2025年大学《核物理》专业题库- 核聚变反应堆的建造和运行方案

2025年大学《核物理》专业题库——核聚变反应堆的建造和运行方案考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（请将正确选项的字母填入括号内，每题2分，共20分）1.对于托卡马克型核聚变反应堆，实现能量增益的关键物理参数是（）。A.等离子体密度B.等离子体温度C.能量约束时间D.等离子体电流2.在核聚变反应堆中，用于吸收中子、防止活化或作为热沉的材料，通常需要具备的特性是（）。A.高熔点、高热导率、低中子活化截面B.高熔点、低热导率、高中子活化截面C.低熔点、高热导率、低中子活化截面D.低熔点、低热导率、高中子活化截面3.与磁约束聚变相比，惯性约束聚变的主要挑战在于（）。A.需要极低温的超导磁体B.等离子体约束时间和能量增益的难题C.需要极高的功率密度和能量输入D.容易产生大量的中子辐射4.核聚变反应堆中，偏滤器的主要功能是（）。A.产生等离子体B.加热等离子体C.稳定等离子体位置D.吸收高能中子和带电粒子，保护反应堆壁5.在核聚变反应堆的运行过程中，中性束注入（NBI）主要起到的作用是（）。A.冷却等离子体B.提供主要的聚变燃料C.加热等离子体，提高其温度D.控制等离子体的能量平衡6.核聚变反应堆的结构材料需要承受极端的辐照环境，辐照可能导致材料发生的主要损伤机制包括（）。A.相变和脆化B.蠕变和疲劳C.损伤和活化D.膨胀和embrittlement(脆化)7.对于一个理想的聚变堆，其能量转换效率主要取决于（）。A.加热系统的效率B.热传导效率C.热电转换或热机发电系统的效率D.等离子体约束的效率8.核聚变反应堆运行中，需要精确控制等离子体的位置和形状，这主要依靠（）。A.磁体系统B.加热系统C.等离子体诊断系统D.等离子体反馈控制系统9.与裂变反应堆相比，核聚变反应堆在安全方面的一个显著优势是（）。A.中子辐射水平更低B.无长期高放射性核废料C.遏制堆芯熔毁的可能性D.系统固有安全性更高10.在核聚变反应堆的材料选择中，对“低活化”材料的要求是（）。A.材料在辐照后不易产生放射性同位素B.材料在辐照后放射性同位素的衰变半衰期短C.材料本身天然放射性水平低D.材料辐照后仍能保持良好的力学性能二、简答题（请简洁明了地回答下列问题，每题5分，共20分）1.简述磁约束聚变中，托卡马克装置实现等离子体约束的主要物理原理。2.简述核聚变反应堆中，反应堆结构材料面临的主要工程挑战及其相关的核物理问题。3.简述核聚变反应堆运行过程中，实现等离子体位置和形状控制的基本方法。4.简述核聚变反应堆中，热电转换系统将热能转化为电能的基本原理。三、计算题（请列出必要的公式、方程和计算步骤，每题10分，共30分）1.已知D-T聚变反应为：D+T→He-4+n，反应中子能量为14.1MeV，氦-4核能量为3.52MeV。假设反应释放的能量全部转化为中子和氦核的动能，且忽略反应前的动能。计算该反应释放的总能量（Q值）。2.某聚变堆磁体系统产生的磁场为5.0T，约束的等离子体环直径为8.0m。估算该磁场对等离子体环中心产生的洛伦兹力（假设等离子体电流沿环径向均匀分布，环周长为等离子体路径长度）。3.假设某聚变堆的反应堆壁材料为一种活化材料，其初始比活度为1.0×10^5Bq/g。在运行1年（365天）后，测量该材料的比活度为2.0×10^5Bq/g。假设材料在运行期间受到的核通量基本恒定，且材料的衰变链相对简单。估算该材料中产生的主要放射性同位素的平均半衰期。四、论述题（请结合所学知识，对下列问题进行深入分析和阐述，每题10分，共20分）1.论述核聚变反应堆在建造过程中面临的主要技术挑战，并分析克服这些挑战可能的技术途径。2.论述核聚变反应堆运行维护的复杂性，并分析如何通过设计和技术手段提高其运行可靠性和安全性。---试卷答案一、选择题1.C2.A3.C4.D5.C6.C7.C8.D9.B10.A二、简答题1.解析思路：托卡马克利用强磁场产生螺旋形磁力线来约束带电的等离子体。具体来说，利用环向磁场（垂直于等离子体环的平面）产生回旋运动，将带电粒子约束在磁力线螺旋轨道上；利用纵向磁场（沿环向）提供轴向约束。同时，等离子体自身的电流产生的极向磁场（与环向磁场叠加）进一步增强约束力，形成“磁瓶”效应，限制等离子体向外扩散。2.解析思路：主要挑战包括：1)辐照损伤：高能中子和带电粒子导致材料原子位移损伤、产生缺陷，可能引起材料相变、脆化、蠕变加速。2)活化：中子与材料原子核反应，产生放射性同位素，导致材料放射性增强，带来安全风险、屏蔽要求和长期维护问题。3)热负荷：高温等离子体与壁相互作用产生巨大热负荷，要求材料具备高热导率、耐高温、抗热应力。4)材料性能退化：辐照和环境（高温、辐照）可能导致材料力学性能（强度、韧性）下降。分析这些问题需要结合核物理中的反应截面、位移损伤、材料科学中的相图、辐照效应等知识。3.解析思路：主要依靠等离子体反馈控制系统。通过布置在反应堆内的各种诊断仪器（如偏滤器探头、中性粒子诊断仪等）实时监测等离子体的关键参数（如密度、温度、位置、形状等）。将这些测量信号与预设的目标值进行比较，形成误差信号，然后通过控制系统调整偏滤器电流、等离子体电流、反馈线圈电流等，产生修正磁场，从而快速、精确地控制等离子体的位置和形状，维持其稳定运行。4.解析思路：热电转换系统利用塞贝克效应工作。该效应指出，当两种不同的导电材料（构成热电偶）形成闭合回路，且两端存在温度差时，回路中会产生电动势（电压）。这个电压驱动电流，从而将热能转化为电能。在聚变堆中，反应堆壁吸收了中子能量和等离子体能量后变热，热端安装在反应堆壁上，冷端安装在冷却系统中。通过热电偶阵列将热端的热能转化为电能，再供给反应堆辅助系统使用。该系统的效率受材料性能（热电优值ZT）和温度梯度的影响。三、计算题1.解析思路：反应能量释放Q等于反应产物的总动能减去反应物的总动能。题目假设反应物动能忽略不计，则Q等于中子和氦核的动能之和。根据能量守恒和动量守恒，可以联立方程求解。或者直接使用反应能Q=(mn*mc^2+mHe*mHe^2-md*md^2-mt*mt^2)/(md+mt)，其中mn,mHe,md,mt分别是中子、氦核、氘核、氚核的静止质量。但题目直接给出中子能量和氦核能量，更直接的计算是Q=E_n+E_He=14.1MeV+3.52MeV。答案：Q=17.62MeV2.解析思路：洛伦兹力F=B*I*L，其中B是磁感应强度，I是电流，L是导线长度（此处为等离子体环的等效周长或直径相关的计算路径，题目给出直径d=8.0m，若假设电流沿直径方向，则L=d；若假设为环电流，L需根据具体路径确定，但题目未明确，此处按直径计算）。电流I与等离子体环的环向磁场B和环的面积A有关，I=σ*B*A，其中σ是等离子体电导率，A=π*(d/2)^2。但题目未给出电导率σ，此题可能存在简化或假设。若按环电流沿周长L流动，则L即为导线长度。F=B*I=B*(σ*B*A)=σ*B^2*A。更直接的模型可能是考虑等效载流环受力，F=B*I=B*(q*v/(2πr))*(2πr)=B*q*v。但题目未给粒子速度v和电荷量q。最符合题目给出的参数形式可能是简化模型或考察基本概念。按直径作为长度，F=B*I=B*(I环/(2πr))*d=B*(I环/(πd))*d=B*I环/π。此模型仍不理想。最可能的理解是考察基本公式F=BIL，假设电流I沿直径方向或环的某部分路径。答案：F=B*I=5.0T*I(其中I为环电流，单位A)或若假设I沿直径，则F=B*I=5.0T*(σ*B*A/L)=5.0T*(σ*B*π(d/2)^2/d)=5.0T*(σ*B*π*4m^2/8m)=5.0T*(π*B*σ*m)=5.0T*(π*5.0T*σ*π*4m^2/8m)=5.0T*(π^2*5.0T*σ*2m)=50π^2T^2*σ*m(m为环的半径)。由于缺少σ和明确路径，此结果带有假设性，主要考察公式应用。若按洛伦兹力定义F=I(L⊥B)，L⊥B为有效长度，直径d可能为此长度，则F=5.0T*I=5.0T*(σ*B*A/L)=5.0T*(σ*B*πd^2/4L)。若L即为d，则F=5.0T*(σ*B*πd^2/4d)=5.0T*(σ*B*πd/4)。此结果仍需σ。最可能考察F=BIL概念，结果为25N*(I为环电流)。3.解析思路：放射性比活度（比放射性）R(t)随时间t的变化关系为R(t)=R0*e^(λt)，其中R0是初始比活度，λ是衰变常数。衰变常数λ与半衰期T1/2的关系为λ=ln(2)/T1/2。将题目给出的数据代入公式：2.0×10^5Bq/g=1.0×10^5Bq/g*e^(λ*365天)。解此方程求λ。λ=ln(2.0/1.0)/365天=ln(2)/365天≈0.693/365天≈0.00190天^-1。然后计算半衰期T1/2=ln(2)/λ≈0.693/0.00190天^-1≈364.5天。此半衰期非常接近一年，表明在该材料中，运行1年后产生的主要放射性同位素的贡献占了主导地位，其半衰期确实在一年量级。答案：T1/2≈365天四、论述题1.解析思路：建造核聚变反应堆面临的主要技术挑战：1)等离子体约束与运行：实现高参数（高温、高密度、长约束时间）稳态运行，并达到能量增益（Q>10）仍是核心难题，涉及复杂的等离子体物理和工程问题。2)材料科学与工程：开发能在极端高温、高辐照环境下长期稳定工作、低活化、良好力学性能的结构和功能材料是巨大挑战。3)关键子系统集成：磁约束堆的庞大而复杂的超导磁体系统、加热与偏滤器系统、能量转换系统、冷却系统等的设计、制造、集成和测试面临技术瓶颈。4)工程设计与制造：反应堆整体结构设计、大型部件精密制造、焊接、无损检测等工程问题极其复杂。5)经济性：降低建造成本和发电成本，使其具有商业竞争力是项目成功的关键。克服挑战的技术途径：1)基础研究：深化等离子体物理和材料科学的基础研究，揭示现象本质。2)先进设计：采用更优化的约束方式（如仿星器）、先进材料、模块化设计。3)技术创新：发展超导技术、先进制造工艺（如3D打印）、高效加热与冷却技术。4)国际合作：通过大型国际合作项目（如ITER）分摊风险、共享资源、协同攻关。5)示范堆建设：建设示范堆（如示范功率堆DFTR）验证技术成熟度，为商业堆奠定基础。2.解析思路：聚变堆运行维护的复杂性体现在：1)极端环境：需要在高温、强辐照、真空等恶劣环境下进行操作和维护，对设备和人员防护要求极高。2)系统庞大复杂：反应堆包含众多相互关联的子系统，故障诊断和隔离难度大。3)长期运行挑战：材料性能随辐照时间退化、部件老化、