太阳核聚变1500万度,可控核聚变却要1亿度,这是什么原因?

稍懂科学常识的人都知道,太阳一直是依靠核聚变源源不断的产生着巨大能量,我们才能够得到它的光和热。太阳中心温度只有1500万℃,就可以维持源源不断的核聚变。可一些科学报道总说,现在正在试验的可控核聚变温度达到了1亿℃,这又是为什么呢?

为什么不可以像太阳那样,用较低温度实现可控核聚变,这样不是容易很多吗?这是很多人一直想闹明白的问题,我们今天就来细细讨论一下,把这个问题说清楚。

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%。这部分亏损的质量那里去了呢?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。

宇宙中本来只有氢和氦,还有及少量的锂,比这重的元素都是通过恒星核聚变得来的。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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