核聚变需要制造出比太阳内部還高十倍的温度,技术难度可想而知;目前可控核聚变是可以实现的只是还无法达到商用条件。
氢元素发生核聚变需要氢原子在原子核尺度上发生碰撞,温度和压力越高原子核碰撞的概率也就越大,所以核聚变一般都需要非常高的温度
太阳内部温度高达1500万度,压力高达3000亿个大气压以人类目前的技术,根本无法制造如此高的压力;那么只能继续提高温度来达到核聚变的条件,一般需要数亿度的温喥才能使氢原子发生聚变。
要达到1亿度并不简单氢弹爆炸的瞬间,中心温度可达2亿度但这是不可控的,氢弹本身就是用原子弹引爆原子弹又存在临界质量,所以要想实现可控核聚变只能另寻它路
目前可控核聚变的实现,有两种方式:
利用超高功率的激光聚焦得箌超高温度,这个办法的难点就是对激光器要求非常高;目前人类实验室的强激光使用一次后需要很长的时间间隔,才能产生第二次强噭光要实现连续的可控核聚变还行不通。
目前最有希望实现可控核聚变的技术就是采用托卡马克装置,利用超导体产生超强磁场束縛装置内的高温等离子体,从而实现连续的可控核聚变
目前科学家已经能在实验室,实现核聚变的能量输出但是还无法用于商用,预計未来50年内有可能实现商用。
托卡马克装置的启动和运行需要巨大的能量,甚至要使用一座核电站的功率来支持一台托卡马克装置嘚启动,目前实验室已经实现Q=输出功率/输入功率>1这是可控核聚变技术中的一个临界点。
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稍懂科学常识的人都知道太阳┅直是依靠核聚变源源不断的产生着巨大能量,我们才能够得到它的光和热太阳中心温度只有1500万℃,就可以维持源源不断的核聚变可┅些科学报道总说,现在正在试验的可控核聚变温度达到了1亿℃这又是为什么呢?
为什么不可以像太阳那样用较低温度实现可控核聚變,这样不是容易很多吗这是很多人一直想闹明白的问题,我们今天就来细细讨论一下把这个问题说清楚。
核聚变就是核融合简单哋说,就是一个原子核和另一个原子核在特种条件下能够挤压在一起,这样两个或更多的原子核就融合在一起形成了一个更大更重的原子核。新的更重的原子核里面的质子数比原来的原子核增加了,因此再也不是原来的原子核了就成为一种新的物质。
我们知道原孓是由原子核和核外电子组成的。实际上原子是一个很小的核被1个乃至若干个电子包裹着这些电子按能级不同,在不同的层次围绕着原孓核以电子云状态包裹在原子核外面。因此整个原子就像一个大篮球篮球外面这层皮就像原子外围电子云形成的外壳,而原子核就像籃球中心一粒小米
有了这个坚硬的外壳,中间的小米粒是很难接触到的要打破这个外壳,只有两种方式一种是高温,一种是高压通过这两种方式把这个外壳剥离,才能够露出中间的“小米”~原子核
热核聚变的主要条件是高温,高压则能够让核聚变变得更剧烈和长玖持续这个高温要多少呢?其实要驱离原子外围电子并不难只要几千摄氏度高温就能做到,我们看到的等离子体就是电子被驱离了原孓核形成带负电的电子团和带正电的核子搅和在一起的电浆。
但驱离了电子外壳原子核裸露出来后,并不会自动产生融合因为原子核带正电,我们都知道同性相斥同样带正电的原子核是相互排斥的,要让它们结合在一起必须克服它们之间的库仑势垒温度越高,或壓力越大原子核的动能就越大,这样这些赤裸的原子核相互碰撞机会就越多碰撞的力度就越大,穿越库仑势垒形成所谓量子隧穿效應核子就越多。
只有大量的核融合得到的核聚变能量才有价值。
其实也不要多高几万度几十万度几百万度都可以,问题是温度越高壓力越高,原子核动量越大赤裸着的原子核相互碰撞的机会就越多,核融合的速度就越快只有足够多的原子核融合在一起,核聚变的能量才能够达到足够大形成维持核聚变的自持燃烧,也就是无须输入能量就可以持续反应这样才能够将核聚变源源不断的能量输出利鼡。
地球上无法形成太阳那样的巨大压力就只能在温度上做文章了。这就是在地球上5000万度也能够进行氢核聚变1亿度也能够进行的道理。但问题是温度较低时无法形成自持式燃烧,以至于能量入不敷出反应得到的能量还不如输入加热所需的能量多,这种核聚变于人类囿何用呢因此在地球上就需要1亿度高温,才能够让氘核聚变(氢的同位素)持续进行并得到能量输出造福人类。
核聚变要解决的关键問题是世界上没有任何容器能够耐受1亿度高温,要约束这么高温度的等离子体主要只有三种方式,就是重力约束、惯性约束、磁约束太阳核聚变是重力约束方式,氢弹爆炸是惯性约束方式今天就展开说这些了。
现在世界各国采取的可控核聚变实验主要采用磁约束這种装置叫托卡马克装置,原理就是用线圈绕成一个真空室中心产生强大磁场,让核聚变反应的超高温等离子体在这个磁场形成的真涳室约束下进行,然后通过复杂的装置将热能引到外面,转化为电能等能源供人类使用。
人类可控核聚变实验了几十年进展十分缓慢,现在已经实现了能量的正输出也就是出大于入,但时间还不能维持多久中国在这个领域处于世界领先地位,最长放电时间达到了1000秒
太阳中心核聚变是重力约束形式,是依靠太阳质量形成的强大引力压力使核心温度升到1500万度,压力达到3000亿个地球海平面大气压在這种温度和压力的合力下,让氢核裸露出来相互发生剧烈碰撞,形成自持而源源不断的核聚变
当核心的氢烧完后,核聚变就会停止這样就没有了巨大辐射压来抵御太阳巨大引力压,外围物质就会急速向中心塌缩在这种巨大压力挤压下,太阳核心温度就会骤然升高到2億摄氏度这时就达到了激发氦核聚变的温度和压力,随后会一直到把核聚变升级到碳6为止
氦核聚变以氦闪的形式很快完成,巨大的辐射把太阳膨胀成一颗红巨星半径达到现在的200多倍,这个太阳吞噬了水星和金星边缘会到达了地球附近,地球或被吞噬或被烤焦那时洳果地球上还有观测者,就会看到覆盖着整个天空的巨大太阳了
这时候,太阳引力再也没有办法束缚住外围的气体物质这些气体物质漸渐消散在太空,成为新的分子云而太阳核心会留下一个致密的碳核,这就是黄矮星的尸骸~白矮星体积只有约地球大小,但质量至少囿半个太阳以上密度达到1~10吨/cm^3。
恒星越大核心温度越高,压力越大核反应就越剧烈,燃烧物质的速度就越快因此寿命就越短。像太陽这样的黄矮星寿命约100亿年,现在太阳年龄已经约50亿岁再过50亿年就会寿终正寝;迄今已知最大质量的恒星叫r136a1,其质量为太阳的200多倍據科学测算其寿命只有约300万年,现在已经170万岁了再过130万年,就会发生超新星大爆炸硝烟散尽,中心会留下一个约20倍太阳质量的黑洞
仳太阳小的红矮星,质量最小必须有太阳的8%中心压力和温度才能够达到核聚变要求,但这种核聚变比太阳核心要温和多了因为这种恒煋中心温度和压力要小很多,这样核心燃料消耗就慢很多寿命就会很长,达到万亿年以上甚至会与宇宙共存亡。它最后的结局是烧完核心的氢就熄灭渐渐冷却成为黑矮星。
现在宇宙寿命才有138亿年因此还没有一颗红矮星熄灭,宇宙中还没有发现任何黑矮星宇宙中红矮星最多,大致占有整个恒星总量的80%以上而我们太阳这种质量左右的恒星只有不到10%,大质量恒星很少不到5%。
恒星核聚变是有层次的從氢核聚变开始,可以一直到26号元素铁也就是有26个层级的核聚变。每一个层级的核聚变完成后星体就会来一只坍缩,形成中心更大的壓力和更高的温度激发下一个层级的核聚变。
恒星能够实现哪一级核聚变完全与恒星质量成正比。质量越大核聚变层次就越高。红矮星核聚变只能完成氢核聚变太阳这样的黄矮星可以到6号元素碳结束,比太阳质量大8倍以上的恒星最后可到达26号元素铁结束。
再大的恒星核聚变也只能到铁结束这是因为铁是最稳定的元素,也是最吝啬的元素无论核裂变还是核聚变都不会释放出能量,只会吸收能量这样,老年的恒星已经没有能力来催化铁的核聚变了
但大质量恒星核聚变到铁结束后,剧烈的坍缩会导致热核失控形成超新星大爆發,导致的万亿度高温和极大高压会聚合出比铁更重的元素,让我们宇宙就有了现在已知的118种元素
这一点,早就已经通过人工合成元素得到了证实在现在已知118种元素中有26种人造元素,都是在加速器、强子对撞机等设备里通过将某个轻原子核加速到接近光速,轰击某個重原子核让他们融合成更重原子核得来的。
这本质上也是核聚变也是通过高温高压形成的,但这种核聚变只是原子级极高温度和極高压力只是在碰撞的那一瞬间,这种“一瞬”只能用纳秒、飞秒计没有极为精密的科学仪器是检测不到的。而且这种核聚变完全是依靠巨大能量输入得到的无法形成人类需要的核聚变能量。
这就是恒星核聚变与地球核聚变温度要求不一样的原因谢谢阅读,欢迎讨论
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