核聚變需上億度高溫,可太陽只有1500萬度,怎能聚變百億年?

2020-08-01 科學信仰


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。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。

核聚變需上億度高溫,可太陽只有1500萬度,怎能聚變百億年?


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。

核聚變需上億度高溫,可太陽只有1500萬度,怎能聚變百億年?


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。

核聚變需上億度高溫,可太陽只有1500萬度,怎能聚變百億年?


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?

核聚變需上億度高溫,可太陽只有1500萬度,怎能聚變百億年?


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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    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。
  • 核聚變至少要一億度,太陽核心只有1500萬度,為什麼還能核聚變?
    全世界窮盡一切努力正在建設商業核聚變實驗堆ITER,它的目標是遠超一億度以上的高溫,並且保持超過500秒以上的時間,以讓參與聚變的氚氘達到聚變條件,原子核在超高溫下突破庫侖障壁,聚合在一起形成氦四,同時釋放出巨大的能量!
  • 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?
    稍懂科學常識的人都知道,太陽一直是依靠核聚變源源不斷的產生著巨大能量,我們才能夠得到它的光和熱。太陽中心溫度只有1500萬℃,就可以維持源源不斷的核聚變。可一些科學報導總說,現在正在試驗的可控核聚變溫度達到了1億℃,這又是為什麼呢?為什麼不可以像太陽那樣,用較低溫度實現可控核聚變,這樣不是容易很多嗎?
  • 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!
    太陽內部的核聚變反應其實是非常緩和的,太陽整體釋放能量的效率甚至比人體還低很多倍,之所以太陽內部1500萬度就能持續釋放大量能量,主要原因在於太陽質量太大。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?
  • 核聚變反應需要上億度高溫?怎麼測量?溫度到底是什麼?
    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。
  • 同樣是核聚變,氫彈爆炸只是一瞬,為何太陽卻能燃燒百億年?
    比方說在一次工業革命中,人類發明了蒸汽機,在這一過程中,人們也研究過太陽的能量來源,但是研究來研究去只得出了太陽的能量來源不是煤炭的結論。這以後人們一直為了太陽的能量來源爭論不休,直到核物理學的誕生以及進步,人們才知曉太陽是利用核聚變反應燃燒的。
  • 中國「人造太陽」達1億度以上運行,使用「核聚變能」還有多遠?
    中國現在「人造太陽」達到1億度以上運行,這意味著我國核聚變技術又上升到一個新的臺階。什麼樣的裝置能耐如此高溫?距離世界先進水平還有什麼差距?(HL-2A)」基礎上新研製的又一大型託卡馬克裝置,其科研目標是探索可控核聚變研究,實現「人造太陽」的人類終極能源追求。
  • 同樣是核聚變,為什麼太陽能燃燒100億年,氫彈一下子就炸了?
    地球的能量主要來自於太陽輻射,但是實際上太陽輻射只有大概二十二億分一被地球接收到,而人類只能利用其中的萬分之一。太陽的能量來源於它內核的核聚變反應,和氫彈是類似的,可問題就來了,同樣都是核聚變反應,為什麼氫彈會一下子全炸掉,而太陽可以維持數百億年的核聚變反應?
  • 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。和太陽巨大軌道球面相比較,我們能利用到的太陽不可控核聚變的比例也是很可憐微乎其微的億億分之一的級別。由於內部等離子體的溫度高達幾千萬攝氏度甚至上億攝氏度,並且等離子體在裝置內高速運動,這就導致了裝置極其不穩定很難讓裡面的聚變反應持續不斷的進行。於是溫度/時間的指標也就成了目前長脈衝可控核聚變裝置的重要攻堅特性。例如我們的東方超環,在5000萬度的溫度下可以持續工作101.2秒,在一億度的溫度下可以工作9.76秒……這些指標就已經代表了世界上最先進的水平。
  • 什麼是磁約束可控核聚變,什麼時候才能商業化可控核聚變發電?
    無論是磁約束還是慣性約束核聚變,都是可控核聚變研究的重要方向,兩者本質上沒有什麼區別,都是控制氚氘等輕元素聚合成重元素的一種方式,但兩者的原理與過程卻大相逕庭,不妨來圍觀一下!其實核聚變的過程甚至比核裂變還要簡單,它不需外來的中子,而只要原子核在一定範圍內運動碰撞融合即成了核聚變,唯一只有兩個要求:夠高的溫度(上億度高溫)或者足夠的壓力(數千億個大氣壓).....幾乎就沒有要求了哈.....比如太陽內部就只有1500萬度和2500億個大氣壓即可實現源源不斷的核聚變!
  • 同樣都是核聚變反應,為什麼氫彈瞬間爆炸,太陽卻能維持100億年
    但是太陽內部的核聚變反應的時間要漫長的多。太陽的核聚變的反應不但已經持續了46億年的時間,而且未來還會穩定的維持大約60億年。為什麼太陽的核聚變反應能夠穩定維持100億年而不是瞬間爆炸完了呢?科地球上的海水中含有豐富的核聚變原材料,氫的同位素氘。科學家估計海水中的氘總量達40萬億噸。如果將這些氘全部用於核聚變反應的話,釋放出的能量可供人類使用幾百億年的時間。這塊能源實在是誘人,但是人類要想實現可控核聚變技術並不容易。像氫彈這樣的核聚變反應是不可控的。太陽也許能夠給我們啟發。
  • 同樣是核聚變,為什麼太陽能夠燃燒數百億年,而氫彈一下就炸了?
    太陽能夠持續百億年的核聚變反應主要是依靠「自身的引力」來維持的,而太陽最終會熄滅也是因為「自身的引力不足」導致的。那就是咋回事呢?太陽的核聚變反應這件事要從太陽的形成說起。而太陽的質量達到了地球質量的33萬倍,這個引力也就要遠遠大於地球的引力。因此,太陽對於內核的擠壓是極其巨大的,這也使得太陽內核的溫度急劇上升,可以達到1500萬度左右。不過,照理說1500萬度的溫度是不足以引發氫原子核的核聚變反應。
  • 太陽和氫彈一樣是核聚變反應,它怎麼能夠維持46億年而不瞬間爆炸
    我們發現太陽內部也在進行著和氫彈一樣的核聚變反應。氫彈爆炸那幾乎是瞬間的事情。但是太陽內部的核聚變反應的時間要漫長的多。太陽的核聚變的反應不但已經持續了46億年的時間,而且未來還會穩定的維持大約60億年。為什麼太陽的核聚變反應能夠穩定維持幾十億年而不是瞬間爆炸完了呢?
  • 英公司稱實現可控核聚變僅需數年
    在英國核聚變發電創業企業、託卡馬克能源公司(Tokamak Energy)CEO David Kingham看來,人類實現「終極能源」——核聚變發電的曙光就在眼前。這家2009年成立、位於英國牛津的核聚變明星企業近日宣布,其最新的ST40聚變反應堆已實現首次啟動,並正式生成第一批等離子體。今年秋季,ST40可以產生溫度達1500萬度的等離子體——這相當於太陽中心溫度。
  • 太陽到底是什麼構成的,為什麼會自發地進行核聚變?
    而氫元素的原子原子核內只有一個質子,核外只有一個電子。所以,最容易構成的原子是氫原子。而第二容易形成的就是氦原子。因此,宇宙中大部分的原子都是氫原子和氦原子,佔據了總量的99%以上。所以,宇宙中大多數的天體都是由氫原子和氦原子構成的。
  • 同樣是核聚變,為什麼太陽能燃燒100億年,而氫彈一下就炸了?
    同樣都是依靠核聚變反應,氫彈一下子炸得渣都不剩,而太陽到如今已經燃燒了接近50億年,而且它還會這樣繼續燃燒幾十億年,那這到底是為什麼呢?要了解氫彈的核聚變,我們就得先搞清楚什麼是核聚變。這裡的「核」指的是原子核。核反應實際上分為核聚變和核裂變。從字面意義上,我們其實也能知道,核聚變就是幾個原子序數小的原子核發生融合,而核裂變實際上就是原子序數大的原子核分裂成原子序數小的原子核。
  • 同樣是核聚變,為什麼太陽能燃燒100億年,而氫彈一下就炸了?
    太陽源源不斷的能量來自於它內核的核聚變反應,這其實和氫彈的原理是類似的。可是你發現沒有?同樣都是依靠核聚變反應,氫彈一下子炸得渣都不剩,而太陽到如今已經燃燒了接近50億年,而且它還會這樣繼續燃燒幾十億年,那這到底是為什麼呢?
  • 太陽那麼高強度的核聚變反應,為什麼不會失控?
    我們先來看一下氫彈爆炸的原理,說白了它是一種核裂變和核聚變的綜合體,內部是氫彈,外部是原子彈(當然現代大部分氫彈在最裡層還會布設一層原子彈),首先要引爆外層的原子彈,通過鈾-238發生裂變,釋放出巨大的能量,使得中心區溫度瞬間達到1億度(這也是氫發生核聚變的最低溫度),從而激發內核氫同位素-氘的核聚變反應,達到引爆氫彈的目的。
  • 中國科學家研發1.8億度的核聚變堆,比6個太陽同時燃燒還厲害
    我們知道太陽內部不停地發生著核聚變,太陽表面溫度可達6000度,內部高達20000度,這個溫度是相當高的。人類自從發現鈾這种放射性物質後,原子彈,氫彈這種威力巨大的戰略性武器也沒人類研發出來。核能不僅能製造武器,它更可以為我們人類的日常生活服務,地球上人工核聚變堆可產生3000℃~6000℃的高溫。核聚變是利用核物質發生聚變時產生的,在大量的輕核物質聚集在一起時就會產生十分誇張的化學反應,並且過程中散發出超級高的能量。
  • 英國公司稱實現可控核聚變僅需數年
    在英國核聚變發電創業企業、託卡馬克能源公司(Tokamak Energy)CEO David Kingham看來,人類實現「終極能源」——核聚變發電的曙光就在眼前。這家2009年成立、位於英國牛津的核聚變明星企業近日宣布,其最新的ST40聚變反應堆已實現首次啟動,並正式生成第一批等離子體。今年秋季,ST40可以產生溫度達1500萬度的等離子體——這相當於太陽中心溫度。