“人造太阳”选择题及解析

题目1

关于“人造太阳”的核聚变反应，以下说法正确的是：
A. 核聚变反应需要持续输入能量以维持高温高压条件
B. 核聚变反应的产物主要为二氧化碳和水
C. 核聚变反应的能量来源于化学键的断裂
D. 核聚变反应在常温常压下即可发生

答案：A
解析：

• 核聚变需通过超高温（如1亿摄氏度）和超强磁场维持等离子体状态，反应本身释放能量，但维持条件需持续输入能量（如通过射频波加热）。
• B错误：产物为氦和中子，无二氧化碳或水。
• C错误：能量来源于质量亏损（E=mc²），非化学键断裂。
• D错误：常温常压下无法发生核聚变。

题目2

中国东方超环（EAST）在2025年1月实现的技术突破是：
A. 等离子体电流突破100万安培
B. 等离子体温度达到1亿摄氏度并维持1066秒
C. 实现核聚变能量增益（Q>1）
D. 建成全球首个磁约束核聚变示范堆

答案：B
解析：

• 2025年1月EAST实现1亿摄氏度1066秒运行（选项B）。
• A错误：100万安培突破由HL-2M在2022年实现。
• C错误：能量增益（Q>1）由美国NIF激光惯性约束装置实现。
• D错误：ITER计划2035年建成示范堆，EAST为实验装置。

题目3

国际热核聚变实验堆（ITER）计划中，中国的贡献包括：
A. 主导整个项目的工程设计
B. 承担9%的采购包，研发钨偏滤器等关键技术
C. 提供全部资金支持
D. 独立完成磁约束装置的建造

答案：B
解析：

• 中国承担ITER 9%的采购包，包括钨偏滤器等关键部件（选项B）。
• A错误：ITER由七方联合设计，无单一主导方。
• C错误：ITER资金由七方按比例分担。
• D错误：ITER为国际合作项目，非中国独立完成。

题目4

核聚变反应中，氘（²H）和氚（³H）聚变生成氦（⁴He）和中子（n）时，释放的能量为：
A. 1.6 MeV
B. 17.6 MeV
C. 100 MeV
D. 200 MeV

答案：B
解析：

• 氘氚聚变反应释放能量为17.6 MeV（选项B）。
• 1.6 MeV为氘氘聚变反应能量（非主流反应）。
• 100 MeV和200 MeV为干扰项，无对应实际反应。

题目5

以下哪项技术是“人造太阳”实现核聚变的关键挑战？
A. 低温超导材料的研发
B. 氢弹的爆炸控制技术
C. 等离子体超强磁场的约束
D. 核裂变反应的能量转化

答案：C
解析：

• 核聚变需通过超强磁场约束高温等离子体（选项C）。
• A错误：超导材料需高温超导（如ITER使用13特斯拉磁场）。
• B错误：氢弹为不可控聚变，与“人造太阳”无关。
• D错误：核裂变与核聚变是不同反应类型。

题目6

关于“人造太阳”的未来应用，以下说法错误的是：
A. 可彻底解决全球能源危机
B. 反应产物为氦和中子，无放射性废料
C. 聚变反应需持续输入能量，无法实现“自持”
D. 核聚变推进器可缩短星际旅行时间

答案：C
解析：

• 聚变反应需持续输入能量维持条件，但反应本身释放能量（选项C错误，表述为“无法实现自持”不准确）。
• A正确：聚变燃料储量丰富，可提供长期能源。
• B正确：产物为氦和中子，中子被屏蔽后废料极少。
• D正确：核聚变推进器理论推力远超化学燃料。

“人造太阳”考点清单

一、定义与原理

1. 定义

• “人造太阳”即核聚变实验装置，模拟太阳内部的核聚变反应，通过轻原子核（如氘、氚）在高温高压下聚合生成较重原子核（如氦），释放巨大能量。
• 典型装置：国际热核聚变实验堆（ITER）、中国东方超环（EAST）、中国环流器二号M（HL-2M）。

2. 核聚变原理

• 反应条件

  ：超高温（如1亿摄氏度）、超高压、超强磁场。

• 反应方程

  ：氘（²H） + 氚（³H） → 氦（⁴He） + 中子（n） + 能量（17.6 MeV）。

• 能量来源

  ：爱因斯坦质能方程（E=mc²），聚变反应中质量亏损转化为能量。

二、技术挑战与突破

1. 关键技术

• 超导磁体

  ：产生强磁场约束高温等离子体（如ITER磁场强度达13特斯拉）。

• 真空技术

  ：维持超高真空环境（10⁻⁶ Pa量级）。

• 加热技术

  ：通过射频波、中性束注入等方式加热等离子体至1亿摄氏度。

• 材料科学

  ：研发耐高温、抗辐射的第一壁材料（如钨合金）。

2. 技术突破

• EAST成就

  ：2021年实现1056秒长脉冲高参数等离子体运行；2025年1月突破1亿摄氏度1066秒运行。

• HL-2M突破

  ：2022年等离子体电流突破100万安培（1兆安）。

• ITER进展

  ：2025年启动组装，计划2035年实现氘氚聚变。

三、科学意义与应用前景

1. 科学意义

• 清洁能源

  ：核聚变燃料（氘、氚）储量丰富，1升海水可提取30毫克氘，释放能量相当于300升汽油。

• 环境友好

  ：反应产物为氦和中子，无温室气体排放，几乎无放射性废料。

• 安全可控

  ：聚变反应需持续输入能量维持，天然具备安全性。

2. 应用前景

• 能源领域

  ：未来可实现“一劳永逸”的能源供应，解决能源危机。

• 航天推进

  ：核聚变引擎助力深空探测，缩短星际旅行时间。

• 材料科学

  ：极端环境测试平台，推动高温超导、抗辐射材料发展。

四、国际合作与竞争

1. ITER计划

• 参与方

  ：中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国（七方合作）。

• 目标

  ：2035年实现500兆瓦聚变功率，输出能量大于输入能量（Q>10）。

• 中国贡献

  ：承担9%采购包，研发关键技术（如钨偏滤器）。

2. 中美竞争

• 美国NIF装置

  ：采用激光惯性约束聚变，2023年实现能量增益（Q>1），但为瞬态反应。

• 中国EAST/HL-2M

  ：磁约束聚变技术领先，持续刷新运行纪录。

五、相关考点总结

1. 物理基础

• 核聚变与核裂变对比、质能方程、能量守恒定律。
• 等离子体物理（德拜长度、拉莫尔半径、磁约束原理）。

2. 工程挑战

• 超导技术（低温维持、磁场稳定性）。
• 材料科学（抗辐射、耐高温、抗中子辐照）。

3. 国际合作

• ITER组织架构、七方贡献、技术共享机制。
• 中国核聚变发展战略（“三步走”计划：热堆—快堆—聚变堆）。

4. 未来展望

• 商业化时间表（ITER后20-30年实现示范堆）。
• 社会影响（能源结构转型、地缘政治格局变化）。

六、典型例题

1. 选择题

• 核聚变反应中，能量来源于（ ）
  A. 质量亏损 B. 化学键断裂 C. 核裂变 D. 太阳能
  答案：A

2. 简答题

• 简述“人造太阳”实现核聚变的三大条件。
  答案：超高温、超高压、超强磁场。

3. 计算题

• 已知氘氚聚变释放能量为17.6 MeV，计算1克氘完全聚变释放的能量（单位：焦耳）。
  答案：约5.27×10¹⁴ J。