太阳既然是核聚变反应为什么不像氢弹一样瞬间炸完呢?

更新时间:2019-03-10 18:41      作者:admin
   太阳既然是核聚变反应为什么不像氢弹一样瞬间炸完,而是持续不断地聚变反应?恒星的质量决定了其尺度,温度,光度等性质,更是控制着恒星最终的命运走向,根据不同质量,其最终结局早已注定是白矮星,中子星,还是黑洞。太阳的巨大质量控制着其内部核心核反应的平衡:恒星有了足够大的质量,才能产生足够引力约束,对内部挤压的重力越大,其内部的密度就会更大,温度更高,才能产生核聚变反应,太阳内部的温度决定核聚变的速率,控制能量的输出,来平衡巨大重力的作用。所以太阳内部存在两种巨大的作用,,一是太阳巨大质量产生的重力导致向内部的引力,二是核聚变产生向外的张力,这两种作用维持着动态的平衡,巨大的质量更是保证了太阳里有足够的燃料,既能持续不断地进行核聚变反应,又能维持太阳数十亿年的稳定存在。在太阳内部核聚变过程中,损失的质量转变成了能量释放。即使以太阳的质量,按目前太阳内部氢含量,也只能再“燃烧”50亿年,然后太阳转变成膨胀的红巨星时,我们的地球到时也会被其吞没。
   太阳之所以不会炸掉,是因为有万有引力。我们比较熟悉的氢弹,与太阳一样,都是使用核聚变产生能量。而一个重要的差别,就是氢弹会炸掉,而太阳不会。更重要的是,太阳每秒钟产生的能量,都远远超过一个氢弹爆炸的能量。问题来了,为什么太阳不会炸掉呢?原因在于太阳除了有向外的能量,还有向里面拉的力量。这个力量就是引力,热核反应产生高温,这个高温确实会使得物质有向外运动的趋势。但由于太阳巨大的质量,这些物质向外的速度会被引力势能所削弱。举个例子,你向天上扔一个石头,它最终会落下来。这是因为有引力。太阳热核反应产生的高压,之所以不会产生爆炸,也是因为有引力。氢弹则不一样——它只有向外的力,而没有相反的力,这就会爆炸,它不会有一个平衡点。同样的道理,如果太阳燃烧殆尽,先可能会膨胀,然后由于没有了向外的力,就会被引力拉向中心,就是所谓的「坍缩」,成为白矮星。
让我们用可控核聚变来进行解释。可控核聚变的难度,并不在于无法发生核聚变,而在于如何延长核聚变的反应时间。当从外界输入巨大的能量,通常以激光、X射线等方式,让处于中心的氢弹丸瞬间处于高温高压的状态,高温让氢原子的速度上升,同时这些氢受到的是一个强大的指向中心的压力。于是这些氢原子向中心疾驰,只要这个中心足够的小,那么这些氢原子中就总有一些要迎头相撞,注意仅仅是一些氢原子迎头相撞,不是所有的。
   只要相撞的力度足够大,氢原子彼此就会融合在一起,转变成氦,在这个过程中损失的质量转变为能量,释放出来,这就是核聚变。这一过程主要发生在内核区。当能量被释放出来,内核的氢原子就会受到一个向外推的力,如果没有外力来和核聚变产生的外推力相平衡,那么剩下的氢原子的飞行轨迹就变成了从内往外飞,它们将无法继续相撞,于是聚变反应就会停止。
而可控核聚变的关键就在于,如何持续提供的一个足够强大的外力,维持住核聚变的持续发生,或者至少要发生到让输出的能量大于输入的能量,否则就成了亏能反应,而不是放能反应了。人类在发展可控核聚变技术时,发展了激光约束和磁约束等方法,试图持续的约束反应原料,不四处乱飞,而只在一个极小的范围内飞,这样才有足够多的机会彼此相撞。目前,约束时间的长短,是人类研发成功可控核聚变的关键。
   其次氢弹的一瞬间的复杂度,如果没有了解,也会把这事想得过于简单化。氢弹利用原子弹爆炸释放外力,将大量氢原子向内推挤,虽然核聚变依然只能发生短短的一瞬,但由于使用的氢原子足够多,那么在一瞬间之内有机会迎头相撞的氢原子也足够多,于是核聚变产生出来的能量也就会足够多。
   核弹爆炸当量5000万吨TNT,设计当量一亿万吨TNT,但由于担心当量太大引发不可控的问题,在实际引爆的那颗沙皇炸弹,将当量缩减了一半。首先用TNT提供的压力,让铀235彼此撞击,于是铀235发生链式反应,链式反应持续的时间越长,铀235释放出的能量越多,利用铀235裂变释放出的大量能量,引发核聚变反应。氢弹虽然被称为氢弹,但实际上它不用氢,而是使用氢的同位素,氘和氚,因为氘和氚更不稳定,更容易发生核聚变。最后,为了进一步提高核弹释放的能量,还装填了大量铀238,铀238很稳定,但在核聚变释放出的非常多超高速中子的撞击之下,铀238发生裂变释放能量。所以,氢弹爆炸的一瞬间,可远没有想象中那么简单呢。但不管怎样设计氢弹,由于缺乏外界约束,所有反应事实上都只能持续存在一瞬间,然后大多数原料就被炸飞了,并没有真的反应完全。
   太阳上的核聚变;太阳能点燃核聚变,是因为它巨大的引力,让氢原子向内核压缩,这种压缩产生了足够的高温和高压。高温提高了原子的速度,高压提高了原子在空间中的密度。于是原子彼此间的剧烈撞击随之发生,当撞击力度超过临界值,于是核聚变发生了。但必须指出,所有撞击都是概率事件,实际上对于单个原子来说,发生撞击的可能性都十分低,每时每刻只有极少数氢原子有机会相撞,产生核聚变反应。不过由于聚变释放出的能量非常巨大,因此哪怕只是很少一点点原子发生的核聚变反应,也已经让太阳发光发热成为一颗恒星,或者被称为太阳了。
   伴随着核聚变的发生,太阳的体积会随之向外膨胀,伴随着体积的膨胀,高压状态会随之下降,原子在空间中的密度也随之降低,核聚变反应速度随之下降,释放的能量变少,于是太阳在引力的作用下又会回缩,太阳的回缩引发核聚变反应加速,在经过许多次的振荡后,太阳得到一个相对稳定的状态,此时引力产生的内压与核聚变反应产生的外推力达到平衡。这个平衡也就让太阳上的核聚变能源源不断发生,而不会熄火。
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