太阳核心温度只有1500万度,远达不到1亿度的温度环境,为什么还能发生核聚变?

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问题:太阳核心温度只有1500万度,远达不到1亿度的温度环境,为什么还能发生核聚变?这个问题是需要有一些科学素养的人才能提出的,因为起码要知道地球上可控核聚变要达到1亿℃高温,而太阳内部核聚变只有1500万℃。这个问题

问题:太阳核心温度只有1500万度,远达不到1亿度的温度环境,为什么还能发生核聚变?

这个问题是需要有一些科学素养的人才能提出的,因为起码要知道地球上可控核聚变要达到1亿℃高温,而太阳内部核聚变只有1500万℃。

这个问题的潜台词是,在地球上需要1亿度温度才能实现可控持续核聚变,太阳中心温度只有1500万度,为什么能够让核聚变持续进行呢?明确了问题的内涵,才能够有针对性地回答。

下面就请耐着性子听时空通讯给你细细道来。

什么叫核聚变?恒星核聚变能量怎么来的?

核聚变就是核融合,简单地说,就是一个原子核和另一个原子核,在特种条件下能够挤压在一起,这样两个或更多的原子核就融合在一起,形成了一个更大更重的原子核。新的更重的原子核里面的质子数,比原来的原子核增加了,因此再也不是原来的原子核了,就成为一种新的物质。

在原子核的融合过程中(这里主要是指氢核聚变),并不是所有的质量都能够全部转换成另一个原子核,而是会有约0.7%的质量亏损,这部分质量以光子形式转化为能量辐射出去,这就是核聚变的巨大能量来源。

恒星都是由星际分子云(简称星云)收缩而成,星云的主要成分就是氢和氦,其中氢占据体积的90%,质量的70%以上。因此所有恒星最开始的核聚变都是氢核聚变,是由4个氢原子聚变成1个氦原子。

4个氢原子的原子量为4.0292,1个氦原子的原子量为4.0015,可以看出核聚变后质量少了0.0276的质量单位,约占聚变原子量的0.69%。这部分亏损的质量哪里去了呢?原来是以光子形式转化为能量,经过复杂的辐射、对流等方式,一路磕磕碰碰的到达恒星表面,最终辐射到了太空,这样我们就看到了发光发热的恒星。

在太阳核心,每秒钟约有6亿吨的氢,转化为约5.958亿吨的氦,则亏损的420万吨质量就转化成了能量。这里要用到爱因斯坦的质能方程,这个方程的表达式为:E=MC^2,其中E为能量,单位J(焦耳);M为质量,单位kg(千克);C为光速,这里取值约300000000m/s(米/秒)。

根据爱因斯坦质能方程计算,每秒钟释放的能量达到3.78*10^26J(焦耳)。这是多大的能量?就是每秒钟相当爆发9万亿颗广岛级原子弹。我们地球能够得到这些能量的22亿分之一,也就是约1000万座三峡大坝的持续不断发电量,每秒钟约4000颗广岛原子弹同时爆发的能量。

核聚变的条件。

我们知道,原子是由原子核和核外电子组成的。实际上原子是一个很小的核被1个乃至若干个电子包裹着,这些电子按能级不同,在不同的层次围绕着原子核,以电子云状态包裹在原子核外面。因此整个原子就像一个大篮球,篮球外面这层皮就像原子外围电子云形成的外壳,而原子核就像篮球中心一粒小米。

有了这个坚硬的外壳,中间的小米粒是很难接触到的。要打破这个外壳,只有两种方式,一种是高温,一种是高压,通过这两种方式把这个外壳剥离,才能够露出中间的“小米”~原子核。

热核聚变的主要条件是高温,高压则能够让核聚变变得更剧烈和长久持续。这个高温要多少呢?其实要驱离原子外围电子并不难,只要几千摄氏度高温就能做到,我们看到的等离子体就是电子被驱离了原子核,形成带负电的电子团和带正电的核子搅和在一起的电浆。

但驱离了电子外壳,原子核裸露出来后,并不会自动产生融合。因为原子核带正电,我们都知道同性相斥,同样带正电的原子核是相互排斥的,要让它们结合在一起必须克服它们之间的库仑势垒。温度越高,或压力越大,原子核的动能就越大,这样这些赤裸的原子核相互碰撞机会就越多,碰撞的力度就越大,穿越库仑势垒,形成所谓量子隧穿效应核子就越多。

只有大量的核融合,得到的核聚变能量才有价值。

形成可控核聚变的温度要多高呢?

其实也不要多高,几万度几十万度几百万度都可以,问题是温度越高,压力越高,原子核动量越大,赤裸着的原子核相互碰撞的机会就越多,核融合的速度就越快。只有足够多的原子核融合在一起,核聚变的能量才能够达到足够大,形成维持核聚变的自持燃烧,也就是无须输入能量就可以持续反应,这样才能够将核聚变源源不断的能量输出利用。

地球上无法形成太阳那样的巨大压力,就只能在温度上做文章了。这就是在地球上5000万度也能够进行氢核聚变,1亿度也能够进行的道理。但问题是温度较低时,无法形成自持式燃烧,以至于能量入不敷出,反应得到的能量还不如输入加热所需的能量多,这种核聚变于人类有何用呢?因此在地球上就需要1亿度高温,才能够让氘核聚变(氢的同位素)持续进行,并得到能量输出造福人类。

核聚变要解决的关键问题是,世界上没有任何容器能够耐受1亿度高温,要约束这么高温度的等离子体,主要只有三种方式,就是重力约束、惯性约束、磁约束。太阳核聚变是重力约束方式,氢弹爆炸是惯性约束方式,今天就不展开说这些了。

现在世界各国采取的可控核聚变实验主要采用磁约束,这种装置叫托卡马克装置,原理就是用线圈绕成一个真空室,中心产生强大磁场,让核聚变反应的超高温等离子体,在这个磁场形成的真空室约束下进行,然后通过复杂的装置,将热能引到外面,转化为电能等能源,供人类使用。

人类可控核聚变实验了几十年,进展十分缓慢,现在已经实现了能量的正输出,也就是出大于入,但时间还不能维持多久。中国在这个领域处于世界领先地位,最长放电时间达到了1000秒。

太阳的核聚变是靠温度和压力的共同作用。

太阳中心核聚变是重力约束形式,是依靠太阳质量形成的强大引力压力,使核心温度升到1500万度,压力达到3000亿个地球海平面大气压。在这种温度和压力的合力下,让氢核裸露出来,相互发生剧烈碰撞,形成自持而源源不断的核聚变。

当核心的氢烧完后,核聚变就会停止,这样就没有了巨大辐射压来抵御太阳巨大引力压,外围物质就会急速向中心塌缩。在这种巨大压力挤压下,太阳核心温度就会骤然升高到2亿摄氏度,这时就达到了激发氦核聚变的温度和压力,随后会一直到把核聚变升级到碳6为止。

氦核聚变以氦闪的形式很快完成,巨大的辐射把太阳膨胀成一颗红巨星,半径达到现在的200多倍,这个太阳吞噬了水星和金星,边缘会到达了地球附近,地球或被吞噬或被烤焦,那时如果地球上还有观测者,就会看到覆盖着整个天空的巨大太阳了。

这时候,太阳引力再也没有办法束缚住外围的气体物质,这些气体物质渐渐消散在太空,成为新的分子云。而太阳核心会留下一个致密的碳核,这就是黄矮星的尸骸~白矮星,体积只有约地球大小,但质量至少有半个太阳以上,密度达到1~10吨/cm^3。

恒星核心核聚变激烈程度与质量成正比。

恒星越大,核心温度越高,压力越大,核反应就越剧烈,燃烧物质的速度就越快,因此寿命就越短。像太阳这样的黄矮星,寿命约100亿年,现在太阳年龄已经约50亿岁,再过50亿年就会寿终正寝;迄今已知最大质量的恒星叫r136a1,其质量为太阳的200多倍,据科学测算其寿命只有约300万年,现在已经170万岁了,再过130万年,就会发生超新星大爆炸,硝烟散尽,中心会留下一个约20倍太阳质量的黑洞。

比太阳小的红矮星,质量最小必须有太阳的8%,中心压力和温度才能够达到核聚变要求,但这种核聚变比太阳核心要温和多了,因为这种恒星中心温度和压力要小很多,这样核心燃料消耗就慢很多,寿命就会很长,达到万亿年以上,甚至会与宇宙共存亡。它最后的结局是烧完核心的氢就熄灭,渐渐冷却成为黑矮星。

现在宇宙寿命才有138亿年,因此还没有一颗红矮星熄灭,宇宙中还没有发现任何黑矮星。宇宙中红矮星最多,大致占有整个恒星总量的80%以上,而我们太阳这种质量左右的恒星只有不到10%,大质量恒星很少,不到5%。

恒星质量不同,核聚变实现的层次不一样。

恒星核聚变是有层次的,从氢核聚变开始,可以一直到26号元素铁,也就是有26个层级的核聚变。每一个层级的核聚变完成后,星体就会来一只坍缩,形成中心更大的压力和更高的温度,激发下一个层级的核聚变。

恒星能够实现哪一级核聚变,完全与恒星质量成正比。质量越大,核聚变层次就越高。红矮星核聚变只能完成氢核聚变,太阳这样的黄矮星可以到6号元素碳结束,比太阳质量大8倍以上的恒星,最后可到达26号元素铁结束。

再大的恒星核聚变也只能到铁结束,这是因为铁是最稳定的元素,也是最吝啬的元素,无论核裂变还是核聚变都不会释放出能量,只会吸收能量,这样,老年的恒星已经没有能力来催化铁的核聚变了。

但大质量恒星核聚变到铁结束后,剧烈的坍缩会导致热核失控,形成超新星大爆发,导致的万亿度高温和极大高压,会聚合出比铁更重的元素,让我们宇宙就有了现在已知的118种元素。

所有的重元素都是通过聚变得来的。

这一点,早就已经通过人工合成元素得到了证实。在现在已知118种元素中有26种人造元素,都是在加速器、强子对撞机等设备里,通过将某个轻原子核加速到接近光速,轰击某个重原子核,让他们融合成更重原子核得来的。

这本质上也是核聚变,也是通过高温高压形成的,但这种核聚变只是原子级,极高温度和极高压力只是在碰撞的那一瞬间,这种“一瞬”只能用纳秒、飞秒计,没有极为精密的科学仪器是检测不到的。而且这种核聚变完全是依靠巨大能量输入得到的,无法形成人类需要的核聚变能量。

这就是恒星核聚变与地球核聚变温度要求不一样的原因,谢谢阅读,欢迎讨论。

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氢弹的核聚变反应

氢弹其实已经是我们耳熟能详的大规模杀伤性武器了。而氢弹的原理说白了就是核聚变反应。那什么是核核聚变呢?

简单来说是这样的,科学家发现,宇宙中存在着不同的元素原子,它们的区别在于原子核内的质子数不同。

在这些原子中,铁原子核是最稳定的,铁之前的元素原子核都有聚合的趋势,铁之后的的元素原子都有裂变的趋势。所谓“趋势”,就是说整个反应的过程是释放能量的,而不是吸收能量。

而原子弹利用的是比铁元素原子序数大的元素可以裂变产生能量的原理。比如,比较常见的就是铀235。

不过这里补充一点,原子核除了核裂变之外,还有链式反应,那什么是链式反应?

其实就是不断核裂变地过程。

而原子序数比铁元素小的元素原子核可以发生聚变,氢弹利用的就是氢核聚变,氢的同位素氘和氚聚合成一个氦4,并释放出一个中子以及能量。

不过,核聚变对反应的条件要求特别高,氢核聚变反应已经是要求最低的了,但也需要1亿度。所以,我们用常规手段是没有办法直接引爆氢弹的。一般来说,引爆氢弹之前,都会先引爆一颗原子弹,这样才能达到引爆氢弹的反应条件。

弱相互作用

我们要知道的是,太阳的内核燃烧是没有原子弹来引爆的,同时也没有达到1亿度。那太阳的内核为什么还会燃烧呢?

我们首先要知道的是太阳的质量特别大,整个太阳系99.86%的质量是太阳的质量,而太阳的是由于分子云在引力坍缩下逐渐形成的,内核由于引力的挤压,导致温度急剧升高,达到了1500万度以及200多万个大气压。但是,这并不能够引发核聚变反应。

但实际上,此时的太阳的核心是处于一个奇怪的状态,并不是常规的三态。(气态、液态、固态,)而是一种叫做等离子态。

在等离子态的状态下,原子结构是不存在的,整个就是一个粒子粥,电子,原子核到处乱窜。

而要发生核反应的其实是氢原子核,它们带正电,所谓同种电荷互相排斥,因此由于库仑力的存在,两个氢原子核(实际上就是质子)相遇都很难,更不要说核聚变反应了。

如果在宏观世界里,这样的反应是不可能发生的。但是在微观世界里不同,微观世界里有一种量子效应,现在被我们叫做量子隧穿效应

也就是说,即使有势能的壁垒(需要消耗大量能量才能做成的事情),在微观世界中也有一定的概率能发生。

具体来说是这样的,在自然界中存在着4种作用力,分别是强相互作用,电磁相互作用、引力以及弱相互作用。而其中弱相互作用要比强相互作用和电磁相互作用弱一些。

基于量子隧穿效应,弱力可以使得质子和质子发生核聚变反应。但是由于弱力很弱以及量子隧穿效应其实发生的概率也很低,因此太阳的核聚变反应其实是很温和地进行,而不是像氢弹那样一下子全炸了。而且太阳内核主要进行的氢核聚变反应也要比氢弹的原理稍微复杂一些,是4个质子发生核聚变反应生成一个氦4。

这个过程也被我们称为质子-质子反应链。除了这个反应链,恒星内部还存在着碳氮氧循环反应链,只不过这种形式在太阳中的占比很低,不过结果类似,也是四个氢原子核聚变反应生成氦-4。

也就是说,核聚变反应温度不够的问题其实是由于量子隧穿效应和弱相互作用的共同结果。

答:太阳内部的核聚变反应其实是非常缓和的,太阳整体释放能量的效率甚至比人体还低很多倍,之所以太阳内部1500万度就能持续释放大量能量,主要原因在于太阳质量太大。


氢弹爆炸的中心温度高达2亿度以上,人类制造的托卡马克装置约束的等离子体电子,已经能持续一定时间保持在1亿度以上,约束的等离子温度能在5000万度以上,太阳中心温度大约是1500万度。

有人可能会有疑问,太阳1500万度就能持续进行核聚变反应,为何我们制造上亿度的温度,还是无法实现可控核聚变?

爱丁顿

最早提出恒星能量来源于核聚变的是英国科学家爱丁顿,他在1919年测量日全食验证了爱因斯坦的广义相对论,在1920年提出恒星发热的机理,但他的恒星理论当时受到了学术界的反驳。

因为按照经典物理学的模型计算,在太阳这样的天体当中要让氢元素发生稳定的核聚变,需要上百亿度的高温,这远远超过了当时估计的太阳核心温度。直到1928年,科学家乔治·伽莫夫提出量子隧穿效应,才真正诠释了爱丁顿理论的机制。


量子隧穿效应

恒星内部的高温让原子和核外电子完全分离,成为裸露原子核和电子混合的等离子态,由于强相互作用的作用距离非常短,而原子核又带正电,会因为库仑力相互排斥,所以两个原子核要发生融合是非常难的。

按照经典的思维,我们可以给物质加热,从而增大原子核的平均动能,当单个原子核的动能超过一定值后,就可能克服库仑力发生融合,但是这个办法需要的温度非常高,经典物理学计算需要上百亿度才能实现稳定的核聚变。

但是有了量子隧穿效应就能大大降低核聚变的最低温度,在量子力学中,微观粒子具有不确定性,甚至能穿过在经典物理学中无法穿过的势垒,即便是小概率事件,但是对于大质量的恒星来说,已经足以引发稳定的核聚变反应。

后来科学家还发现了恒星的p-p链反应,然后量子物理学家掐手计算,对于恒星来说,只需要大约1000万度就能实现稳定的核聚变反应,于是太阳的能量来源之谜得到解决,爱丁顿的理论是正确的。


恒星发热效率

在微观世界中,即便太阳核心温度高达1500万度,压力高达上千亿个大气压,实际上在太阳的核聚变反应是非常缓和的,而且只在核心区域内进行,能量释放效率很低,我们可以用人体来对比:

(1)太阳质量2*10^30kg;

(2)太阳每秒释放能量3.8*10^26J;

(3)一个65千克的成年人,在20℃的环境中,每秒向环境中释放热量大约是150J;

那么人体1千克物质每秒向环境释放能量为:

150/65=2.3J

太阳1千克物质每秒向太空中释放能量为:

3.8*10^26/2*10^30=0.00019J

也就是说,单位质量的人体向环境中释放热量,居然是恒星的1.2万倍,这绝对出乎很多人的意料。

其中的原因也不难解释,无论是恒星还是人体,向外散热的是表面积,对于一个三维物体来说,体积和尺寸的三次方成正比,表面积和尺寸的平方成正比,所以体积的增加速度比表面积快。

对于球形的恒星来说,虽然内部核聚变的速度非常缓慢,但恒星的质量实在太大了,散热表面积的增加速度慢于质量的增加,所以恒星的温度会变得很高。

就像一头大象在冷水中可以戏耍很久也没事,但是一只老鼠落入冷水当中会很快因为失温而死亡,因为老鼠的体积表面积比太低,导致身体热量的利用率也跟着低。


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太阳发光发热来自核心的核聚变,其实太阳的核聚变与人类制造的氢弹本质上还是有很大区别的。太阳的核聚变并不像人类制造的氢弹那样猛烈,而是非常温和的。事实上太阳核聚变释放能量的效率甚至比人体辐射热量的效率还要低,只不过太阳质量和体积非常巨大,所以才能向太空中释放超乎想象的能量。

根据经典力学计算,像太阳这样的大型天体要想稳定进行核聚变,至少需要上百亿度的高温,显然这个温度远远超过了太阳核心温度1500万度,那么为何太阳仍旧能进行稳定的核聚变呢?

简单来讲,太阳质量实在太大了!

但深层原因在于量子力学中的量子隧穿效应。

太阳核心的高温高压,让原子外部的电子完全分离,太阳核心的物质状态其实是等离子态。而原子核带正电,强力的作用距离又非常短,原子核会因为库伦力相互排斥,所以想要两个原子核融合其实是非常困难的。

按照经典力学思维,只要给物体加热,原子核动能增大,就可以克服库仑力发生融合,但根据经典力学计算这至少需要上百亿度才可以。

但根据量子力学中的量子隧穿效应,远不需要百亿度的温度就可以让原子核融合。按照量子力学诠释,微观粒子具有不确定性,有一定概率穿越经典物理中无法穿越的势垒,只不过这种概率非常小。但由于太阳质量巨大,即使非常小的概率,也能让核聚变得以稳定维持下去。

这就是太阳能够稳定几十亿年核聚变的原因。核心温度虽然只有1500万度,但太阳质量巨大,核心压力高达上千亿个大气压,诡异的量子隧穿效应虽然发生概率非常小,也足够让太阳核聚变进行下去。而正是因为量子隧穿发生的概率很小,太阳核心核聚变相当温和,并不会像氢弹那样瞬间爆炸!

太阳核心温度只有1500万度,远达不到1亿度的温度环境,为什么还能发生核聚变?

近年来,“人造太阳”一直以来都是人们非常关心的热点话题,其原理就是利用人工的手段,通过特殊的反应装置,来模拟太阳内部的核聚变反应,达到输出能量大于输入能量的目的,从而可以为人类生产生活提供更加丰富和更加清洁的能源,在一定程度上能够缓解能源危机问题。

从“人造太阳”的模拟原理我们可以看出,这是一种在人工创造的环境下实现的可控核聚变,其所需要的最重要的一个因素就是创造非常高的温度,推动核聚变的正常稳定和高效运行,从我国“人造太阳”的研究进展来看,我们目前已经实现了装置内部在1亿摄氏度高温环境下等离子体的稳定运行,将下来还将要突破3亿摄氏度的反应温度,我国的研究进展已经在国际上遥遥领先。在这里,有的朋友不禁要问了,太阳内部的温度只有1500万摄氏度,为何就能激发核聚变反应呢?

很多朋友估计对氢弹爆炸印象深刻,瞬间就会向外界释放巨量的能量,随着爆炸产生的冲击波对周围区域的杀伤力无比巨大。其实氢弹爆炸的过程主要包括两个阶段,前一阶段包含着原子弹爆炸的过程,即利用铀235等重元素核裂变产生巨大能量。后一阶段则是利用原子弹爆炸产生的能量,使氢弹中的氢同位素氘和氚在高达1亿摄氏度的环境下,发生核聚变反应,生成氦4原子核,同时释放更大的能量。作为核聚变反应条件最低的氢,在现有人工控制下至少得需要1亿摄氏度的高温,这一点与“人造太阳”原理基本相似。从最简单的角度来考虑,之所以需要1亿摄氏度的高温,主要原因在于我们在人工控制下,虽然模拟的是太阳内部的核聚变反应,但是无论是参与反应的原材料数量还是压力方面,都远远达不到太阳内部的水平,要填平这些差距,就必须通过提升温度来解决了。

众所周知,我们太阳系的绝对老大-太阳,其诞生历程与其它恒星一样,都是来源于上一任大质量恒星通过超新星爆发所释放的巨量星云物质,在长期引力扰动的作用下,这些星云物质逐渐在某个核心区域上聚集,使得这个核心区域的质量越来越大,从而吸引更多的星云物质向内部发生坍缩。在此过程中,原有星云物质所具有的引力势能一部分就会转化为核心区域的热能,另一方面在星际物质坍缩过程中,大量气体分子和尘埃相互碰撞和摩擦,也逐渐提升了核心区域的温度。在以上两种因素的作用下,逐渐形成了太阳的原始“胚胎”,随着吸聚物质的越来越多,“太阳胚胎”的温度和压力逐渐提升,待达到可以激发核聚变的临界条件时,其温度可以达到1000万摄氏度,压力可以达到200万个标准大气压。

从常规的物理学角度来看,在1000万摄氏度、200万个大气压之下并不能真正达到氢核聚变的条件。因为太阳内部的高温和高压,虽然可以使自由原子以非常高的速度进行碰撞,但是这个高速度还不能达到突破两个原子的库仑势垒的地步。但是不要忘了,此时太阳内部的组成物质,并不是我们在宏观世界中看到的固、液、气这3种基本相态的任何一种,在太阳内部的高温高压环境下,所有原子都被电离,形成由自由原子和自由电子所组成的等离子状态。这些自由粒子在太阳内部会通过量子微观世界中的一种现象-量子隧穿效应,来推动氢核聚变的产生。

量子隧穿效应简单来说,就是在微观量子领域,通过质子的不确定性运动,有一定的几率突破原子核之间库仑力的排斥作用,从而进入到其它原子核的内部,与另外的质子聚合形成新的原子核,从而激发核聚变反应。但是,这种自由原子发生量子隧穿的比例,在太阳内部仍然是非常低的,幸好太阳在诞生过程中所吸聚的原材料非常多,可以保证在很低的量子隧穿比例下,能够有效维持核聚变的稳定运行。

也就是说由4个氢原子核最终通过质子-质子链式反应,聚变形成一个氦4原子核,同时释放出一定的伽马光子、中微子以及部分能量。在这一点上,太阳内部的核聚变过程,要比氢弹爆炸以及“人造太阳”复杂一些,因为直接是从4个氢原子作为起点,而不是像氢弹爆炸以及“人造太阳”那样是以氢的同位素氘和氚为起点。

通过以上的分析我们可以看出,太阳内部的高温和高压环境,为量子隧穿效应的发生提供了基础条件,在较低的发生比例之下通过数量取胜,从而形成了这种比较“温和”的核聚变过程,继而有效确保了太阳可以源源不断地向外界释放着光和热的终极目标。从某种意义上来说,太阳内部的高温,并不是核聚变形成的,而是由物质坍缩所引发的,并且由核聚变释放的能量所维持着。而微观世界中量子隧穿效应的发生比率,将会随着恒星核心区域温度和压力的提升而增加,这也是为什么越是质量大的恒星,其内核发生核聚变反应的程度越剧烈、恒星寿命也越短的重要原因。

太阳核心温度只有1500万度,远达不到1亿度的温度环境,为什么还能发生核聚变?

全世界穷尽一切努力正在建设商业核聚变实验堆ITER,它的目标是远超一亿度以上的高温,并且保持超过500秒以上的时间,以让参与聚变的氚氘达到聚变条件,原子核在超高温下突破库仑障壁,聚合在一起形成氦四,同时释放出巨大的能量!

看到这里相信很多朋友都会有一个疑问,教科书上写着太阳中心温度也就1500万度,而ITER第一次开机运行的温度也远超1500万度,为什么太阳能行而ITER不行?

太阳除了有1500万度的高温外还有什么?

太阳是一个直径接近140万千米的等离子火球,尽管早期天文学家并不清楚太阳的发光原理是什么,但也知道太阳中心的温度会在引力坍缩的作用下变得极高,到底有多高呢?

在距离太阳不超过五分之一半径的区域内,温度接近1360万K,而太阳表面只有5800K,当然除了这些以外还有一个产生这个高温的一个途径:超高压,这是太阳外围将近100多万千米厚度的质量压缩导致的,中心压力超过2500亿个大气压,这个压力下太阳内核物质密度高达水的150倍!

而太阳内核的氢元素就在太阳内核高温+高压的环境下正在源源不断转换为氦元素,而太阳表面的光合热就来自于内核的的聚变,每秒有超过6.2亿吨的氢元素聚变成氦元素,质量亏损超过430万吨,各位有兴趣的朋友可以用爱因斯坦的质能方程计算下,太阳每秒释放的能量有多大!

只有高温和高压就能聚变了吗?

1920年爱丁顿爵士提出了太阳的氢聚变成氦的反应中产生能量的模型,并且提出了在恒星内部可能会产生更重的元素!但科学家经过计算发现,太阳内核的温度与压力并不足以产生氢元素核聚变,这里要强调一下,太阳上最多的元素是氢元素,但却是氢的同位素氕,而ITER反应堆中用的是氢同位素氘和氚,必须要来区分下!

氕是氢同位素中比例最高的,自然界中超过99.8%都是氕,而氘的比例则低于0.2%,氚因为存在半衰期,自然界比例是极低的!ITER中使用的聚变材料是氘和氚,因为这两中元素的比结合能比较小,比较容易达到聚变条件!

但太阳不会有人给它制造氘元素,只能由它自己制造,因此科学家计算后氕无法形成聚变,着实让他们有些尴尬,不过1928年乔治·伽莫夫推导出了在两个原子核在足够近的条件下,强力可以克服库仑障壁的量子力学公式,也就是现在俗称的量子隧穿效应!

这个效率非常低,平均有十亿个原子核才会有一对聚变成功,其实这反而是太阳长达100亿年的发光发热的保证,因为太阳内核的氢元素转换成氦元素的速度取决于氕元素聚变成氘元素的速度,这一点上量子隧穿效应成了控制恒星寿命的关键!

太阳内核的质子反应链,从氕氘氦四的过程,太阳现在还处在氢燃烧的主序星时代,内核只是累积氦元素,但温度还不足以达到氦元素聚变。

氘氚核聚变过程

质子反应链没有氘氚聚变的过程,对于太阳来说氘氘聚变或者氕氘聚变已经是一件很容易的事了,但对于人类来说氘氚聚变难度仍然要低于氘氘聚变,尽管氚价格极其昂贵,但仍然义无反顾的选择了氘氚聚变,原因之一是氘氚容易实现,其二是氘氚聚变能产生中子,轰击锂-6可以自持产生氚,似乎有一种增值堆的味道,但氚的回收与利用仍然难度极大!

在没有高压加持的ITER反应堆内部,想要实现更高比例的聚变以及自持反应,唯一的途径是达到超高温并且保持足够久的时间,但随之而来对反应堆内部的超高要求,让参与ITER建设的各个国家焦头烂额,比如ITER的结构是超导托卡马克中的等离子体电流高达千万安培,扭曲模以及磁岛与磁面撕裂问题极其严重,一旦失控轻则熄火,重则可能发生爆炸!

当然磁约束核聚变的另一个突破口与惯性约束的激光点火核聚变装置,三者都是难兄难弟,没有一家达到商业级别,而ITER则在8个国家将近160亿欧元的投入下进度最快,也早已实现核聚变反应,但要达到核聚变商业运行,鬼知道还要多久!但我们对ITER依然保持信心!

关于太阳内部核聚变的介绍,我们在很多时候都基本是围绕着“太阳内部温度极高、压力极大”这两点进行说明,实际上这并不充分,或者说应当提及的一个量子效应(量子隧道效应)在很多时候都没有说明,不过小编在很久之前专门写过一篇文章进行介绍过,下面咱们就简单说说。

历史上,科学家们对于太阳如何发光这个问题提出过很多假设,其中最为我们所熟知的就是:太阳是一个大煤球,在不断燃烧(这个观点在今天看来是非常可笑的),还有一些其它观点就不再赘述了。

关于太阳为何发光,我们现在的理论是认为太阳内部发生了核聚变反应,而这个观点最早是由爱丁顿提出的,不过限于当时所处的年代,人们对于微观层面的相互作用理论并不完善,核聚变的这个理论并不成熟。

但随着量子力学的深入研究以及人类在1932年第一次发现了中子,核聚变观点有了被解释的切实基础,而这个努力主要由物理学家汉斯·贝特完成。他提出了著名的质子—质子链反应,氢核聚变为氦核,释放出巨大能量,并且由于量子隧道效应的存在,使得质子可以在不太高的温度下,越过势垒,与其它质子靠近,或者进行一些其它过程。

因为太阳内部反应区的温度就不需要太高,大约在1500万摄氏度即可(虽然这个温度对于地球上的我们来讲依旧是一个天文数值)。

对于这个观点,我们可以看到上图(质子—质子链反应),其中除了最主要的聚变外,在这个过程中还会释放出中微子,而为了在实际情况下检验太阳核聚变理论是否正确,就可以看看是否能在试验中检测到太阳中微子的存在。

而这项试验科学家们花了大半个世纪才完成,直到20世纪末21世纪初才确认了太阳内部中微子的存在。

总的来说,太阳核聚变理论的提出以及完善过程,体现了科学家们对自然界坚持不懈、认真严谨的求真态度,实属不易。

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在核反应发现之前,人们只知道化学反应,化学反应的本质就是构成分子的原子或者原子团的重新组合,即一个原本的分子被拆开,然后合成新的分子,在这个过程中就会有化学键的断裂和合成,化学键断裂和合成的过程就会吸收和释放能量。

如果按照举一反三的思路,原子比分子更小,原子如果可以再分,那么原子拆开和组合的过程也可以释放能量,这个猜想是对的,但是原子拆分成电子和原子核吸收和释放能量并不是什么明显,当时的物理学家也没有继续深入的猜想,因此也没有意的发现核反应。

核反应大致分为两类:核裂变和核聚变。

虽然抬头看见的太阳就是核聚变反应,但是太阳离地球太过遥远,人们最先发现的是核裂变,从核裂变得到启发后才开始核聚变,后发现核聚变的另一个原因是核聚变的条件非常苛刻:高温和高压,地球上很难创造这样的反应环境。

核聚变反应为什么难发生呢?

库仑力是存在于带电体的普遍的力,原子核带正电,这样两个原子核之前就存在着斥力。

原子核的之间还存在着核力,核力是吸引力,这也是原子核能够稳定存在的原因,但是核力作用范围很短,要求两个原子核距离近到10^(-20)米,但由于库仑力的存在,原子核不可能靠的这么近。

创造条件发生核聚变反应

原子核就那么小,大小仅有10^(-15)米,原子的体积大小是原子核的10^(15)倍,也就是说偌大的原子,原子核仅仅占了一点空间,让两个原子核距离小于10^(-20)米,和在海洋里放小鱼,等两条小鱼碰撞到一起的概率是差不多的。

为了让原子核距离靠的近,就需要准确碰撞,稍微偏一点就会因为两者之间存在斥力而擦肩而过。

核物理学家想了一个方法,首先让原子核燥起来,通过高温加热,微观粒子的热运动变得剧烈起来,但这还不够,还需要增加原子核的密度。

核聚变反应有个劳逊条件,根据劳逊条件,原子核密度增加十倍,核聚变发生的概率就增加一百倍。

太阳中心不仅有着1500万摄氏度的高温,还有着2.33*10^16 Pa 的压强,地球上任何实验室都无法创造出如此高的压强环境,这也是太阳内部虽然温度较低,但能够发生核反应的原因。

总结一下

太阳依靠内部极高的压力,弥补了温度上的欠缺,从而保证了核反应的进行。

今天的科普就到这里了,更多科普欢迎关注本号!

1952年11月1日美国在珊瑚岛试爆的“迈克”氢弹威力达到了1000万吨TNT当量,人类从此便开始致力于将不可控的氢弹变成可控的核聚变反应堆


从上世纪开始到今天,世界各国和组织都在攻关可控核聚变技术并把它当做解决人类能源问题的终极办法,代号LTER的商业核聚变实验堆目前已经可以生成超过1亿度的高温,但由于种种问题却始终无法将其长时间保持,可控核聚变技术一时陷入了僵局。

然而在1.5亿公里外的太空中就有一个天然的可控核聚变反应堆“太阳”,并且太阳核心的温度只有1500万度,那么为什么一亿度高温的LTER没有实现可控核聚变,1500万度的太阳核心却实现了呢?

答案在于太阳核心除了有1500万度的高温外,还拥有2500亿个大气压的超高压,如此巨大的压力使得内部氢元素间的强互作用力克服了库伦障壁实现了“量子隧穿”效应,这意味着太阳核心的“等离子汤”中氢原子核可以凭借量子隧穿实现“温和”核聚变反应。

然而地球上托卡马克装置内部的压力远不足以让氢元素克服库仑力来进行温和聚变,因此人类只能用超高温与磁约束来维持核聚变反应并将它隔离。

尽管人类对于太阳核聚变反应的全过程已经十分清楚,但在托卡马克装置内还原可控核聚变还是会遭到诸如材料等一系列问题,因此还出现了一句话叫“距离可控核聚变实现永远只有50年”

按照目前各国聚变堆的研制进度来看,2050年前后就能出现商用聚变堆

你怎么就认为1亿度就能发生核聚变?

这里更正一下,1亿度是氢的同位素氘和氚聚变的最佳温度,在此温度下,聚变反应截面最大,通俗点讲就是聚变反应最容易发生。但是。。。。!这不是氢(质子)的聚变温度,而太阳的核反应就是从氢和氢的结合开始的,根据原子核物理相关论述,氢和氢也就是质子与质子的聚变非常的困难,即使在目前的人工聚变反应装置中,其聚变反应的截面也根本无法通过实验测量得出,也就是说1亿度还远远不够。

三座大山

太阳核反应之路面临三座大山:

第一座大山是温度远远不够!

第二座是双氢极不稳定!即使氢和氢发生聚变了,结合成双氢了,也就是氦2,也会在低于1纳秒的时间变回氢和氢!

第三座是怎样把双氢转为较为稳定的氘!

翻过这三座大山有多难?平均每个质子要等上90亿年才能与另一个质子牵手翻过这3座大山!或者说90亿个质子中每年仅有1个能与另1个质子成功聚变为氘!

太阳的三大必杀技

一是量子隧穿!太阳是个玩穿越的高手,微观量子都存在有量子隧穿效应,依靠这种效应,在15000万度的条件下,质子可以以低于克服库仑势垒所需的动量(温度)与另一个质子结合。好了,这算是翻过第一座大山了!

二是弱核力参与聚变。聚变成功后,绝大部分的产物就是双质子,太阳会选取其中的极小部分双氢核,运用弱核力,让其中的1个质子俘获1个电子,转变为中子,并放出正电子和中微子,这一过程被称为贝塔+衰变。

这两大必杀技就解决了主要问题!也因为这两具因素,发生聚变的质子才会这么少,根据数据,太阳每秒仅有370万亿亿亿亿个质子成功修成成果。

嗯!顺便说一下,太阳有8.9亿亿亿亿亿亿亿个质子。

三是大、多

对!这就是太阳可以碾压人工核聚变的原因,即使太阳选了一条最难走的路,但。。。。。架不住它大!架不住它质子多!它就可以进行极度温和的核聚变,即使有爱因斯坦的质能公式,即使是光速的平方,太阳却可以用这一极度简单粗暴的方式平静的燃烧100亿年。

因为参与聚变的质子少,加之双氢的结合能居然是负的(聚变不释放能量,反而吸收1.25兆电子伏特能量),所以太阳核心的发热功率意想不到的低,仅为276.5W/m3,这个功率大致与爬行动物的发热量相当。

所以你脑洞可以再大一点!问一下自己!某些恒星或恒星星团、超星系团,亦或我们的宇宙,其本身会不会就是另一种形式的生物呢?

好了,看的可还明白,要不要来个关注支持一下!也欢迎你留言交流提问!

参考文献:《磁约束聚变:原理与实践》、维基百科等

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