核聚變需上億度高溫,可太陽只有1500萬度,怎能聚變百億年?

2020-12-15 科學信仰

什麼是核聚變呢?簡單來講,核聚變就是通過讓原子核實現相互融合,從而釋放出巨大的能量。

迄今為止,人類在戰爭中所使用過的威力最大的武器就是原子彈了,而原子彈所採用的就是核裂變技術。原子彈的威力無人不知無人不曉,而與原子彈所採用的核裂變技術相比,核聚變所釋放的能量更加巨大,所有採用核聚變技術製造的氫彈,其威力更是要遠勝於原子彈。

現而今人類還在試圖將核聚變技術可控化,並且將可控核聚變的實現視為第一宇宙文明的標誌,以人類現有的能源消耗速度來計算,如果可控核聚變真的實現,那麼人類也就具有了取之不盡用之不竭的能源。說到能源,地球上所有的能量的源頭其實都是太陽,而太陽之所以能夠產生巨大的能量,也是源於其內部的氫核聚變。

身在地球之上,我們很難體會到太陽所釋放的能量有多麼巨大,自然也無法領略太陽內部核聚變的威力,這都是因為我們能夠收集到的太陽能量實在太少了。

還是以人類現有的能源消耗速度來進行計算,太陽每秒鐘所釋放的能量就可以滿足全人類25萬年的能源需求,而我們在地球上能夠收集到的太陽能量可以說是微乎其微。所以人類也將能夠收集太陽所釋放的全部能量的技術視為第二宇宙文明實現的標誌,而目前這種技術的代表就是想像中的戴森球。太陽的能量和人類所製造的氫彈都是基於核聚變,但兩者卻有著很大的區別,因為如果以製造氫彈的標準來衡量太陽,太陽根本無法發生聚變反應,原因就在於它的溫度不夠。為了弄懂太陽是怎麼一回事,我們有必要先簡單了解一下氫彈的原理。

氫彈雖然叫做氫彈,但通常使用的原材料並不是氫,而是氚和氘,此二者是氫的同位素。

當氚和氘兩個原子核結合之後,會生成一個氦原子核並釋放出一個中子,很顯然,這個過程會造成質量的損失。而損失的質量則以能量的形式被釋放,這就是核聚變能夠釋放出巨大能量的原因所在。原子核融合之後只釋放了一個自由中子,如此微小的質量損失能產生多少能量呢?如果你有著這樣的疑問,那麼我們就需要請出愛因斯坦的質能方程了,E=mc∧2。

在這個公式中E代表能量,m代表損失的質量,而c∧2代表光速的平方。光速為每秒299792458千米,其平方更是數值巨大,所以只要有些許質量損失,都可以釋放出巨大的能量,這就是核聚變威力驚人的原因所在。

為什麼說以氫彈的標準來衡量太陽,太陽根本無法發生核聚變呢?原因就在於要讓原子核實現相互融合需要極高的溫度,上億度的高溫。

所以氫彈實際上是由裂變彈和聚變彈兩個部分所組成的,先通過引爆裂變彈釋放巨大的能量進行升溫,然後再引發聚變反應。那麼太陽也達不到上億度的高溫嗎?達不到。太陽表面的溫度只有5700攝氏度左右,比地球內核的溫度還要低一些,而太陽內部的溫度要比表面溫度高多了,但也只有1500萬攝氏度而已,這距離核聚變上億度的要求還差得遠。

當然了,在宇宙中有很多比太陽更大的恆星,它們內部的溫度也要比太陽高得多,一些大質量的恆星內部溫度甚至可以達到10億度。那麼既然太陽內部的溫度不夠高,太陽為何能夠引發氫核聚變呢?

太陽與氫彈的最大區別就在於太陽擁有巨大的質量,因為質量巨大,所以引力也十分巨大,在強大引力的作用之下,太陽內部氫原子中的電子會擺脫束縛,所以氫原子在太陽內部實際上是以氫原子核的形式存在的,而氫原子是由一個質子和一個電子所組成的,所以氫原子核實際上就是一個質子,所以太陽核聚變要比氫彈容易得多,只需要在弱力的作用下將四個質子進行融合便能夠形成一個氦核並釋放出巨大的能量。

由於太陽的聚變是依靠弱力,所以它聚變反應的速度是相對緩慢的,這就是太陽不會一下子將所有能量釋放出來的原因,迄今為止,太陽已經穩定反應了50億年左右了,而未來它還有將近50億年的壽命,可以說太陽的聚變反應將持續近百億年左右。

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