2025年大学《核物理》专业题库- 核聚变技术在军事防卫中的应用

2025年大学《核物理》专业题库——核聚变技术在军事防卫中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述原子核的组成及其主要性质。说明核力在原子核结构中所起的作用。二、定义核反应截面。解释反应截面在描述核反应过程中的作用。列举并简要说明几种主要的核反应类型。三、热核聚变需要满足哪些基本物理条件？简述实现受控核聚变的两种主要途径及其基本原理。四、核聚变反应D-T反应相比于D-D反应有哪些优势？简述D-T反应在军事应用中可能涉及的物理问题。五、磁约束聚变和惯性约束聚变各自面临哪些主要的物理和工程挑战？从核物理角度分析这些挑战的根源。六、高能激光器是利用核聚变技术的一种潜在军事应用。简述其基本工作原理，并分析其作为军事武器可能的优缺点。七、核聚变推进系统被视为未来高推重比推进器的潜在方案。简述直接聚变推进和间接聚变推进的基本概念，并讨论其在军事应用中可能面临的核物理难题。八、聚变反应产生的中子具有显著的物理效应。说明中子辐照对材料性能可能产生哪些影响？这些影响在军事装备设计中应如何被考虑？九、分析将核聚变技术应用于军事领域可能带来的战略影响。讨论技术发展对现有军事平衡和国际安全格局的潜在作用。十、结合核物理知识，论述实现安全、可控的聚变军事应用需要克服哪些关键科学和工程障碍。你认为当前在核物理层面，哪些研究方向对于突破这些障碍最为关键？试卷答案一、原子核由质子和中子组成。质子带正电，中子不带电，两者均被强大的核力束缚在原子核内。原子核的半径大致与核质量的立方根成正比。原子核具有质量、电荷、自旋、磁矩等基本性质。核力是短程力，主要作用范围在1-2费米，它克服了质子间的库仑排斥力，使原子核得以稳定存在。二、核反应截面是描述一个靶核在单位面积、单位时间内发生某种核反应的概率大小的物理量，其单位通常为靶恩（b）。反应截面在核反应中起着桥梁作用，它将入射粒子流与靶核发生反应的几率与可观测到的反应产物（如散射粒子、出射粒子）的角分布、能量分布等联系起来。主要的核反应类型包括：核散射（弹性散射和非弹性散射）、核衰变（α衰变、β衰变、γ衰变）、人工核反应（如轰击靶核产生新核）和核聚变（轻核结合成较重核）。三、热核聚变需要满足：足够高的温度（使核具有足够的动能克服库仑势垒）、足够的等离子体密度（提高反应几率）、足够长的约束时间（使反应粒子有足够时间发生反应）。实现受控核聚变的两种主要途径是：磁约束聚变（利用强磁场将高温等离子体约束在特定空间内，如托卡马克装置）；惯性约束聚变（利用强大的激光束或粒子束从各个方向均匀轰击小型聚变燃料靶丸，使其内爆、压缩、加热到聚变条件，并在燃料烧尽前发生聚变反应）。四、D-T反应的优势在于：反应门槛能最低（约0.02MeV），反应截面最大（特别是热中子截面），反应产物主要是α粒子（氦核）和具有巨大能量的中子，α粒子不易引起材料活化，中子能量高可用于多种军事目的。军事应用中可能涉及的物理问题包括：中子辐照对材料损伤和活化、反应中产生的γ射线、如何有效约束高能中子和α粒子、反应的自持燃烧问题等。五、磁约束聚变的主要挑战有：实现稳定的高温等离子体约束（如托卡马克中的模态不稳定性）、维持足够长的时间（能量约束时间与体积的平方根成反比）、材料科学挑战（等离子体与材料的相互作用、耐高温高压辐照）。惯性约束聚变的主要挑战有：精确控制激光束/粒子束的能量、均匀性和聚焦质量、实现燃料靶丸的完美压缩和对称性、提高反应效率（将输入能量有效转化为聚变能量）。六、高能激光器（聚变驱动激光器）的基本工作原理是：利用核聚变反应（通常是D-T反应）产生的极高温度（如X射线辐射）或直接产生的高能粒子束（如聚变中子轰击靶材产生快电子）作为能源，驱动强大的激光系统。作为军事武器，其优点可能包括：能量密度高、响应速度快、可远程精确打击、潜在的定向能攻击能力。缺点可能涉及：系统庞大复杂、能源供应和运输困难、易受敌方干扰或反制、技术成熟度和可靠性等。七、直接聚变推进的概念是：将聚变燃料直接置于推进器中，聚变反应产生的热高压气体或高能粒子直接膨胀产生推力。间接聚变推进的概念是：聚变反应产生高能中子或X射线，这些能量传递给“吸收器”靶材，靶材被加热膨胀，将能量转化为向外喷射的等离子体产生的推力。军事应用中可能面临的核物理难题包括：如何将聚变反应能量高效、直接地转化为推力（直接）或如何有效地将中子/X射线能量传递给靶材并转化为推力（间接）、如何处理聚变反应产生的强烈辐射和带电粒子对推进器结构和航天员的损伤、实现小型化和高效率的聚变反应包。八、中子辐照对材料可能产生的影响包括：核反应损伤（产生点缺陷、位错等晶体缺陷，导致材料embrittlement变脆）、核嬗变（使材料原子转变为其他元素，可能改变材料成分和性质，引入放射性）、辐照硬化（在某些材料中，辐照可能导致相变或晶格畸变，反而提高强度，但通常伴随脆化）、辐射腐蚀（加速腐蚀过程）。在军事装备设计中应考虑选择耐辐照材料、优化材料结构以减轻辐照损伤、设计有效的辐射屏蔽、对辐照效应进行预测和评估。九、核聚变技术应用于军事领域可能带来的战略影响包括：可能引发新的军备竞赛（“聚变武器”或先进的聚变能源武器化），导致战略平衡被打破；可能极大地改变战争形态和方式（如超高速飞行器、强大的定向能武器）；提升国家军事实力和威慑能力，加剧国际关系紧张；带来前所未有的安全和扩散风险（聚变技术的复杂性和独特性可能使其难以完全控制）；促进相关科技发展，但也可能挤占民用科技投入。十、实现安全、可控的聚变军事应用需要克服的关键科学和工程障碍包括：如何实现净能量增益并提高能量转换效率、如何实现长时间稳定的高参数等离子体约束或有效的燃料压缩、如何发展能够承受极端物理条件（高温、高压、强辐射）的先进材料、如何实现聚变装置的小型化和轻量化以适应军事需