2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——核物理在航天技術中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共30分。請將正確選項填在括號內(nèi)。）1.在深空探測器中，放射性同位素熱源（RTG）主要利用哪種核過程產(chǎn)生的熱來發(fā)電？A.核裂變B.核聚變C.放射性衰變D.核衰變鏈2.目前空間任務中常用的放射性同位素富集度最高的燃料是？A.U-235B.Pu-238C.Am-241D.Ra-2263.核熱推進（NTP）系統(tǒng)與放射性同位素熱源（RTG）的主要區(qū)別在于？A.使用不同的放射性同位素B.能量轉換方式不同C.主要用于不同類型的航天器D.都不產(chǎn)生輻射4.伽馬射線天文臺利用核物理原理探測來自宇宙的高能伽馬射線，其核心部件通常是什么類型探測器？A.質(zhì)譜儀B.半導體探測器C.閃爍體探測器D.核輻射成像板5.航天器需要輻射屏蔽的主要原因是？A.防止太陽風磨損B.保護航天員免受宇宙射線和放射性裝置自身輻射的傷害C.減少通訊信號衰減D.防止設備過熱6.根據(jù)衰變定律，放射性同位素的活度隨時間如何變化？A.線性減少B.指數(shù)減少C.先快后慢減少D.保持不變7.RTG將放射性衰變產(chǎn)生的熱能轉化為電能，通常采用哪種能量轉換方式？A.熱電轉換B.光電轉換C.化學能轉換D.機械能轉換8.在核反應堆作為航天器動力源的概念研究中，其主要優(yōu)勢是？A.推力大B.無需放射性同位素C.可持續(xù)補充燃料D.啟動速度快9.用于監(jiān)測太陽粒子事件（SPE）的空間探測器，其主要探測對象是？A.伽馬射線B.X射線C.高能質(zhì)子和重離子D.中微子10.航天器上使用Pu-238作為RTG燃料的關鍵原因之一是？A.半衰期適中B.衰變熱高且穩(wěn)定C.易于富集D.輻射穿透力強二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.核物理在航天技術中的主要應用領域包括放射性同位素__________和__________。2.放射性同位素熱源（RTG）通常由放射性同位素、熱電轉換裝置、熱沉和__________組成。3.航天器需要防護的主要空間輻射包括銀河宇宙射線、太陽風粒子以及航天器自身攜帶的__________輻射。4.利用核物理原理探測天體發(fā)射的__________和__________是空間天體物理學的重要手段。5.核聚變推進技術被認為是未來高推重比航天動力的理想選擇，其基本原理是利用輕核發(fā)生__________反應釋放巨大能量。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述放射性同位素熱源（RTG）將衰變熱轉化為電能的基本過程。2.與化學電池相比，簡述放射性同位素電源（RTG）在深空探測任務中的主要優(yōu)勢。3.說明為何宇宙射線對航天器和航天員構成威脅，并簡述輻射防護的基本原理。4.簡述利用核探測技術進行空間環(huán)境監(jiān)測（如監(jiān)測太陽活動）的基本思路。四、計算題（每題10分，共20分。請列出計算步驟并給出結果。）1.某深空探測任務使用的RTG含有1500克Pu-238，假設Pu-238的富集度為90%，其半衰期為87.7年。請計算該RTG初始活度（單位：居里），并估算其工作30年后的剩余活度（假設衰變常數(shù)λ與初始時刻相同）。（提示：1克Pu-238的初始活度約為9.5×10^10Bq）2.假設一個航天器需要將1kW的熱能通過熱電轉換裝置效率為5%轉換為電能。請計算該裝置需要接收多少功率的衰變熱？產(chǎn)生的電功率是多少？五、論述題（10分。請結合所學知識，回答下列問題。）當前，將核裂變反應堆或小型核反應堆應用于深空探測或月球/火星基地供能的設想存在哪些主要的工程挑戰(zhàn)和技術難點？請選擇其中一兩個方面進行詳細論述。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.C5.B6.B7.A8.C9.C10.B二、填空題1.熱源，探測2.控制系統(tǒng)3.核4.X射線，伽馬射線5.聚變?nèi)⒑喆痤}1.解析思路：RTG核心是放射性同位素（如Pu-238）發(fā)生衰變（通常為α衰變）釋放熱能，這些熱能傳遞給熱沉。熱電轉換裝置（熱電偶）利用塞貝克效應，將熱端和冷端之間的溫差直接轉換為電能輸出。2.解析思路：RTG優(yōu)勢在于壽命極長（利用放射性半衰期），無需外部能源維持運行，功率穩(wěn)定可靠，可適應極端溫度環(huán)境，且結構相對簡單。相比之下，化學電池壽命有限，功率較小，受溫度影響大，需頻繁更換或充電。3.解析思路：宇宙射線包含高能帶電粒子，能引起材料損傷、設備故障，并可能對人體細胞造成輻射損傷。輻射防護原理是利用屏蔽材料（如氫化物、水、混凝土等）吸收或散射射線，減少到達航天員和設備的輻射劑量。4.解析思路：利用核探測器（如蓋革計數(shù)器、閃爍探測器等）接收空間環(huán)境中的帶電粒子或伽馬射線。通過測量射線的能量譜、強度、時間分布等信息，可以分析太陽活動、宇宙射線譜、輻射環(huán)境特征等。四、計算題1.解析思路：步驟1：計算Pu-238的質(zhì)量分數(shù)。1500克*90%=1350克。步驟2：計算初始活度。1350克*9.5×10^10Bq/克=1.275×10^14Bq。步驟3：將活度單位轉換為居里。1.275×10^14Bq/3.7×10^10Bq/Ci≈3440Ci。步驟4：計算30年的衰變常數(shù)λ。λ=ln(2)/T?=ln(2)/87.7年≈0.00789/年。步驟5：計算30年后的剩余活度。A(t)=A?*e^(-λt)。A(30)=3440Ci*e^(-0.00789/年*30年)≈3440Ci*e^(-0.2367)≈3440Ci*0.788≈2718Ci。結果：初始活度約為3440Ci，30年后剩余活度約為2718Ci。2.解析思路：步驟1：根據(jù)能量轉換效率計算所需熱能。所需衰變熱=電功率/效率=1kW/5%=1kW/0.05=20kW。步驟2：計算產(chǎn)生的電功率。產(chǎn)生的電功率=輸入熱能*效率=20kW*5%=20kW*0.05=1kW。結果：需要接收20kW的衰變熱，產(chǎn)生的電功率為1kW。五、論述題解析思路：選擇工程挑戰(zhàn)或技術難點方向，如“核反應堆的熱管理”。論述要點：1.核反應堆產(chǎn)生巨大熱量，在有限空間內(nèi)如何有效導出多余熱量以維持反應堆安全穩(wěn)定運行是巨大挑戰(zhàn)。需要高效散熱系統(tǒng)，如散熱器、熱管等。2.深空或地外環(huán)境溫差極大