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?

GWBR


太阳并没有像氢弹一样瞬间炸完主要是以下的原因:

  • 一是因为核聚变很难发生,并且相对来说反映效率特别低;
  • 二是太阳的质量巨大,可供核聚变的燃料很多,反应速度再快也需要时间。

氢弹是目前人类最强大的武器,产生的破坏性瞬间毁天灭地的,大约都是千万吨TNT炸药当量的级别。氢弹的爆炸需要瞬间高温由炸药提供,还需要较高的碰撞几率,才能大量发生。氢弹的爆炸瞬间完成是一次性的,至于核聚变的效率是多少控制不了。
而恒星内核的核聚变例如太阳,是在自身引力塌陷的作用下在内核处产生高温高压的环境,这个环境可以满足核聚变的发生,但是这个发生也是有一定几率的。举个简单的例子,两个氕在高温高压的条件都满足的情况下,就是不碰撞你又有什么办法?



如果不是太阳的核聚变燃料在量上碾压,弥补了低概率的碰撞,太阳的核聚变还会更慢更慢。在太阳自身那么大的压力下,才能使太阳内部半径的29%之内发生核聚变,之外就不行了。

所以不要把核聚变看成普通化学反应的爆炸,一个烟头就点燃了一座山的火药。对于核聚变的发生条件很苛刻也很难。


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科学黑洞


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。

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章彦博


首先氢弹并没有炸完,大多数原料还来不及参与核聚变反应,反应就结束了。

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,中国科学家已经能持续约束60秒,这是一个了不起的成绩。


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。当然,如何让原子弹爆炸时的能量,能被利用起来,在从前也是最高军事机密。

图示:世界上当量最大的沙皇核弹爆炸过程示意图。沙皇核弹爆炸当量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,这涉及到原子弹如何设计的秘密。


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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三思逍遥


简单来说,其实太阳一直都在发生极其猛烈的“爆炸”,但太阳本身太大了,巨大的重力会抵消掉核聚变释放出的辐射压,所以太阳不会像氢弹那样瞬间炸毁。通过氢核聚变,太阳每秒制造出的能量高达3.828×10^26焦耳,这相当于18.2亿枚当量为5000万吨TNT的沙皇炸弹同时爆炸。在太阳自身重力的稳定下,如此巨大的能量释放不会炸毁太阳。

在太阳中,能发生核聚变反应的地方只有核心部分——从中心向外延伸五分之一至四分之一太阳半径的区域,而其他部分都没有条件进行核聚变反应。只有在极端高温和高压的环境中,氢原子核获得了足够动能,它们才能克服电磁力发生核聚变反应。

不过,虽然太阳核心中会发生核聚变反应,但那里的氢元素也不是一下子被消耗掉。这是因为氢原子核之间互相碰撞的可能性极低,需要发生量子隧穿效应。而且氢原子核碰撞之后形成的双质子(氦-2)极不稳定,它们在大多数时候会发生β+衰变,结果又会变成两个自由的氢原子核。据估计,对于太阳而言,一个氢原子核发生核聚变反应平均所需时间高达10亿年。正因为如此,太阳的核聚变反应速率会被重力控制在一定的范围之内,而不会引发太阳瞬间炸毁。


火星一号


对于太阳这样的恒星,质量是决定其各种性质的第一要素。恒星的质量决定了其尺度,温度,光度等性质,质量更是控制着恒星最终的命运走向,根据不同质量,其最终结局会注定是白矮星,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,才能产生足够的引力约束,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,保证了太阳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。


量子实验室


氢弹是迄今为止人类制造出来的威力最大的炸弹,它利用的是原子的核聚变反应,而我们的太阳也是以核聚变反应向外面辐射能量,因此我们常说太阳就是一个巨型氢弹。那么问题来了,为什么氢弹的核聚变爆炸只在一瞬间,然而太阳的核聚变却可以进行100亿年呢?为什么它不会一下子爆掉呢?

首先必须指出的是,其实爆炸的氢弹它的核原料也并没有一下子爆炸完,科学家们要做的只是尽量的增多参与爆炸的核燃料罢了,因为可控核聚变是一个很难操作的事情,如果好操作的话,核聚变发电早就实现了,这是因为让氢原子撞击到一起形成氦原子是一种概率事件。



比如氢弹的爆炸,我们要先通过原子弹爆炸将氢原子(通常为氢的同位素氘和氚原子)挤压到一起,让它们在高温高压的条件下发生碰撞引发聚变反应,从而引起氢弹爆炸,但是在这一过程中,并非所有的氢原子都参与到了爆炸中,而是其中的一部分发生了反应,其产生的能量就已经十分惊人,当核聚变爆炸发生之后,产生的极高辐射压会把剩下的氢原子推向外部,氢原子也就不能相撞爆炸了,核聚变反应也就停止了,所以氢弹的爆炸只是一瞬间的事情。



太阳的核聚变和氢弹实际上略有不同,它的核聚变是由于自身引发的,由于巨大的质量产生的强大引力,造成了太阳内部的温度和压力都非常高,从而让氢原子向内核压缩,形成了沸腾的氢离子汤一样的情景,氢原子彼此间的剧烈撞击,有的氢原子的撞击力度超过临界值,于是核聚变发生了。


但是和氢弹的爆炸一样,太阳内部的氢原子撞击也都是概率事件,并不是所有的氢原子都在一瞬间撞击到一起了,只是有很少一部分的氢原子撞到一起,产生了聚变能,所以太阳不会顷刻间爆炸,而又由于太阳规模非常巨大,它内部的氢原子也非常多,至今仍然占到了太阳元素总量的75%以上,因此太阳可以长期持续的进行核聚变反应向外发光发热。

科学家们计算认为,太阳每秒钟有质量为6亿吨的氢经过热核聚变反应为5.96亿吨的氦,并释放出相当于400万吨氢的能量,每秒钟的核聚变能量相当于4亿亿颗广岛原子弹爆炸产生的能量,形成至今的50亿年已经烧掉了一百个地球质量左右的氢元素。



科普大世界


太阳核聚变实质上是一种受控核聚变,在太阳这个巨大的容器中,不间断的发生着受约束的氢核融合,设定的反应时间是100亿年。

我们知道,人类现在需要攻克的核聚变有两大难关:一个是约束力,用什么东西来约束核聚变所需的亿度高温,也就是用什么容器来盛装这么高温度的核聚变反应过程;二是能源的投入与产出之比,如果投入大于产出,这个核聚变就无法为人类造福,没有意义。

现在这两个难题的研究都有所进展,从理论上来说,人类已经解决了这些难题。人们用磁约束、重力约束、惯性约束能够使核聚变受控。

人类已经利用磁约束实现了可控核聚变反应,但时间太短,还不能实用;人们也取得了输入功率与输出功率的正能量比。相信随着研究的不断深化,受控核聚变终究会造福人类。

那么太阳是怎样约束这种核聚变,不会像氢弹一样突然爆炸了呢?

实际上太阳也是一种受控核聚变,使用的是天然引力约束核聚变。

在太阳中心,有1500万度的温度和3000亿个大气压,在这样高压下才产生了氢核融合,由4个氢核融合为一个氦核的聚变,每秒钟有6亿吨的氢核聚变为5.96亿吨的氦,释放出400万吨氢的巨大的能量。

这3000亿个大气压就是太阳巨大的质量导致的中心压力,也是引力导致的,在这样强大的引力下,就把太阳核聚变导致的巨大张力和高温等离子体约束在核心,形成了一个平衡。

这样太阳就像一个受控的核聚变大熔炉,源源不断的输出巨大的能量,以光和热的方式向太空发出电磁辐射,有20亿分之一分配到了地球上,从而孕育了生命和人类。

太阳的这种受控核聚变是自然规律形成的,是不以人的意志为转移的。在宇宙中,所有的恒星都必须遵循这个规律。

恒星根据质量大小,决定着中心核聚变的快和慢,质量越大的恒星反应速度越快,因此消耗的就越快,寿命就越短。比如像R136a1,是迄今人类发现质量最大的恒星,其质量是太阳质量的265倍,由于它中心热核反应速度很快,因此其寿命只有300万年左右,现在已经170万岁了,还有130万年左右就会发生超新星大爆炸,走向末路,成为一个黑洞。

恒星质量过大,就变得极不稳定,引力和中心核聚变的张力难以平衡,就难以束缚住外围物质,就像上述的R136a1,近100万年已经损失了100个太阳的质量,现在还在继续的减少。

我们太阳这样的黄矮星,根据其质量和中心核聚变反映速度,寿命有100亿年,现在太阳的年龄约50亿岁了,因此还有50亿年才会变成一个红巨星,最终末路是变成一个白矮星。

比太阳小的红矮星寿命就特长,有的可以达到上千上万亿年,与宇宙同辉。

时空通讯观点,欢迎点评讨论。


时空通讯


地球上的氢弹爆炸后产生的核火球也可以维持几秒钟甚至几十秒种,如果氢弹的威力足够大那么也能产生像太阳一样的效果:熊熊燃烧100亿年


人类的氢弹之所以在几秒钟之内炸完是因为无法把核聚变稳定维持下去,所以人类的氢弹是不可控核聚变,正是因为不可控所以氢弹才有那么大的威力,而人类现在在研究的可控核聚变就是让聚变时的能量慢慢释放除开从而让人类利用,比如核聚变发电站什么的。

而维持可控核聚变需要的是持续不断的超高温和超高压,还要约束核聚变产生的上亿度的高温,所以人类现在迟迟没有掌握可控核聚变技术,但是太阳内部就是天然的超高温和超高压环境,并且太阳本身也不用约束上亿度的高温。再加上太阳本身巨量的氢和氦,完全可以把可控核聚变这一过程持续100亿年。


太阳目前已经进行了50亿年的核聚变反应,再有50亿年太阳就会寿终正寝变成红巨星,在然后就会变成白矮星。

人类要像想太阳一样获得持续不断的可控核聚变,首先就要持续的超高温和超高压触发核聚变反应,然后再准备好充足的聚变燃料,比如月球上的氦3之类的,这样一来只要有超高温和超高压,再加上充足的核聚变燃料,人类也可以制造出持续上百亿年的人造小太阳。

大家千万不要把太阳想成慈祥的太阳公公,事实上太阳作为一个恒星每时每刻都在向外释放其强大的能量,太阳是一条狂暴的巨龙,一个恐怖的核火球。


宇宙探索未解之迷


太阳就像是一个巨大的氢弹,每时每刻它上面都在进行着剧烈的核聚变反应,产生巨大的光和热,为地球的生命活动提供源源不断的能量供应。自太阳诞生至今,已经过去了50亿年了,但是太阳的质量损失不过万分之一罢了,太阳能量耗尽,还需要50亿年的时间。

首先了解一下什么是核聚变反应:要想发生核聚变反应,就要让原子核之间的距离足够近,而原子核与原子核之间由于带相同电荷的原因而彼此相互排斥,这就要求原子核需要具有足够的动能,对于某一温度的物质,其组成粒子有一定的速率分布,动能较大和较小的粒子所占的比例都非常小,

别看太阳的温度有1000万度以上,但也只有很小一部分比例的粒子有足够的速度产生核聚变,所以太阳不是瞬间进行核聚变,而是持续进行。

另外,质量越大的恒星其中心温度越高,达到核聚变要求的粒子比例也就越高,所以说质量越大的恒星燃烧得更快,寿命也就更短了。而温度越高也导致物质的原子间距变大,使热核反应的激烈程度下降,这样也是形成了一种负反馈,造成了热核反应趋于一种稳定的状态,使太阳得以长久生存下去。此外,我曾经在一本书上看到过太阳产生核聚变反应的地方仅仅是在距离太阳表面70万公里的深处,热核聚变反应虽然时时刻刻都可以发生,但是其产生的能量却没有那么轻易地就可以出来,从其产生到跑到太阳的表面,需要几百万年的时间,所以可以说此刻太阳所发出的光,其实早在几百万面前的热核聚变反应中就产生了。所以,太阳的能量就是这么慢慢地被释放出来的,一时半会它还不会把能量全部吐出来。


太阳每秒钟会消耗600万吨的氢,但是因为它的氢储量是天文数字,所以还有约50亿年的寿命,等氢消耗得差不多了,再进行更重元素的合成,那么太阳就离死不远了。


镜像宇宙


太阳核心反应区内部的温度高达1500万摄氏度,每秒钟都会有约400万吨的氢直接转化为了能量释放出去,这是什么概念?每秒钟太阳新制造出的能量相当于9.192*10^12万吨TNT爆炸产生的能量。

那么为什么太阳没有被炸得“稀巴烂”呢?

我们知道,人造的氢弹是不可控的核聚变,反应往往是很短的一瞬间,却释放出如此大的能量,而太阳是受控的核聚变,受谁控制,受它自身强大的重力控制。

而且,核聚变反应带来的能量只能说是苦苦支撑自身不重力坍缩,产生的辐射压对抗着重力收缩。而在大约50亿年后,太阳核聚变产生的辐射压就对抗不了重力了,才会演化成白矮星。

这就是重力约束核聚变反应,能让反应持续进行。像氢弹,只有少量的材料参与了核聚变反应,然后温度、压力达不到,聚变反应立刻终止。

太阳内部时时刻刻都是那么高的压力与温度,氢原子核(质子)可以充分参与,加上太阳的质量不是咱们地球可以去比拟的,太阳还可以进行大约50亿年之久。


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