核聚變反應溫度需要上億度？怎麼測量？溫度到底是什麼？

2020-11-19 DrSHI觀科技

核聚變反應的發生，有一個重要的前提，就是需要極高的溫度。有多高呢? 目前聚變界常規的「小目標」都是：一億度！

因此，啟動氫彈裡面的核聚變反應，首先需要一顆原子彈做「引信」，而對於磁約束核聚變裝置，為了實現這一億度的高溫，則需要龐大的加熱系統提供能量輸入。

我國的EAST託卡馬克裝置，曾在2018年，已經實現一億度的高溫等離子體放電。而目前全球合作共建的國際熱核聚變實驗堆的目標，則是1.5億度。

要知道，世界上最耐熱的金屬，熔點也只有3000多攝氏度，相比之下，一億度是個什麼概念呢？又是如何測量的呢？溫度到底是什麼？

今天我們就來聊聊關於「溫度」的故事。

溫度的實質是什麼？

100度，可以使水沸騰；

1000度，很多金屬開始融化；

5500度，最耐熱的金屬鎢也會直接氣化！這也差不多是太陽表面的溫度。

溫度再往上升，化學結構將不復存在，原子的原子核和電子被分開，物質呈現出一種等離子體形態。

28000度，是閃電的溫度，它是自然界中最常見的等離子體。

1600萬度，太陽核心的溫度，核聚變無時無刻都在發生。

3.5億度，氫彈爆炸的核心溫度

10萬億度，人類目前創造出的最高溫度，來自於歐洲核子中心的質子對撞機

其實溫度的實質是微觀粒子的運動。速度越快，動能越大，溫度則越高。

日常生活中，我們用溫度計測量的溫度，一般針對於物體的固、液、氣三態。而當溫度再升高時，物質將呈等離子體態，此時，沒有化學結構，只有粒子。

對於微觀粒子而言，高溫、高速或者高能，其實是等效的概念。因此對粒子溫度的測量，其實也就是對粒子速度或者能量的測量。

舉個例子，對於最簡單的氫原子核，也就是一個質子，一億度意味著什麼呢？

根據溫度/速度轉換公式，粒子溫度與粒子的質量和速度平方成正比。其中，質子質量約為1.7×10^-27 kg，若要加熱到1億度，則需要將其加速到900km/s，相當於光速的千分之三。

溫度、核聚變與萬有引力

既然溫度代表著速度和能量，那麼為什麼會有速度呢？能量又是哪裡來的？

其實真正主宰一切的是：萬有引力！

我們知道，恆星的核聚變是宇宙中的能量來源。而恆星之所以會發生核聚變反應，是萬有引力造成的其核心的高溫高壓環境。

最小的恆星質量約為0.08個太陽質量，核心溫度約為400萬度，可以使氫的核聚變緩慢發生！而隨著恆星質量的增加，萬有引力越來越大，核心溫度也越來越高。

大於10個太陽質量的恆星，核心溫度可達30億度！在這個溫度下，氫聚變成氦，氦聚變成碳，碳聚變成氖，一路向上，直到最終生成鐵。

由於鐵的原子核異常穩定，鐵核聚變，不會釋放能量，反而需要吸收大量能量。恆星內核一旦沒有足夠的能量產生，自身巨大的引力就會造成內核的坍塌，這也意味著恆星的終結！

大質量恆星核聚變產生的主要元素，從內向外，重核聚變到輕核聚變

所以，從某種程度上講，萬有引力不光主宰著溫度和核聚變，也是宇宙萬物的締造者和終結者！

溫度的兩極，代表著宇宙的起源和終結

再聊回溫度本身，我們都知道，溫度的下限是絕對零度，也就是-273.15℃，那麼溫度有上限嗎？

答案是：溫度有上限！

讓我們再回到最初的那個公式，將粒子的速度換成光速，質量換成普朗克質量。這樣我們就得到了溫度的上限：1.4億億億億度！這個溫度發生在宇宙大爆炸的瞬間！

這個公式裡，最令人驚訝的是，普朗克質量並不是一個很大的天文數字，而是一個我們能輕易獲取的質量：21微克。

它是宏觀尺度與微觀尺度的分界點，當物質的質量小於普朗克質量時，它的行為是不確定的，表現出微觀的量子特性。而之所以會出現這種特性，是由於引力場效應所產生的結果。

宇宙誕生之初，溫度是極高的！經過138億年的膨脹和冷卻，目前的我們身處的宇宙，背景溫度是2.7K，大概-270.5℃，可謂是極其冰冷的！

不過由於恆星核聚變反應的存在，相當於在廣袤虛空的宇宙中，一個個局部的熱源，將推動著宇宙的繼續膨脹。與此同時，宇宙的溫度也將繼續降低！

那麼問題來了，宇宙的溫度會降低到絕對零度嗎？

目前的理論，絕對零度不可能達到，因為它意味著絕對靜止，意味著體積為零！

不過，這裡我們倒是不妨腦洞一下：假如宇宙膨脹到最後，溫度降至絕對零度，宇宙會瞬間體積為零，回到誕生之初的那個點嗎？

宇宙從一個原點，生出溫度的兩極，伴隨著自身的誕生與消亡！

聽起來，這樣的劇情是不是很熟悉！

正所謂：天下大勢，合久必分，分久必合。

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    關於太陽內部核聚變的介紹，我們在很多時候都基本是圍繞著「太陽內部溫度極高、壓力極大」這兩點進行說明，實際上這並不充分，或者說應當提及的一個量子效應（量子隧道效應）在很多時候都沒有說明，不過小編在很久之前專門寫過一篇文章進行介紹過，下面咱們就簡單說說。
  • 答疑解惑：可控核聚變上一億度的高溫是怎麼回事？是多大的突破？
    最近常常聽到一個消息，說我國的可控核聚變取得巨大的突破。成功的在XXXX萬度的溫度下運行了XXX秒。這些不可控的核聚變所產生的能量也就難以收集和利用了。目前人類能做到的最高利用率的不可控核聚變的利用方式很簡單——這就是光伏電池。
  • 太陽發熱效率比人體還低,核心溫度1500萬度就能維持穩定核聚變!
    氫彈爆炸的中心溫度高達2億度以上，人類製造的託卡馬克裝置約束的等離子體電子，已經能持續一定時間保持在1億度以上，約束的等離子溫度能在5000萬度以上，太陽中心溫度大約是1500萬度。有人可能會有疑問，太陽1500萬度就能持續進行核聚變反應，為何我們製造上億度的溫度，還是無法實現可控核聚變？
  • 太陽核心溫度只有1500萬攝氏度,為什麼會發生核聚變反應?
    從「人造太陽」的模擬原理我們可以看出，這是一種在人工創造的環境下實現的可控核聚變，其所需要的最重要的一個因素就是創造非常高的溫度，推動核聚變的正常穩定和高效運行，從我國「人造太陽」的研究進展來看，我們目前已經實現了裝置內部在1億攝氏度高溫環境下等離子體的穩定運行，將下來還將要突破3億攝氏度的反應溫度，我國的研究進展已經在國際上遙遙領先。
  • 核聚變電站失控，會不會發生什麼災難？
    什麼是核聚變？既然要討論核聚變電站，我們就先要了解什麼是核聚變？1932年澳洲科學家馬克·歐力峰(MarkOliphant）率先發現兩個較輕的原子核可以融合為一個較重的核，並且在融合過程中產生質量虧損而釋放出巨大的能量。
  • 2億度高溫運行,用之不竭的能量,可控核聚變也許還需要50年?
    首先核聚變的主要方式有三種，第一、行星核聚變，依靠重力場進行約束，可以大大降低反應所需要的條件，太陽就是如此，但人類無法使用，第二個磁場約束，方法很多其中最為著名的就是超導託卡馬克裝置，我國是這方面忠實的追隨者，從目前來看，該裝置也是最最有希望的。
  • 太陽核聚變只要1500萬度,可控核聚變卻要1億度,這是什麼原因?
    什麼叫核聚變？恆星核聚變能量怎麼來的？核聚變就是核融合，簡單地說，就是一個原子核和另一個原子核，在特種條件下能夠擠壓在一起，這樣兩個或更多的原子核就融合在一起，形成了一個更大更重的原子核。新的更重的原子核裡面的質子數，比原來的原子核增加了，因此再也不是原來的原子核了，就成為一種新的物質。
  • 核聚變發電是什麼?
    核聚變發電是什麼？核聚變是較輕的原子核聚合成較重的原子核的反應。這種反應必須在極高的溫度下進行，所以又叫做熱核反應。核聚變放出的能量比核裂變還要大10倍，是一種嶄新的能源。核聚變的原料主要是氫、氘和氚。
  • 超高溫等離子體在1億攝氏度下保持20秒,韓國的核聚變是什麼突破
    此前，美國和日本的研究團隊在1999年成功地將等離子體溫度提高到1億攝氏度。目前，美國、日本和歐洲團隊的等離子體保持時間最長約為7秒。2018年，中國的核聚變研究裝置「中型超導託卡馬克（EAST）」實現了保持10秒。這到底是個什麼事情？還有另一個名字「人造太陽」，是不是聽過了？
  • 中國核聚變獲得重大突破意味著什麼?
    中國核聚變獲得重大突破，說明中國在核能的研究、開發和利用上走在了世界前例，其意義非常重大。這意味著中國將有可能率先擁有人類終極能源之一。那麼什麼是核能、核裂變和核聚變呢？所謂核能是指核裂變能的簡稱。它包括重核裂變與輕核聚變。重核裂變是指一個重原子核，分裂成兩個或多個中等原子量的原子核，引起鏈式反應，從而釋放出巨大的能量。如人們所熟悉的原子彈就是利用了U_235核裂變的原理。
  • 宇宙中天體溫度為什麼會那麼高?這些高溫都是怎麼來的?
    科學家知道太陽上的高溫要比它的發光原理要早一些，按一般科學規律的認知流程，這並沒有什麼大毛病，但卻有一個很有意思的故事，值得大家了解一下！太陽溫度是怎麼知道的？，而普朗克黑體輻射公式則不需要，但卻需要測量太陽各頻段的輻射，需要去套用曲線，當然這些都沒問題，你喜歡哪個就用哪個！
  • 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?
    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。核裂變是一個質量較大的原子核分裂為幾個質量較小的原子核的過程。
  • 中國核聚變實驗裝置觸達一億度!厲害在哪裡?
    「等離子體中心電子溫度達到1億攝氏度。」短短一句話讓網友興奮了。11月12日，中科院等離子體物理研究所發布消息，EAST核聚變裝置在2018年實驗中又有突破。核聚變就像氫彈爆炸或太陽內部反應，溫度超高，一般容器沒法盛放。
  • 核二三事 | 淺談核聚變
    核聚變（Nuclear Fusion），又稱核融合、融合反應、聚變反應或熱核反應，是在極高的溫度和壓力下將兩個較輕的核（主要是氘和氚）結合形成一個較重的核和一個較輕核(或粒子)的一種核反應形式。在此過程中，物質沒有守恆。因為有一部分正在聚變的原子核的物質被轉化為光子（能量）。
  • 核聚變需上億度高溫,可太陽只有1500萬度,怎能聚變百億年?
    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。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。
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    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。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。