為什麼氫彈一點就炸,太陽的核聚變卻如此穩定?

2021-01-09 騰訊網

氫彈是一種核武器,主要的原理是氫的同位素進行核聚變從而所釋放的能量。我們也知道太陽的核心主要是由氫元素所構成的,太陽就是通過內部不斷進行核聚變來發熱的。

那麼為什麼人類發明的氫彈一點就炸了,但是太陽的核聚變卻能夠如此穩定地進行幾十億年呢?

人類能發明出像太陽一樣的,可控的「氫彈」嗎?

宇宙中的恆星的內核基本上都在進行著核聚變,那核聚變究竟是怎樣的一個過程呢?

核聚變

核聚變就是指質量較小的原子在高溫高壓下讓核外電子擺脫原子核的過程,兩個原子核相互吸引和碰撞,產生了聚合作用,從而可以生成質量更大的原子核。在核聚變的過程中質量的損失釋放了巨大的能量。

目前人類已經可以實現不可控的核聚變了,也就是我們上面提到了氫彈,那麼有朝一日,人類能夠實現可控核聚變嗎?

質能方程

質能方程E=mc²體現了能量與質量之間的關係,其中E表示的是能量,m是質量,c則表現為光速,愛因斯坦提出的這個方程就是用來解釋核變反應中的高能粒子的能量的。

光速的計算值為299792.458km/s,質能方程中體現為光速的平方,因此在核聚變的過程中,只要一點點質量的損失就能夠帶來巨大的能量。

也正是因為如此,太陽的燃料看似無窮無盡,燃燒了幾十億年,也仍然非常耀眼。

氫彈

氫彈就是人類所實現的不可控的核聚變,因此從本質上來書點燃氫彈的過程就是一個核聚變的過程。氫彈主要利用的是氘和氚(氫的同位素)來實現核聚變並且釋放能量。

它的熱核反應為 (氘+氚氦+中子+能量)

實際上,要實現核聚變對溫度的要求很高,但是人類目前創造不出上億度的高溫,因此為了實現氫彈,這個過程中還涉及到了核裂變。也就是說先通過核裂變產生X射線,然後壓縮並且加熱次級的核聚變燃料,從而促使核裂變的產生。

為什麼氫彈比原子彈的威力要大?

氫彈的原理是核聚變的原理,原子彈的原理則是核裂變的原理。而氫彈的原料氘—氚聚變釋放的能量則比原子彈使用的鈾裂變的能量多得多,而且氘—氚的當量是沒有上限的。

但是原子彈中一旦鈾/鈽太多,就很有可能會自爆。

所以氫彈聚變的過程其實也使用了原子彈的原理,先用原子彈爆炸來提供高溫高熱,所以我們可以理解為氫彈爆炸的時候還附帶了一個原子彈爆炸,所以氫彈爆炸的威力比原子彈強得多。

太陽的核聚變

太陽核心的溫度是15,000,000K,也就是約為1500萬攝氏度。那為什麼地球的氫彈卻需要上億攝氏度的溫度才能爆炸呢?

太陽的質量非常大,而且它的核心質量就佔據了99%以上,因此太陽內部受外部擠壓的力非常大,內部的溫度也非常之高,內部呈現出等離子的狀態。

也就是說在高溫下,原子中的電子被剝離出來,經歷了一個電離的狀態,所有的粒子不分你我,在太陽核心到處亂逛。

在弱力的作用下,一個質子會轉變成一個中子,然後中子和質子的結合又得到了一個氘核。雖然弱力產生的機率非常少,但是一旦太陽內部中間產生了一個氘核,核聚變的產生就水到渠成了。

我們稱太陽核聚變的過程為質子-質子的反應,是因為需要4個質子通過核融合來形成一個氦核,並最終釋放能量。

為什麼氫彈不可持續呢?

第一個原因是,氫彈的高溫難以保持。太陽內部的高溫高熱是一直可以維持的,但是在地球上並沒有這種條件,氫彈在爆發的瞬間就失去動力了。

第二個原因是,燃料質量太少。和太陽的質量相比,氫彈裡面的燃料簡直少的可憐,因此在爆炸的過程中是不可持續的,一旦引爆之後,燃料就用完了,更別說持續進行爆炸了。相比起來,太陽的燃料簡直是燒不光。

小結:

為什麼都是核聚變,氫彈卻一點就炸,太陽卻能持續幾十億年呢?實際上,氫彈雖然本質上是核聚變,但是它是先通過了核裂變來提供能量從而進一步推動了核聚變的產生。這也正是氫彈的威力比原子彈大的原因,氫彈在爆炸的過程中相當於附帶了一個原子彈爆炸。

氫彈是人類目前已實現的不可控的核聚變,與太陽相比它如此不穩定主要有兩個原因,一是氫彈反應的高溫難以長期保持,二是燃料質量太少不可持續。

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  • 夸克聚變威力或比核聚變大
    原標題:夸克聚變威力或比核聚變大   據《科學美國人》雜誌網站和物理學家組織網6日報導,最新一期《自然》雜誌刊登了一篇夸克聚變研究的重磅論文:以色列特拉維夫大學和美國芝加哥大學科學家合作,首次證明夸克在聚變反應中能向外釋放強大能量,威力遠大於製造氫彈的核聚變釋放能量。
  • 在地球上「種太陽」:一文讀懂核聚變和ITER的前世今生
    冷核聚變是指在接近常溫常壓和相對簡單的設備條件下發生核聚變反應。冷核聚變雖然提出多年,但卻一種備受質疑,篇幅所限,本文主要關注熱核聚變。  前文提到,核聚變是給活躍的或「主序的」恆星提供能量的過程,實際上熱核聚變是宇宙中一種普遍的能量形式,比如,太陽就是一個巨大的熱核聚變反應爐。這也正是為何我們的受控核聚變研究被通俗的稱為「人造太陽」的緣故。
  • 假如人類徹底掌控了可控核聚變,未來的世界將會發生什麼變化?
    當然,這一天的到來還有點遠,但可控核聚變的技術正在飛速發展中,也許我們有生之年就能夠享受到這項技術穩定發電帶來的便利。我們不妨先了解一下核聚變的相關知識。 什麼是核聚變? 核聚變的原理並不複雜,人類在20世紀30年代就開始進行核能相關理論的研究,並且以此為基礎研製了原子彈與氫彈等武器,其中原子彈是核裂變反應的典型應用,而氫彈是核聚變反應的產物。
  • 當人類徹底掌握可控核聚變技術後,未來世界會發生什麼變化?
    如果能夠解決核聚變技術,人類將獲得取之不盡用之不竭的新能源。人類點滿核聚變這項劃時代的技術,帶來的影響不亞於前三次工業革命,從此之後再也不用擔心能源短缺問題,就可以把目光投入到太空,將文明的火種撒向整個太陽系。當然,這一天的到來還有點遠,但可控核聚變的技術正在飛速發展中,也許我們有生之年就能夠享受到這項技術穩定發電帶來的便利。
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    這次試驗是1954年「城堡行動」的一部分,是迄今為止引爆的最強(但不是最強)氫彈之一。在氫彈爆炸中,核裂變壓縮一個內部彈丸,然後在失控的能量釋放反應中進行核聚變。在短時間內,那裡的溫度可能會超過太陽中心的溫度。太陽核心的溫度通常是1500萬攝氏度左右。一些由前蘇聯和美國進行的中型熱核試驗引爆被記錄在(即使非常短暫)2億甚至3億攝氏度。