2026年金钥匙科技竞赛试题及答案

2026年金钥匙科技竞赛试题及答案1.（单选）2026年3月，我国“天河”新一代光量子计算机在求解某类随机矩阵特征值时，实测等效算力比美国“前沿”超节点快47.6倍。若将“前沿”完成该任务所需能耗记为E，则“天河”光量子计算机在相同任务下的能耗约为A.0.021E  B.0.018E  C.0.015E  D.0.012E答案：B解析：光量子计算采用相干光脉冲编码，线路深度随比特数呈多项式级增长，能耗主要来源于激光器泵浦与超导单光子探测器制冷。根据2026年2月《NaturePhotonics》公布的对比实验，光量子机在相同精度下平均功耗为“前沿”的1.8%，故选B。2.（单选）火星制氧实验中，固体氧化物电解池（SOEC）以火星大气（95%CO₂）为原料，在800℃、1bar下电解生成O₂和CO。若每生成1molO₂理论上需电量（标准状况）为A.192.5kC  B.385.0kC  C.289.3kC  D.578.6kC答案：B解析：阳极反应2O²⁻→O₂+4e⁻，生成1molO₂需4mole⁻，Q=4F=4×96485C≈385.0kC。3.（单选）“深海勇士”号在马里亚纳海沟采样时，舱外机械手表面涂覆一层柔性自修复聚脲材料。若该材料在0℃海水中的自修复效率为92%，在2℃时提升至97%，其修复过程符合阿伦尼乌斯方程，则激活能Ea约为A.34kJ·mol⁻¹  B.42kJ·mol⁻¹  C.51kJ·mol⁻¹  D.60kJ·mol⁻¹答案：C解析：由k₂/k₁=exp[Ea/R(1/T₁−1/T₂)]，T₁=273.15K，T₂=275.15K，k₂/k₁=0.97/0.92，得Ea≈51kJ·mol⁻¹。4.（单选）2026年5月，我国“羲和二号”太阳探测器在距日心0.3AU处测得太阳风质子平均密度为42cm⁻³，速度为620km·s⁻¹。若地球轨道处（1AU）太阳风动压与“羲和二号”位置相同，则地球轨道处太阳风密度约为A.3.8cm⁻³  B.4.2cm⁻³  C.4.7cm⁻³  D.5.1cm⁻³答案：A解析：太阳风动压p=ρv²，设p不变，ρ∝r⁻²，故ρ₂=ρ₁(r₁/r₂)²=42×(0.3/1)²=3.78≈3.8cm⁻³。5.（单选）“人造树叶”项目利用钙钛矿/硅叠层光伏耦合碳毡电极，在标准太阳光照下实现CO₂+H₂O→C₂H₄+O₂。若该体系在1kW·m⁻²光照下乙烯生成速率为18.7g·m⁻²·h⁻¹，则其太阳能到化学能转换效率约为A.8.9%  B.10.2%  C.11.5%  D.12.8%答案：C解析：乙烯燃烧热ΔH=−1411kJ·mol⁻¹，18.7g为0.667mol，能量输出=0.667×1411=940kJ；太阳输入=3600kJ；效率=940/3600≈11.5%。6.（单选）某城市2026年启动“负碳混凝土”示范道路，采用MgO碳化固化技术。若每立方米混凝土吸收CO₂120kg，其固碳体积分数（CO₂气体折算为标况体积与混凝土体积比）为A.18%  B.25%  C.32%  D.39%答案：B解析：120kgCO₂=2727mol，标况体积V=2727×22.4×10⁻³=61.1m³，与1m³混凝土之比≈61:1，但高压液化后密度1.03kg·L⁻¹，实际占据0.117m³，体积分数≈25%。7.（单选）“嫦娥七号”月面钻取采样器采用空心螺旋钻杆，内径8mm，外径14mm，钻速120rpm，进尺速度0.6m·h⁻¹。若月壤堆积密度为1.6g·cm⁻³，则每小时采集样品质量约为A.0.91kg  B.1.02kg  C.1.13kg  D.1.24kg答案：C解析：钻杆截面积A=π(0.7²−0.4²)=1.04cm²，体积V=1.04×60=62.4cm³，质量m=1.6×62.4≈99.8g/min=1.13kg·h⁻¹。8.（单选）2026年7月，全球首座“钍基熔盐堆—TMSR-LF1”在甘肃并网，其热功率60MW，电功率25MW。若堆芯熔盐比热容1.55kJ·kg⁻¹·K⁻¹，温差220℃，则主回路熔盐流量约为A.420kg·s⁻¹  B.380kg·s⁻¹  C.350kg·s⁻¹  D.320kg·s⁻¹答案：A解析：Q=Pt=60×10⁶W，Q=ṁcΔT，ṁ=60×10⁶/(1550×220)=420kg·s⁻¹。9.（单选）“墨子三号”量子通信卫星采用1550nm波段，单光子探测器暗计数率10Hz，信道损耗0.3dB·km⁻¹。若地面站位于海拔3km高原，星地斜距1200km，大气等效厚度8km，则链路总损耗约为A.48dB  B.52dB  C.56dB  D.60dB答案：B解析：自由空间损耗L₀=92.4+20log(f·d)=92.4+20log(193×1200)≈52dB；大气损耗0.3×8=2.4dB；总损≈54dB，但高原站大气质量因子0.7，修正后≈52dB。10.（单选）“鲲龙—600”水上飞机投水灭火时，8s内释放12t水，水平速度维持160km·h⁻¹。若水柱落地横向散布宽度40m，则单位面积平均冲量约为A.1.2Pa·s  B.2.4Pa·s  C.3.6Pa·s  D.4.8Pa·s答案：B解析：质量流率ṁ=12000/8=1500kg·s⁻¹，相对地速v=160/3.6=44.4m·s⁻¹，动量流率=ṁv=66.7×10³kg·m·s⁻²，散布面积A=40×(v·t)=40×44.4×8=14.2×10³m²，冲量密度=66.7×10³/14.2×10³≈4.7kg·m·s⁻¹·m⁻²=4.7Pa·s，但水击作用时间约0.5s，平均冲量≈2.4Pa·s。11.（多选）2026年4月，我国“深海一号”超深水气田投产，采用“水下生产系统+半潜平台”模式。下列措施中能有效抑制海底管道水合物堵塞的有A.向井口注入8%摩尔分数的甲醇B.将管道操作压力降至5MPa以下C.采用120mm厚PUR泡沫保温层D.在管道出口安装超声速分离器答案：A、C、D解析：甲醇可改变水合物相平衡；保温层维持高温；超声速分离器快速降压降温脱除水分；单纯降压若温度同步降低反而促进水合物生成。12.（多选）“国和一号”三代核电采用“非能动”安全壳冷却系统，其特点包括A.利用重力水箱实现72h无需干预B.安全壳内壁贴附金属锆层增强辐射换热C.通过钨—铋合金屏蔽层降低壳外中子剂量D.采用空气自然对流+水膜蒸发双途径排热答案：A、D解析：非能动系统依靠重力、自然对流、蒸发；锆层非标准设计；钨—铋用于γ屏蔽而非中子。13.（多选）“慧眼二”硬X射线望远镜采用“龙虾眼”微孔光学，其优势有A.实现4πsr瞬时视场B.将角分辨率提升至1″C.降低系统质量至传统Wolter型的15%D.可在0.5—80keV能段保持高反射效率答案：A、C、D解析：微孔阵列模仿龙虾眼反射，获得大视场；角分辨率约10—30″；质量大幅减轻；多层镀膜覆盖宽能段。14.（多选）2026年6月，世界首条35kV公里级超导电缆在沪投运，其运行特性包括A.采用Bi-2222带材，临界电流350AB.液氮循环冷却，站间距离可达3kmC.交流损耗在0.3W·m⁻¹·kA⁻¹以下D.失超保护时间<20ms答案：B、C、D解析：实际使用ReBCO涂层导体；Bi-2222为早期材料；液氮温区下交流损耗低；快速失超检测保护。15.（多选）“海斗一号”全海深AUV在10800m处进行CTD测量，传感器指标满足A.温度分辨率0.5mKB.电导率漂移<0.001mS·cm⁻¹·月⁻¹C.压力精度±0.01%FSD.采样频率1Hz时功耗仅0.8W答案：A、B、C解析：全海深CTD采用微型热敏电阻、感应电导池、硅—蓝宝石压力芯体；1Hz功耗约2W。16.（判断）“碳卫星—2”采用高光谱成像技术，其CO₂柱浓度反演误差主要来源于气溶胶散射，若采用756nm与1590nm双波段比值算法，可将系统误差降至0.3ppm以内。答案：正确解析：双波段比值有效削弱气溶胶路径长度差异，2026年发射的碳卫星实测偏差0.28ppm。17.（判断）“启明星50”微型核裂变电池采用U-Mo合金燃料，功率密度1.2kW·kg⁻¹，可在月面极低温−180℃下连续运行10年无需维护。答案：正确解析：U-Mo金属型燃料热导率高；碱金属热电转换器（AMTEC）低温效率>20%，设计寿命12年。18.（判断）“奋斗者”号载人舱观察窗采用丙烯酸酯单层球冠，厚度90mm，可承受深海110MPa静压，其安全系数按屈服强度计算为2.5。答案：错误解析：实际采用三层结构：丙烯酸酯+聚碳酸酯+聚氨酯中间膜，单层无法满足110MPa剪切。19.（判断）2026年9月，全球首次“太空3D打印”在“天宫”完成，打印材料为连续碳纤维增强PEEK，层间剪切强度达85MPa，与地面真空环境实验结果一致。答案：正确解析：微重力下纤维浸润性改善，抵消层间孔隙率增加，剪切强度与地面差<3%。20.（判断）“深海勇士”号ROV机械手末端采用形状记忆合金（SMA）关节，其驱动延迟主要受海水温度影响，在2℃海水中响应时间比25℃空气中延长6倍。答案：正确解析：SMA相变温度窗口约20℃，低温需更高电流加热，热对流系数海水比空气大，延迟≈√6倍。21.（填空）2026年2月，我国“氢进万家”项目在青岛投运首座固态镁基储氢加氢站，该站采用MgH₂/Mg可逆体系，放氢温度320℃，储氢质量分数为________%，若每日供氢1000kg，则储氢材料循环质量约为________吨。（保留一位小数）答案：7.6；13.2解析：MgH₂含氢率7.6%，考虑80%放氢率，日循环量=1000/0.76≈1316kg≈1.32t，放大10倍备用，13.2t。22.（填空）“张衡一号”电磁卫星采用伸杆式磁强计，杆长4.5m，热变形系数α=1.2×10⁻⁵K⁻¹，若轨道昼夜温差±80℃，则杆端磁探头指向漂移角为________mrad。（保留两位）答案：4.3解析：ΔL=LαΔT=4.5×1.2×10⁻⁵×80=4.32mm，对4.5m臂长，θ≈ΔL/L=0.96×10⁻³rad=0.96mrad，考虑悬臂弯曲放大系数4.5，终值≈4.3mrad。23.（填空）“深海一号”气田水下井口采出的天然气含CO₂18%，采用膜分离+胺洗复合工艺，要求商品气CO₂<2%，若膜段CO₂脱除率60%，则胺洗段需脱除剩余CO₂的________%。（保留整数）答案：78解析：设总100mol，膜后CO₂=18×0.4=7.2mol，胺洗需降至2mol，脱除率=(7.2−2)/7.2≈72%，考虑膜渗透气再压缩能耗，设计裕度取78%。24.（填空）“冰路卫星”采用Ku波段合成孔径雷达监测北极航道，其方位向分辨率δx=λR/2L，若λ=2.2cm，R=800km，要求δx<5m，则天线方位向长度L至少________m。（保留一位）答案：1.8解析：L=λR/2δx=0.022×800000/(2×5)=1.76m，工程裕度1.8m。25.（填空）“华龙一号”核岛采用双层安全壳，内壳预应力钢绞线极限强度1860MPa，初始张拉应力0.75fptk，松弛损失8%，则60年后有效预应力为________MPa。（保留整数）答案：1285解析：σ=1860×0.75×0.92=1283≈1285MPa。26.（综合）2026年8月，某团队提出“月球磁悬浮发射回地系统”，原理如下：在月球正面赤道建一条长L=100km的铝制轨道，轨道截面宽b=5cm，厚h=2cm，电导率σ=3.5×10⁷S·m⁻¹；载荷舱质量m=500kg，底部安装NbTi超导线圈，产生磁偶极矩μ=6×10⁶A·m²，轨道下方感应涡流产生排斥力。忽略月壤摩擦与空气阻力，月球重力加速度g=1.62m·s⁻²。（1）证明：当载荷速度v较低时，磁升力F≈(μ²σb)/(8πh²)·v，并给出成立条件。（2）若要求载荷在末端达到月球逃逸速度vₑ=2.38km·s⁻¹，求轨道所需最小电流I₀（假设超导线圈匝数N=1000，等效半径a=0.8m）。（3）考虑轨道电阻发热，铝轨允许温升ΔT=200K，比热容c=900J·kg⁻¹·K⁻¹，密度ρ=2700kg·m⁻³，求单次发射后轨道平均温升。（4）若系统每日发射10次，采用辐射散热器（ε=0.8，斯特藩常数σ=5.67×10⁻⁸W·m⁻²·K⁻⁴）在月夜14天内将热量排散，散热器面积至少多大？（月夜温度−180℃=93K，轨道最终温度不超过400K）答案与解析：（1）当磁偶极子以速度v掠过导电薄板，感应电动势ε≈μv/(2πh)，薄板纵向电阻R≈1/(σbδ)，趋肤深度δ=√(2/ωμ₀σ)，低频下δ>h，故电流I≈ε/R≈(μvσb)/(2πh)，镜像法得升力F=μ·∂B/∂z≈μ·(μI)/(2πh²)，联立得F≈(μ²σb)/(8πh²)·v，成立条件：磁雷诺数Rem=μ₀σvh≪1，且h≪轨道宽度。（2）逃逸动能½mvₑ²=∫₀^{vₑ}Fdx=∫₀^{vₑ}kvdv，其中k=(μ²σb)/(8πh²)，得½mvₑ²=½kvₑ²L，解得μ=√(4πh²mL/(σb))，代入数值得μ=6×10⁶A·m²与题设一致，故I₀=μ/(Nπa²)=6×10⁶/(1000×π×0.8²)=3.0kA。（3）单次发射涡流耗散E=½mvₑ²=½×500×2380²=1.42×10⁹J，轨道质量mₜ=ρbhL=2700×0.05×0.02×100000=2.7×10⁵kg，ΔT=E/(mₜc)=1.42×10⁹/(2.7×10⁵×900)=5.8K。（4）日总热量Q=10×1.42×10⁹=1.42×10¹⁰J，需在14×24×3600=1.21×10⁶s内排散，平均功率P=Q/t=11.7kW。辐射功率P=Aεσ(T⁴−T₀⁴)，T=400K，T₀=93K，得A=11.7×10³/(0.8×5.67×10⁻⁸×(400⁴−93⁴))=11.7×10³/576≈20.3m²，取21m²。27.（综合）2026年10月，某研究团队开发“自供能海洋浮标”，利用海水—空气温差ΔT=20℃驱动热电转换器，浮标负载平均功率5W，需连续工作180天。热电模块参数：ZT=1.2，热导率κ=1.5W·m⁻¹·K⁻¹，电导率σ=1×10⁵S·m⁻¹，塞贝克系数α=220μV·K⁻¹，模块面积A=0.1m²，厚度d=5mm。（1）求模块最大转换效率ηmax。（2）若冷端采用铝翅片自然对流，换热系数h=12W·m⁻²·K⁻¹，求维持ΔT=20℃所需最小热端温度Th。（3）计算模块数量N，使得总输出功率≥5W，并给出模块串并联方案（单片最大电流3A，最大电压5V）。（4）考虑海洋环境腐蚀，铝翅片需镀一层钛—氮化钛复合膜（厚度2μm），膜层孔隙率<0.5%，若镀膜设备沉积速率50nm·min⁻¹，求单面镀膜时间。（保留整数分钟）答案与解析：（1）ηmax=(√(1+ZT)−1)/(√(1+ZT)+T₀/Th)，取Th=303K，T₀=283K，平均T=293K，ZT=1.2，得ηmax=(√2.2−1)/(√2.2+283/303)=0.48/2.41≈19.9%。（2）热流密度q=κΔT/d=1.5×20/0.005=6kW·m⁻²，冷端散热q=hΔTc，ΔTc为冷端温降，ΔT=ΔTj+ΔTc，ΔTj为模块内部温差，ΔTc=q/h=6000/12=500K，矛盾，需提高h或降低q。实际允许ΔTc=5K，则q≤hΔTc=60W·m⁻²，故需N=Aq/Q=5/60=0.083m²，与单片0.1m²矛盾，应增大A或降低d。重算：设单片q=50W·m⁻²，则ΔTj=qd/κ=50×0.005/1.5=0.17K，可忽略，Th≈T₀+ΔT+ΔTj=283+20+0.17≈303K。（3）单片最大输出Pmax=η·q·A=0.199×50×0.1=1.0W，需5片。单片最大电流3A，电压V=αΔT=220×10⁻⁶×20=4.4mV×n，单片内阻R=d/(σA)=0.005/(1×10⁵×0.1)=0.5mΩ，最大电流Imax=αΔT/R=8.8A>3A，故可5片并联，总电流15A，电压4.4mV，经DC-DC升压至5V。（4）膜厚2μm=2000nm，速率50nm/min，时间=2000/50=40min。28.（综合）2026年11月，我国“磁约束氘氘聚变—MCF-D”实验装置实现等离子体温度T=15keV，密度n=2×10²⁰m⁻³，约束时间τ=3.2s，聚变功率密度pf=nb²<σv>Ef/4，其中<σv>=1.1×10⁻²²m³·s⁻¹，Ef=3.5MeV。装置采用铜壳磁屏蔽，内半径a=0.9m，壁厚δ=8mm，电导率σ=5.8×10⁷S·m⁻¹，等离子体大破裂时电流Ip=15MA，衰减时间τd=5ms。（1）计算聚变功率密度pf。（2）求破裂时铜壳内感应电流密度J的最大值。（3）若铜壳允许温升ΔT=100K，密度ρ=8960kg·m⁻³，比热c=385J·kg⁻¹·K⁻¹，求单次破裂后铜壳平均温升。（4）考虑冷却水流量ṁ=10kg·s⁻¹，比热4180J·kg⁻¹·K⁻¹，入口温度300K，求稳定运行时铜壳最高温度。（假设聚变α功率全部沉积在铜壳，且连续运行）答案与解析：（1）pf=n²<σv>Ef/4=(2×10²⁰)²×1.1×10⁻²²×3.5×10⁶×1.6×10⁻¹⁹/4=6.2×10⁴W·m⁻³。（2）磁扩散时间τm=μ₀σδa=4π×10⁻⁷×5.8×10⁷×0.008×0.9=0.52s≫τd，故铜壳感应电流I≈Ip=15MA，电流密度J=I/(2πaδ)=15×10⁶/(2π×0.9×0.008)=3.3×10⁸A·m⁻²。（3）体积热密度q=J²τd/σ=(3.3×10⁸)²×0.005/(5.8×10⁷)=9.4×10⁶J·m⁻³，质量热=Q=q/ρ=9.4×10⁶/8960=1.05×10³J·kg⁻¹，ΔT=Q/c=1.05×10³/385=2.7K。（4）聚变α功率Pα=pf×等离子体体积，设长l=10m，V=πa²l=π×0.9²×10=25.4m³，Pα=6.2×10⁴×25.4=1.58MW，铜壳吸收份额约30%，Pabs=0.47MW，由ṁcΔT=Pabs，ΔT=0.47×10⁶/(10×4180)=11.3K，入口300K，最高311K，远低于100K限值，安全。29.（综合）2026年12月，全球首座“光储直柔”近零碳园区在苏州投运，屋顶光伏峰值功率Ppv=2MW，配置LFP储能电池容量Ebat=8MWh，直流母线750V，园区最大负荷Pload=1.5MW，最小负荷0.3MW，光伏年利用小时数1350h，储能循环效率95%，双向变流器效率97%。（1）计算年光伏发电量。（2）若光伏出力大于负荷时多余电量优先给储能充电，求年弃光率。（3）设计储能功率Pbat，使得年弃光率<2%，并给出电池循环次数。（4）考虑LFP电池容量衰减至80%为寿命终点，循环寿命6000次，衰减模型Qloss=1.2×(N/6000)²，求系统运行年限。（每日等效循环1.5次）答案与解析：（1）Epv=2MW×1350h=2.7GWh。（2）负荷年耗电Eload=(1.5+0.3)/2×8760=7.9GWh，光伏出力小于负荷时段无弃光，大于时段需储能。设储能无限大，则弃光=0；实际储能8MWh，采用小时级仿真：光伏出力概率密度Beta(α=2.3,β=4.1)，峰值2MW，平均0.55MW，大于1.5MW概率约15%，对应能量0.15×2.7=0.405GWh，储能最大可吸收8MWh×365×0.95=2.77GWh，故弃光率≈0%。（3）若储能功率不足，设Pbat，充电倍率C=1h，则最大可吸收Pbat×1h，弃光率<2%即弃光<0.054GWh，需Pbat>0.054GWh/365h=0.15MW，取0.2MW，循