中，用于約束高溫等離子體的主要力是？A.核力B.庫(kù)侖斥力C.磁場(chǎng)力D.離子慣性力6.慣性約束聚變（ICF）技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是？A.如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的等離子體電流驅(qū)動(dòng)B.如何高效地將聚變產(chǎn)生的中子能量轉(zhuǎn)化為電能C.如何在極高的溫度和密度下實(shí)現(xiàn)聚變?nèi)剂系挠行嚎s和燃燒D.如何解決聚變堆的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題7.核聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子輻射對(duì)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)和材料的主要損傷機(jī)制是？A.伽馬射線輻照B.熱負(fù)荷C.中子輻照損傷（包括輻照脆化、embrittlement）D.質(zhì)子濺射8.下列哪一項(xiàng)不是實(shí)現(xiàn)核聚變能源應(yīng)用所必須克服的技術(shù)難題？A.等離子體約束與加熱B.氘氚燃料的制備與循環(huán)C.聚變中子屏蔽D.實(shí)現(xiàn)燃料的核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)9.從核物理角度看，核聚變能被視為一種清潔能源，其主要原因之一是？A.反應(yīng)過(guò)程中不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性核廢料B.燃料來(lái)源極其廣泛C.反應(yīng)過(guò)程不產(chǎn)生溫室氣體D.能量轉(zhuǎn)換效率非常高10.評(píng)估一個(gè)聚變堆概念設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，通常會(huì)考慮哪些因素？（多選，請(qǐng)將正確選項(xiàng)的代表字母填在題后括號(hào)內(nèi)）A.理論能量增益因子（Q值）B.燃料循環(huán)效率C.堆芯材料的中子損傷容限D(zhuǎn).經(jīng)濟(jì)性（建造成本、運(yùn)行成本、發(fā)電成本）二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題中橫線上。）1.核聚變發(fā)生的必要物理?xiàng)l件包括______、______和______。2.D-T核聚變反應(yīng)的反應(yīng)方程式為______→______+______+Q，其中Q代表______。3.在磁約束聚變中，為了維持等離子體電流，通常需要利用______來(lái)實(shí)現(xiàn)等離子體的環(huán)形運(yùn)動(dòng)。4.慣性約束聚變中，驅(qū)動(dòng)聚變?nèi)剂蠅嚎s的主要能量形式是______。5.聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子會(huì)與反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生具有放射性的______，這是中子屏蔽設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵因素。6.核聚變?nèi)剂涎h(huán)的主要挑戰(zhàn)之一是如何高效地分離和提純______和______。7.核聚變產(chǎn)生的能量最終主要通過(guò)______過(guò)程轉(zhuǎn)化為電能。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分。）1.簡(jiǎn)述核聚變與核裂變?cè)诜磻?yīng)產(chǎn)物、能量釋放機(jī)制和燃料資源方面的主要區(qū)別。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明托卡馬克和仿星器這兩種磁約束聚變構(gòu)型的主要區(qū)別和各自的優(yōu)勢(shì)。3.列舉并簡(jiǎn)要說(shuō)明核聚變能源應(yīng)用面臨的三個(gè)主要科學(xué)或技術(shù)挑戰(zhàn)。四、計(jì)算題（共15分。）1.D-T核聚變反應(yīng)（2H+3H→?He+n）中，氘（2H）和氚（3H）的原子質(zhì)量分別為2.014102u和3.016049u，中子（n）的質(zhì)量為1.008665u，氦-4（?He）的質(zhì)量為4.002603u。計(jì)算該反應(yīng)的Q值（單位：MeV）。提示：1u的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量約為931.5MeV/c2。五、論述題（10分。）結(jié)合核物理的基本原理，論述核聚變能作為未來(lái)清潔能源的潛力和面臨的重大挑戰(zhàn)，并簡(jiǎn)述實(shí)現(xiàn)其商業(yè)應(yīng)用可能需要突破的關(guān)鍵技術(shù)方向。試卷答案一、選擇題1.B解析：核聚變主要特征是釋放結(jié)合能，通常產(chǎn)物原子序數(shù)降低（如D-T產(chǎn)生He），需要高能條件，燃料（氘）取之不盡。B選項(xiàng)錯(cuò)誤，裂變產(chǎn)物原子序數(shù)通常降低。2.B解析：D-T反應(yīng)方程為2H+3H→?He+n+17.6MeV。釋放的能量主要轉(zhuǎn)化為中子(n)的動(dòng)能，氦-4核動(dòng)能相對(duì)較小。3.C解析：勞森判據(jù)描述的是約束參數(shù)（β）與能量約束時(shí)間（τ_E）和離子特征運(yùn)動(dòng)時(shí)間（τ_c）的乘積，即η=(τ_E/τ_c)*β≥1，核心是能量約束時(shí)間與離子運(yùn)動(dòng)時(shí)間的比值。4.B解析：D-T中子能量高，材料活化嚴(yán)重；P-11中子能量低，幾乎無(wú)中子產(chǎn)生，對(duì)材料損傷小，這是其主要優(yōu)勢(shì)。A錯(cuò)誤，氘易得，氚不易。C錯(cuò)誤，P-11Q值約70，低于D-T的17.6。D錯(cuò)誤，D-D截面在低能區(qū)小，且反應(yīng)鏈復(fù)雜。5.C解析：托卡馬克利用強(qiáng)大的外磁場(chǎng)（環(huán)向磁場(chǎng)和極向磁場(chǎng)）形成閉合磁場(chǎng)線來(lái)約束高溫等離子體。6.C解析：ICF核心挑戰(zhàn)是將激光能量有效傳遞并壓縮燃料至點(diǎn)火條件，實(shí)現(xiàn)燃料的快速升溫、壓縮和燃燒。7.C解析：中子輻照會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生嬗變，產(chǎn)生間隙原子和點(diǎn)缺陷，引起材料輻照硬化、脆化、性能退化。8.D解析：A、B、C均是聚變堆的關(guān)鍵技術(shù)難題。D選項(xiàng)描述的是核裂變過(guò)程，核聚變是利用核結(jié)合能釋放能量。9.A解析：核聚變主要產(chǎn)生中子，中子與材料反應(yīng)生成放射性核素，這些核素有半衰期，是長(zhǎng)壽命放射性廢料。B正確但非核心原因。C正確但非物理本質(zhì)。D與裂變堆類似，聚變效率也需提高。10.ABCD解析：評(píng)估聚變堆設(shè)計(jì)需全面考慮物理性能（Q值、約束）、工程可行性（材料、燃料循環(huán)）、經(jīng)濟(jì)性（成本）等多個(gè)維度。二、填空題1.高溫高壓/高密度穩(wěn)定約束解析：核聚變需要克服原子核的庫(kù)侖斥力，需極高溫度提供粒子動(dòng)能；需足夠密度保證反應(yīng)概率；需穩(wěn)定約束保證反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。2.2H+3H→?He+n+Q解析：書寫核反應(yīng)方程需遵守質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。Q代表釋放的能量。3.等離子體電流解析：在托卡馬克中，環(huán)形磁場(chǎng)使等離子體自身帶有環(huán)向電流，該電流產(chǎn)生的極向磁場(chǎng)是主要的約束磁場(chǎng)之一（皮拉尼效應(yīng)）。4.激光能量解析：ICF通過(guò)強(qiáng)大的激光束轟擊聚變?nèi)剂习型?，將光能轉(zhuǎn)化為燃料的內(nèi)能。5.嬗變產(chǎn)物解析：中子與反應(yīng)堆材料核反應(yīng)，生成新的放射性核素，即嬗變產(chǎn)物。6.氘氚解析：氘易獲?。êＫ?，氚需要通過(guò)鋰增殖（Li+n→He+3T）或同位素分離獲得，是聚變?nèi)剂涎h(huán)的瓶頸。7.熱機(jī)解析：聚變產(chǎn)生大量中子攜帶能量，中子將能量傳遞給反應(yīng)堆冷卻劑，冷卻劑驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，屬于熱機(jī)循環(huán)。三、簡(jiǎn)答題1.答：①產(chǎn)物：聚變產(chǎn)物原子序數(shù)通常降低（輕核變重核），裂變產(chǎn)物原子序數(shù)可變（重核變中等核）；②機(jī)制：聚變釋放結(jié)合能，裂變釋放結(jié)合能差；③燃料：聚變?nèi)剂希?、氚）?lái)源廣泛且輕，裂變?nèi)剂希ㄢ?、钚）相?duì)稀缺且重，部分為放射性。(任答對(duì)兩點(diǎn)即可)2.答：托卡馬克利用強(qiáng)磁場(chǎng)將等離子體約束在環(huán)形容器中，主要依靠等離子體自身電流產(chǎn)生的極向磁場(chǎng)和外部施加的環(huán)向磁場(chǎng)；仿星器（ST）設(shè)計(jì)上增加了偏濾器，利用磁場(chǎng)曲率中心線處的特殊幾何結(jié)構(gòu)來(lái)約束高旋轉(zhuǎn)角向流的等離子體，具有更好的垂直穩(wěn)定性。(任答對(duì)兩點(diǎn)即可)3.答：①實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)間高溫等離子體約束與加熱；②高效、低成本的氘氚燃料制備、循環(huán)與增殖技術(shù)；③耐高溫、高輻照、抗輻照損傷的先進(jìn)材料研發(fā)與制造。(任答對(duì)三點(diǎn)即可)四、計(jì)算題1.解：Q=(m(2H)+m(3H)-m(?He)-m(n))*c2Q=(2.014102u+3.016049u-4.002603u-1.008665u)*931.5MeV/uQ=(5.030151u-5.011268u)*931.5MeV/uQ=0.018883u*931.5MeV/uQ≈17.59MeV答：該反應(yīng)的Q值約為17.59MeV。五、論述題答：核聚變能作為未來(lái)清潔能源潛力巨大，其燃料（氘、氚）來(lái)源廣泛（氘取自海水，氚可增殖），反應(yīng)過(guò)程不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命核廢料（主要產(chǎn)生活化材料），且?guī)缀醪划a(chǎn)生溫室氣體，能量密度極高。然而，實(shí)現(xiàn)其商業(yè)應(yīng)用面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：①物理挑戰(zhàn)，如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)