2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——超高溫等離子體物理學的挑戰(zhàn)與機遇考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.簡述超高溫等離子體的基本特征及其與普通物質(zhì)狀態(tài)的主要區(qū)別。2.解釋等離子體狀態(tài)方程的基本思想，并說明在極高溫度下其形式有何特點。3.定義朗道長度和德拜長度，并說明它們分別表征了等離子體的哪種物理特性？兩者之間有何關(guān)系？二、4.闡述磁約束等離子體中阿爾文波的傳播條件和主要作用。試分析阿爾文波如何影響等離子體的能量輸運。5.簡述托卡馬克裝置實現(xiàn)磁約束聚變的基本原理。指出其設(shè)計中面臨的主要不穩(wěn)定性問題之一，并簡述其物理成因。6.慣性約束聚變（ICF）與磁約束聚變（MCF）在約束原理、約束方式和主要挑戰(zhàn)上存在哪些顯著不同？三、7.什么是等離子體的輸運？區(qū)分熱輸運和異常輸運，并各舉一例說明其可能存在的物理機制。8.在磁約束聚變裝置中，等離子體與器壁的相互作用會帶來哪些主要問題？簡述中性束注入（NBI）或粒子束注入（PBI）作為一種輔助加熱和等離子體診斷手段的基本原理及其作用。9.從能量平衡的角度，分析維持托卡馬克等離子體穩(wěn)定運行所需要克服的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。四、10.結(jié)合核反應(yīng)動力學，說明在聚變反應(yīng)中，反應(yīng)截面、反應(yīng)溫度和反應(yīng)物密度如何影響聚變反應(yīng)功率的產(chǎn)生？11.論述超高溫等離子體物理學研究對于推動清潔能源發(fā)展的重大意義。指出實現(xiàn)可控核聚變能源面臨的主要科學和工程障礙。12.超高溫等離子體研究除了在核聚變領(lǐng)域，還有哪些潛在的應(yīng)用前景？請至少列舉兩個不同領(lǐng)域的應(yīng)用方向，并簡述其基本原理。試卷答案一、1.超高溫等離子體指溫度達到數(shù)百萬甚至數(shù)十億開爾文的完全電離或高度電離的氣體。其特征是電子和離子數(shù)量遠超中性粒子，整體呈電中性，存在大量自由移動的帶電粒子。與固體、液體、氣體等物質(zhì)狀態(tài)相比，其最顯著的區(qū)別在于粒子（尤其是電子）具有極高的動能，且電荷分離導致其能被電磁場顯著影響和約束。2.等離子體狀態(tài)方程描述了等離子體壓力（或能量密度）與其溫度、密度等狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系。在極高溫度下，粒子間的庫侖相互作用相對較弱，粒子動能占主導，狀態(tài)方程通常近似為理想氣體狀態(tài)方程形式，即壓力正比于粒子數(shù)密度和絕對溫度的某種函數(shù)（具體形式取決于粒子種類和是否考慮粒子間相互作用）。3.朗道長度（λ_L）是指在強磁場中，電子動能損失與磁場作用達到平衡時的特征距離，表征了磁場對電子運動的局域化效應(yīng)或“回旋半徑”的標度。德拜長度（λ_D）是指等離子體中電荷密度（或溫度）的不均勻性因靜電相互作用而受到屏蔽的最大特征距離，表征了等離子體屏蔽能力的尺度。兩者關(guān)系通常為λ_L<<λ_D，意味著磁場對電子運動有更強的局域效應(yīng)。二、4.阿爾文波是在磁化等離子體中傳播的磁聲波（或稱磁擾動），其傳播速度等于離子（或電子）的回旋頻率與磁場強度之比（或其平方根）。它主要依靠離子聲波的動量傳遞來維持。阿爾文波可以攜帶能量和動量，當它與等離子體中的不穩(wěn)定性或邊界相互作用時，能夠?qū)Φ入x子體的溫度、密度分布以及整體約束性能產(chǎn)生顯著影響，例如可能導致能量從核心向外輸運。5.托卡馬克裝置利用強磁場（主要是垂直于等離子體環(huán)向的環(huán)向磁場和螺旋向磁場）將高能量密度的等離子體約束在一個環(huán)狀區(qū)域內(nèi)，利用洛倫茲力使其繞磁力線旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)長時間穩(wěn)定約束。其主要面臨的挑戰(zhàn)之一是破裂模（BreakdownMode），這是一種由小尺度擾動觸發(fā)、迅速發(fā)展、導致等離子體能量和粒子大量損失并可能損壞器壁的嚴重不穩(wěn)定性。其物理成因通常與等離子體電流不穩(wěn)定性、小尺度模耦合有關(guān)。6.慣性約束聚變（ICF）通過高能束（激光或粒子束）均勻輻照聚變?nèi)剂习型?，使其?nèi)爆、壓縮到極高密度和溫度，在燃料自身慣性消失前發(fā)生聚變反應(yīng)。其約束方式是利用燃料自身的慣性。主要挑戰(zhàn)包括：精確控制束斑與靶丸的匹配、實現(xiàn)均勻高效的壓縮、克服反沖壓力、提高反應(yīng)增益和效率等。磁約束聚變（MCF）則是利用磁場約束高溫等離子體，依靠外部加熱系統(tǒng)維持反應(yīng)條件。其約束方式是磁場。主要挑戰(zhàn)包括：實現(xiàn)長時間穩(wěn)定約束、控制等離子體不穩(wěn)定性、降低異常輸運、處理高熱負荷和強中子輻照等問題。三、7.等離子體輸運是指等離子體中的粒子、能量或動量從高濃度（或高溫）區(qū)域向低濃度（或低溫）區(qū)域擴散或流動的現(xiàn)象。熱輸運是能量輸運的主要方式，包括傳導、輻射和對流等機制。異常輸運是指在某些條件下（如湍流存在時）觀察到的遠超經(jīng)典理論預測的輸運系數(shù)，其具體物理機制復雜多樣，可能與微尺度不穩(wěn)定性、湍流結(jié)構(gòu)等有關(guān)。8.等離子體與器壁的相互作用會導致材料濺射、高熱負荷損傷、產(chǎn)生雜質(zhì)污染（影響聚變反應(yīng)效率）、以及通過不對稱的散射改變等離子體邊界條件等。中性束注入（NBI）利用高能中性粒子束轟擊等離子體，可提供高效的加熱（通過離子-離子碰撞傳遞能量）、驅(qū)動自磁擾動（E×B漂移）以改善傳熱、以及作為診斷工具（通過電荷交換截面）。粒子束注入（PBI）類似NBI，但直接注入荷電粒子，能量傳遞和粒子注入效果可能不同，也可用于加熱和診斷。9.維持托卡馬克等離子體穩(wěn)定運行的關(guān)鍵能量平衡挑戰(zhàn)在于：如何持續(xù)有效地補充由各種耗散過程（如不穩(wěn)定性、電阻、各種輸運）損失的能量，同時又要精確控制能量分布（如避免形成高熱流區(qū)導致局部損壞），并維持足夠高的能量密度和約束時間以實現(xiàn)凈能量增益。這需要復雜的加熱系統(tǒng)（如NBI、射頻波加熱）和精確的反饋控制。四、10.超高溫等離子體物理學研究對于推動清潔能源發(fā)展的核心在于可控核聚變。通過研究，科學家們可以優(yōu)化聚變反應(yīng)條件（如溫度、密度、約束時間），提高反應(yīng)功率密度和能量增益（Q值）。理解核反應(yīng)動力學有助于精確預測反應(yīng)產(chǎn)額（α粒子、中子、γ射線）和反應(yīng)率，這對于設(shè)計高效、安全的聚變堆至關(guān)重要。實現(xiàn)可控聚變需要克服的主要科學障礙包括：如何長期穩(wěn)定約束高能量密度等離子體、如何高效地將能量注入并約束住等離子體、如何處理由聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子對材料造成的損傷等。工程障礙則包括建造和運行大型、復雜、昂貴的實驗裝置（如ITER）的技術(shù)挑戰(zhàn)、成本控制以及材料科學的發(fā)展需求。11.超高溫等離子體物理學研究的意義在于其是實現(xiàn)清潔、安全、近乎無限的聚變能源的關(guān)鍵科學基礎(chǔ)。聚變能具有燃料來源廣泛（氘、氚易于獲取）、反應(yīng)過程無污染（主要產(chǎn)物是穩(wěn)定的氦）、固有安全性高等優(yōu)點。該領(lǐng)域的研究不僅直接推動著人類解決能源危機和環(huán)境問題的希望，也為探索極端狀態(tài)物質(zhì)物理、等離子體物理基本過程提供了獨特的實驗室，加深了我們對宇宙演化和基本相互作用的理解。面臨的挑戰(zhàn)主要是科學上的對等離子體物理復雜性的深刻理解不足（如異常輸運機理）和工程上的實現(xiàn)難度極大（如超導磁體技術(shù)、材料科學、遠程操作維護等）。12.超高溫等離子體研究的潛在應(yīng)用前景廣泛，除主要的核聚變能源外，還包括：在材料科學領(lǐng)域，利用高能粒子和等離子體環(huán)境進行材料改性、沉積、加工；在空間物理領(lǐng)域，研究太陽活動、行星磁層、星際介質(zhì)等天體物