2025年大学《核物理》专业题库- 核裂变与核聚变的区别与应用

2025年大学《核物理》专业题库——核裂变与核聚变的区别与应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项前的字母填在答题卡相应位置。）1.下列哪种核过程是指重核在中子轰击下分裂成两个或多个中等质量的核，并释放能量？A.核聚变B.核衰变C.核裂变D.核嬗变2.在核裂变过程中，通常伴随释放的粒子是？A.质子B.电子C.中子D.正电子3.核聚变主要发生在？A.地球上的核电站B.太阳等恒星内部C.核武器爆炸初期D.天然放射性矿脉4.以下哪种核反应原料是实现核聚变的主要选择？A.铀-235B.钚-239C.氘和氚D.锂-65.核裂变和核聚变都能释放能量的根本原因是？A.核子数的变化B.核外电子的跃迁C.反应产物的总结合能大于反应物的总结合能D.中子的激发能6.与核聚变相比，核裂变的主要缺点之一是？A.反应条件更容易实现B.产生的能量密度较低C.放射性废料半衰期较短D.安全性更高7.能够直观反映原子核稳定性的曲线是？A.放射性衰变曲线B.核子平均结合能曲线C.核反应Q值曲线D.中子俘获截面曲线8.下列哪个过程是太阳能产生能量的主要方式？A.核子结合B.核裂变C.核聚变D.放射性衰变9.核电站利用核能发电，其主要利用的是？A.核聚变释放的热量B.核衰变释放的射线C.核裂变链式反应释放的热量D.核聚变链式反应释放的热量10.目前核聚变能作为常规能源大规模应用面临的主要技术挑战是？A.聚变原料（氘、氚）的获取困难B.聚变反应产生的中子辐照问题C.如何在地球上长期稳定地维持上亿度的高温等离子体D.聚变反应堆的成本过高二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在答题卡相应位置。）1.核裂变过程中，重核吸收一个中子后分裂成两个（或多个）中等质量的核，同时释放出多余的中子和巨大的能量，这个过程通常称为__________。2.核聚变是指两个或多个轻原子核在__________条件下结合成一个较重的原子核，并释放出能量的过程。3.衡量原子核稳定性的重要物理量是__________，其数值越大，表示原子核越稳定。4.核反应过程中，反应前后质量的变化所对应的能量变化遵循爱因斯坦的质能方程__________。5.目前世界上运行的核电站主要利用__________核的链式反应来产生热能，进而发电。6.实现核聚变需要克服的主要困难包括获得极高的温度（达到__________以上）和足够的压力，以克服原子核之间的库仑排斥力。7.核裂变产生的长寿命放射性核废料对环境构成潜在威胁，其处理是一个重要的技术难题，通常采用__________等方式进行处理。8.氘（²H）和氚（³H）是实现核聚变的最常用的燃料，它们分别是由氢的同位素氢（¹H）经过__________和__________（或氚自身衰变）产生的。9.与核裂变相比，核聚变反应的产物放射性__________，且能量密度更高。10.探索可控核聚变能的最终目标是实现__________，即在受控的条件下持续输出聚变能量，并使能量输出大于维持反应所需的能量输入。三、简答题（每小题5分，共15分。请将答案写在答题卡相应位置。）1.简述核裂变链式反应得以持续进行的基本条件。2.比较核裂变和核聚变在反应产物放射性方面的主要差异。3.简要说明为什么核聚变能被认为是极具潜力的未来能源。四、计算题（每小题10分，共20分。请写出必要的公式、计算步骤和结果。）1.已知铀-235（U-235）的原子量为235.0439u，中子质量为1.0087u，锶-90（Sr-90）的原子量为89.9077u，氙-144（Xe-144）的原子量为143.9101u，中子质量仍为1.0087u。计算U-235吸收一个慢中子发生裂变生成Sr-90和Xe-144时，该核反应的Q值。（提示：1u的质量相当于约931.5MeV的能量）2.氘（²H）和氚（³H）发生核聚变反应生成氦-4（⁴He）和一个中子，反应方程为：²H+³H→⁴He+¹n。已知²H的原子量为2.0141u，³H的原子量为3.0160u，⁴He的原子量为4.0026u，中子质量为1.0087u。计算该聚变反应的Q值。五、论述题（10分。请将答案写在答题卡相应位置。）结合核裂变和核聚变的特点，讨论当前核能利用所面临的主要挑战以及未来发展方向。试卷答案一、选择题1.C2.C3.B4.C5.C6.B7.B8.C9.C10.C二、填空题1.核裂变链式反应2.极高温度和压力3.核结合能4.E=mc²5.铀6.上亿度7.长期深埋地质处置8.氘核（²H）俘获质子、氚（³H）衰变9.低10.稳定氦三、简答题1.答：核裂变链式反应得以持续进行的基本条件是：①存在足够数量的易裂变核（如U-235或Pu-239）作为裂变燃料；②中子能够被裂变核吸收；③吸收中子后引发的裂变产生的中子中，至少要有一定比例能够引起其他裂变核裂变，即中子的再生率大于或等于1。2.答：核裂变的主要产物是中等质量的原子核，这些产物核多数处于激发态，衰变时会产生一系列半衰期长短不一的放射性核素，形成复杂的放射性废料，其中包含大量长寿命核素。而核聚变的主要产物是稳定的氦核（α粒子），反应中产生的中子虽然也具有放射性，但其半衰期较短（约10分钟），且可以通过屏蔽来处理。因此，核聚变产生的放射性废料问题远小于核裂变。3.答：核聚变能被认为是极具潜力的未来能源，主要因为：①燃料来源广泛，氘可以从海水中提取，氚可以通过锂同位素（锂资源丰富）增殖获得，资源近乎无穷；②能量密度极高，单位质量聚变燃料释放的能量远大于裂变燃料；③反应产物主要是稳定的氦，放射性废料少，环境友好；④反应过程不易失控，聚变反应需要苛刻的条件才能维持，一旦条件消失反应即停止，安全性较高。四、计算题1.解：反应方程：⁹²U+⁰¹n→⁸⁹Sr+¹⁴⁴Xe+x⁰¹n根据质量数守恒：235+1=89+144+x*1=>x=3反应方程为：⁹²U+⁰¹n→⁸⁹Sr+¹⁴⁴Xe+³⁰¹n质量亏损Δm=(质量数*原子量单位质量)-产物总原子量单位质量Δm=(1*1.0087u+235.0439u)-(89.9077u+143.9101u+3*1.0087u)Δm=236.0526u-(89.9077u+143.9101u+3.0261u)Δm=236.0526u-236.8449uΔm=-0.7923uQ值=Δm*c²=-0.7923u*931.5MeV/uQ值≈-737.4MeV（注意：Q值为负，表示该反应需要吸收能量才能进行，作为吸能反应，需先克服库仑barrier，但题目仅要求计算质量亏损对应的能量，按公式计算结果为负）2.解：反应方程：²H+³H→⁴He+¹n质量亏损Δm=(质量数*原子量单位质量)-产物总原子量单位质量Δm=(2.0141u+3.0160u)-(4.0026u+1.0087u)Δm=5.0301u-5.0113uΔm=0.0188uQ值=Δm*c²=0.0188u*931.5MeV/uQ值≈17.49MeV五、论述题答：当前核能利用面临的主要挑战包括：①核裂变能的放射性废料处理问题依然严峻，长寿命核废料的安全处置缺乏广泛接受的方案；②核安全问题，特别是防止核扩散和核事故的风险；③核裂变燃料（铀）资源相对有限；④核聚变能虽然具有巨大潜力，但实现商业化的技术挑战巨大，主要是如何构建并维持稳定的高温等离子体（点火