太陽既然是核聚變反應,爲什麼不像氫彈一樣瞬間炸完,而是持續不斷地聚變反應?

GWBR


太陽核聚變實質上是一種受控核聚變,在太陽這個巨大的容器中,不間斷的發生著受約束的氫核融合,設定的反應時間是100億年。

我們知道,人類現在需要攻克的核聚變有兩大難關:一個是約束力,用什麼東西來約束核聚變所需的億度高溫,也就是用什麼容器來盛裝這麼高溫度的核聚變反應過程;二是能源的投入與產出之比,如果投入大於產出,這個核聚變就無法為人類造福,沒有意義。

現在這兩個難題的研究都有所進展,從理論上來說,人類已經解決了這些難題。人們用磁約束、重力約束、慣性約束能夠使核聚變受控。

人類已經利用磁約束實現了可控核聚變反應,但時間太短,還不能實用;人們也取得了輸入功率與輸出功率的正能量比。相信隨著研究的不斷深化,受控核聚變終究會造福人類。

那麼太陽是怎樣約束這種核聚變,不會像氫彈一樣突然爆炸了呢?

實際上太陽也是一種受控核聚變,使用的是天然引力約束核聚變。

在太陽中心,有1500萬度的溫度和3000億個大氣壓,在這樣高壓下才產生了氫核融合,由4個氫核融合為一個氦核的聚變,每秒鐘有6億噸的氫核聚變為5.96億噸的氦,釋放出400萬噸氫的巨大的能量。

這3000億個大氣壓就是太陽巨大的質量導致的中心壓力,也是引力導致的,在這樣強大的引力下,就把太陽核聚變導致的巨大張力和高溫等離子體約束在核心,形成了一個平衡。

這樣太陽就像一個受控的核聚變大熔爐,源源不斷的輸出巨大的能量,以光和熱的方式向太空發出電磁輻射,有20億分之一分配到了地球上,從而孕育了生命和人類。

太陽的這種受控核聚變是自然規律形成的,是不以人的意志為轉移的。在宇宙中,所有的恆星都必須遵循這個規律。

恆星根據質量大小,決定著中心核聚變的快和慢,質量越大的恆星反應速度越快,因此消耗的就越快,壽命就越短。比如像R136a1,是迄今人類發現質量最大的恆星,其質量是太陽質量的265倍,由於它中心熱核反應速度很快,因此其壽命只有300萬年左右,現在已經170萬歲了,還有130萬年左右就會發生超新星大爆炸,走向末路,成為一個黑洞。

恆星質量過大,就變得極不穩定,引力和中心核聚變的張力難以平衡,就難以束縛住外圍物質,就像上述的R136a1,近100萬年已經損失了100個太陽的質量,現在還在繼續的減少。

我們太陽這樣的黃矮星,根據其質量和中心核聚變反映速度,壽命有100億年,現在太陽的年齡約50億歲了,因此還有50億年才會變成一個紅巨星,最終末路是變成一個白矮星。

比太陽小的紅矮星壽命就特長,有的可以達到上千上萬億年,與宇宙同輝。

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時空通訊


太陽之所以不會炸掉,是因為有萬有引力。

我們比較熟悉的氫彈,與太陽一樣,都是使用核聚變產生能量。而一個重要的差別,就是氫彈會炸掉,而太陽不會。更重要的是,太陽每秒鐘產生的能量,都遠遠超過一個氫彈爆炸的能量。

問題來了,為什麼太陽不會炸掉呢?

原因在於太陽除了有向外的能量,還有向裡面拉的力量。這個力量就是引力,熱核反應產生高溫,這個高溫確實會使得物質有向外運動的趨勢。但由於太陽巨大的質量,這些物質向外的速度會被引力勢能所削弱。

舉個例子,你向天上扔一個石頭,它最終會落下來。這是因為有引力。

太陽熱核反應產生的高壓,之所以不會產生爆炸,也是因為有引力。

氫彈則不一樣——它只有向外的力,而沒有相反的力,這就會爆炸,它不會有一個平衡點。

同樣的道理,如果太陽燃燒殆盡,先可能會膨脹,然後由於沒有了向外的力,就會被引力拉向中心,就是所謂的「坍縮」,成為白矮星。

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章彥博


首先氫彈並沒有炸完,大多數原料還來不及參與核聚變反應,反應就結束了。

讓我們用可控核聚變來進行解釋。可控核聚變的難度,並不在於無法發生核聚變,而在於如何延長核聚變的反應時間。


當從外界輸入巨大的能量,通常以激光、X射線等方式,讓處於中心的氫彈丸瞬間處於高溫高壓的狀態,高溫讓氫原子的速度上升,同時這些氫受到的是一個強大的指向中心的壓力。於是這些氫原子向中心疾馳,只要這個中心足夠的小,那麼這些氫原子中就總有一些要迎頭相撞,注意僅僅是一些氫原子迎頭相撞,不是所有的。

只要相撞的力度足夠大,氫原子彼此就會融合在一起,轉變成氦,在這個過程中損失的質量轉變為能量,釋放出來,這就是核聚變。這一過程主要發生在內核區。當能量被釋放出來,內核的氫原子就會受到一個向外推的力,如果沒有外力來和核聚變產生的外推力相平衡,那麼剩下的氫原子的飛行軌跡就變成了從內往外飛,它們將無法繼續相撞,於是聚變反應就會停止。


而可控核聚變的關鍵就在於,如何持續提供的一個足夠強大的外力,維持住核聚變的持續發生,或者至少要發生到讓輸出的能量大於輸入的能量,否則就成了虧能反應,而不是放能反應了。人類在發展可控核聚變技術時,發展了激光約束和磁約束等方法,試圖持續的約束反應原料,不四處亂飛,而只在一個極小的範圍內飛,這樣才有足夠多的機會彼此相撞。目前,約束時間的長短,是人類研發成功可控核聚變的關鍵,中國科學家已經能持續約束60秒,這是一個了不起的成績。


其次氫彈的一瞬間的複雜度,如果沒有了解,也會把這事想得過於簡單化。

氫彈利用原子彈爆炸釋放外力,將大量氫原子向內推擠,雖然核聚變依然只能發生短短的一瞬,但由於使用的氫原子足夠多,那麼在一瞬間之內有機會迎頭相撞的氫原子也足夠多,於是核聚變產生出來的能量也就會足夠多。當然,如何讓原子彈爆炸時的能量,能被利用起來,在從前也是最高軍事機密。

圖示:世界上當量最大的沙皇核彈爆炸過程示意圖。沙皇核彈爆炸當量5000萬噸TNT,設計當量一億萬噸TNT,但由於擔心當量太大引發不可控的問題,在實際引爆的那顆沙皇炸彈,將當量縮減了一半。


首先用TNT提供的壓力,讓鈾235彼此撞擊,於是鈾235發生鏈式反應,鏈式反應持續的時間越長,鈾235釋放出的能量越多,這涉及到原子彈如何設計的秘密。


利用鈾235裂變釋放出的大量能量,引發核聚變反應。氫彈雖然被稱為氫彈,但實際上它不用氫,而是使用氫的同位素,氘和氚,因為氘和氚更不穩定,更容易發生核聚變。


最後,為了進一步提高核彈釋放的能量,還裝填了大量鈾238,鈾238很穩定,但在核聚變釋放出的非常多超高速中子的撞擊之下,鈾238發生裂變釋放能量。


所以,氫彈爆炸的一瞬間,可遠沒有想象中那麼簡單呢。

但不管怎樣設計氫彈,由於缺乏外界約束,所有反應事實上都只能持續存在一瞬間,然後大多數原料就被炸飛了,並沒有真的反應完全。


太陽上的核聚變

太陽能點燃核聚變,是因為它巨大的引力,讓氫原子向內核壓縮,這種壓縮產生了足夠的高溫和高壓。高溫提高了原子的速度,高壓提高了原子在空間中的密度。於是原子彼此間的劇烈撞擊隨之發生,當撞擊力度超過臨界值,於是核聚變發生了。


但必須指出,所有撞擊都是概率事件,實際上對於單個原子來說,發生撞擊的可能性都十分低,每時每刻只有極少數氫原子有機會相撞,產生核聚變反應。不過由於聚變釋放出的能量非常巨大,因此哪怕只是很少一點點原子發生的核聚變反應,也已經讓太陽發光發熱成為一顆恆星,或者被稱為太陽了。


伴隨著核聚變的發生,太陽的體積會隨之向外膨脹,伴隨著體積的膨脹,高壓狀態會隨之下降,原子在空間中的密度也隨之降低,核聚變反應速度隨之下降,釋放的能量變少,於是太陽在引力的作用下又會回縮,太陽的回縮引發核聚變反應加速,在經過許多次的振盪後,太陽得到一個相對穩定的狀態,此時引力產生的內壓與核聚變反應產生的外推力達到平衡。這個平衡也就讓太陽上的核聚變能源源不斷髮生,而不會熄火。



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三思逍遙


簡單來說,其實太陽一直都在發生極其猛烈的“爆炸”,但太陽本身太大了,巨大的重力會抵消掉核聚變釋放出的輻射壓,所以太陽不會像氫彈那樣瞬間炸燬。通過氫核聚變,太陽每秒製造出的能量高達3.828×10^26焦耳,這相當於18.2億枚當量為5000萬噸TNT的沙皇炸彈同時爆炸。在太陽自身重力的穩定下,如此巨大的能量釋放不會炸燬太陽。

在太陽中,能發生核聚變反應的地方只有核心部分——從中心向外延伸五分之一至四分之一太陽半徑的區域,而其他部分都沒有條件進行核聚變反應。只有在極端高溫和高壓的環境中,氫原子核獲得了足夠動能,它們才能克服電磁力發生核聚變反應。

不過,雖然太陽核心中會發生核聚變反應,但那裡的氫元素也不是一下子被消耗掉。這是因為氫原子核之間互相碰撞的可能性極低,需要發生量子隧穿效應。而且氫原子核碰撞之後形成的雙質子(氦-2)極不穩定,它們在大多數時候會發生β+衰變,結果又會變成兩個自由的氫原子核。據估計,對於太陽而言,一個氫原子核發生核聚變反應平均所需時間高達10億年。正因為如此,太陽的核聚變反應速率會被重力控制在一定的範圍之內,而不會引發太陽瞬間炸燬。


火星一號


氫彈是迄今為止人類製造出來的威力最大的炸彈,它利用的是原子的核聚變反應,而我們的太陽也是以核聚變反應向外面輻射能量,因此我們常說太陽就是一個巨型氫彈。那麼問題來了,為什麼氫彈的核聚變爆炸只在一瞬間,然而太陽的核聚變卻可以進行100億年呢?為什麼它不會一下子爆掉呢?



首先必須指出的是,其實爆炸的氫彈它的核原料也並沒有一下子爆炸完,科學家們要做的只是儘量的增多參與爆炸的核燃料罷了,因為可控核聚變是一個很難操作的事情,如果好操作的話,核聚變發電早就實現了,這是因為讓氫原子撞擊到一起形成氦原子是一種概率事件。


比如氫彈的爆炸,我們要先通過原子彈爆炸將氫原子(通常為氫的同位素氘和氚原子)擠壓到一起,讓它們在高溫高壓的條件下發生碰撞引發聚變反應,從而引起氫彈爆炸,但是在這一過程中,並非所有的氫原子都參與到了爆炸中,而是其中的一部分發生了反應,其產生的能量就已經十分驚人,當核聚變爆炸發生之後,產生的極高輻射壓會把剩下的氫原子推向外部,氫原子也就不能相撞爆炸了,核聚變反應也就停止了,所以氫彈的爆炸只是一瞬間的事情。


太陽的核聚變和氫彈實際上略有不同,它的核聚變是由於自身引發的,由於巨大的質量產生的強大引力,造成了太陽內部的溫度和壓力都非常高,從而讓氫原子向內核壓縮,形成了沸騰的氫離子湯一樣的情景,氫原子彼此間的劇烈撞擊,有的氫原子的撞擊力度超過臨界值,於是核聚變發生了。

但是和氫彈的爆炸一樣,太陽內部的氫原子撞擊也都是概率事件,並不是所有的氫原子都在一瞬間撞擊到一起了,只是有很少一部分的氫原子撞到一起,產生了聚變能,所以太陽不會頃刻間爆炸,而又由於太陽規模非常巨大,它內部的氫原子也非常多,至今仍然佔到了太陽元素總量的75%以上,因此太陽可以長期持續的進行核聚變反應向外發光發熱。



科學家們計算認為,太陽每秒鐘有質量為6億噸的氫經過熱核聚變反應為5.96億噸的氦,並釋放出相當於400萬噸氫的能量,每秒鐘的核聚變能量相當於4億億顆廣島原子彈爆炸產生的能量,形成至今的50億年已經燒掉了一百個地球質量左右的氫元素。


科普大世界


太陽這樣的恆星,它們的質量是決定其各種性質的第一要素。恆星的質量決定了其尺度,溫度,光度等性質,質量更是控制著恆星最終的命運走向,根據不同質量,其最終結局會註定是白矮星,中子星,還是黑洞。

太陽的巨大質量控制著其內部核心核反應的平衡:恆星有了足夠大的質量,才能產生足夠的引力約束,對內部擠壓的重力越大,其內部的密度就會更大,溫度更高,才能產生核聚變反應,太陽內部的溫度決定核聚變的速率,控制能量的輸出,來平衡巨大重力的作用。

所以太陽內部存在兩種巨大的作用,,一是太陽巨大質量產生的重力導致向內部的引力,二是核聚變產生向外的張力,這兩種作用維持著動態的平衡,保證了太陽既能持續不斷地進行核聚變反應,又能維持太陽數十億年的穩定存在。

在太陽內部核聚變過程中,損失的質量轉變成了能量釋放。即使以太陽的質量,按目前太陽內部氫含量,也只能再“燃燒”50億年,然後太陽轉變成膨脹的紅巨星時,我們的地球到時也會被其吞沒。


量子實驗室


太陽就像是一個巨大的氫彈,每時每刻它上面都在進行著劇烈的核聚變反應,產生巨大的光和熱,為地球的生命活動提供源源不斷的能量供應。自太陽誕生至今,已經過去了50億年了,但是太陽的質量損失不過萬分之一罷了,太陽能量耗盡,還需要50億年的時間。


首先了解一下什麼是核聚變反應:要想發生核聚變反應,就要讓原子核之間的距離足夠近,而原子核與原子核之間由於帶相同電荷的原因而彼此相互排斥,這就要求原子核需要具有足夠的動能,對於某一溫度的物質,其組成粒子有一定的速率分佈,動能較大和較小的粒子所佔的比例都非常小,別看太陽的溫度有1000萬度以上,但也只有很小一部分比例的粒子有足夠的速度產生核聚變,所以太陽不是瞬間進行核聚變,而是持續進行。

另外,質量越大的恆星其中心溫度越高,達到核聚變要求的粒子比例也就越高,所以說質量越大的恆星燃燒得更快,壽命也就更短了。而溫度越高也導致物質的原子間距變大,使熱核反應的激烈程度下降,這樣也是形成了一種負反饋,造成了熱核反應趨於一種穩定的狀態,使太陽得以長久生存下去。此外,我曾經在一本書上看到過太陽產生核聚變反應的地方僅僅是在距離太陽表面70萬公里的深處,熱核聚變反應雖然時時刻刻都可以發生,但是其產生的能量卻沒有那麼輕易地就可以出來,從其產生到跑到太陽的表面,需要幾百萬年的時間,所以可以說此刻太陽所發出的光,其實早在幾百萬面前的熱核聚變反應中就產生了。所以,太陽的能量就是這麼慢慢地被釋放出來的,一時半會它還不會把能量全部吐出來。



太陽每秒鐘會消耗600萬噸的氫,但是因為它的氫儲量是天文數字,所以還有約50億年的壽命,等氫消耗得差不多了,再進行更重元素的合成,那麼太陽就離死不遠了。


鏡像宇宙


答:因為太陽的引力實在太大了;在太陽內部發生的核聚變反應,比氫彈爆炸強烈數億倍,但是爆炸拋出的大部分物質最終都會落回太陽表面,使得太陽整體並不會四分五裂。


太陽和氫彈的核反應都是聚變,太陽每秒釋放能量約3.8*10^26焦耳,相當於4.5萬億顆廣島原子彈釋放的能量總和;太陽的引力非常大,表面逃逸速度高達617.7km/s。



也就是說:太陽表面的高能粒子(非光子),要想徹底逃離太陽的引力作用,其速度至少要達到617.7km/s(不考慮磁場的加速效果)才行。


那麼,就算太陽內部時刻都在發生強烈的核反應,爆炸激起的物質很大一部分還會落回太陽表面,比如太陽的日珥活動:



由太陽表面噴出的日珥物質,噴出高度可達100萬多公里,但是在太陽強大的引力作用下,絕大部分物質還會落回太陽表面。


所以太陽因爆炸噴出物質的減少量,對自身重量的影響並不大,太陽的質量損失主要源於質能轉化。

因為質能轉化的大部分能量,都轉化成了光子,光子雖然受引力的影響,但是並不會減速;因為光子在真空中的傳播速度是一定的,引力的影響只會體現在光子的波長上。



氫彈和太陽的這種差異,就有點類似於:一滴水落在600℃的鐵塊上,水滴瞬間會蒸發掉;但是一盆水放在600℃的火焰上燒,盆裡的水只會慢慢沸騰蒸發。


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艾伯史密斯


太陽的核聚變比氫彈狂暴得多,每秒損失420萬多噸質量,劇烈的“爆炸”不斷地將太陽物質向外,但因為爆炸推力和太陽的引力平衡,使太陽維持球形外觀。

太陽的質量足夠大,但太陽外層物質密度也很低,比液態水的密度還低,而核心處密度則非常高,強大的壓力使得元素核之間的距離縮短,聚變為更重元素,又因為太陽質量很大,主要構成物為氫氦,核聚變材料足夠多。同時太陽體積龐大,氫等物質並不會全部聚集在核心,核聚變也只是少部分氫元素核的碰撞偶然發生,太陽上的氫也就不會瞬間全部聚變完。

因為太陽系的廣闊,地球從太陽接收到的能量只佔太陽核聚變產生的能量很小一部分,就那麼點能量使得地球表面保持適宜的溫度;被太陽噴射出的射線、高能粒子束因為地球磁場的作用,也只有一部分到達地面,但卻影響著地球生物的進化,如果射線太嚴重,反而從基因層面滅殺各種生物。

因為距離太陽遠,一般情況下我們看到的太陽比較溫和,但用天文望遠鏡觀測會發現,太陽表面日冕狂暴地吐著能量,黑子中存在著強大的磁場,耀斑爆發時瞬間能釋放比正常狀態下更多的能量,無論哪一種移到地球上都可能比人類製造的最強大核武器還暴躁。


來看世界呀


這個問題其實很簡單。因為太陽自身強大的萬有引力和太陽中心熱核反應區域的輻射壓力平衡了。



首先我們一般說的氫彈的核反應屬於不可控的熱核反應,也就是說一旦設計製造完成,人類就不可以主動控制器威力了。無論多大當量的氫彈,在爆炸的一瞬間就釋放出自己的全部能量了。除此之外,由於核爆的速度太快,好多核燃料還未參與核反應就被炸的四散而去了。而人類直到目前為止,還沒有真正掌控核聚變。氫彈的這種不可控的現象一方面使得核武器達到最大的殺傷效果,另一方面來說如果人類想利用核聚變,單單依靠不可控核聚變是不現實的。



而太陽的能量我們說來自核聚變反應,但這個反應並不是在太陽的所有位置都會發生。因為核聚變需要極高的溫度和壓力,因此只有中心的少部分區域才可以達到那麼嚴苛的條件。而一旦脫離那個區域,溫度和壓力就不足以將氫原子核壓到一起形成氦原子核了。太陽實際上是一個動態平衡的過程:巨大的萬有引力使得太陽中心的溫度和壓力十分巨大,從而引發核聚變,核聚變產生的巨大的能量以輻射壓的形式形成了對太陽引力的反作用力,引力和中心的輻射壓力相互抵消,使得太陽維持在一個穩定的狀態。



換句話說,如果某一刻太陽的引力佔據上風,太陽會收縮,這時中間區域溫度和壓力就變得更高,參與聚變的物質的量更多,產生的能量就更大,輻射壓力又會佔據上風,促使太陽膨脹。我們假設一個極限的情況,就是太陽的引力減弱甚至消失,那這時由於中心巨大的輻射壓,太陽會馬上膨脹,直到中間的溫度和壓力不足以支撐核聚變,太陽就熄滅了。


說到這兒相信大家就明白了。氫彈是由原子彈引燃的,沒有與氫彈的爆炸相反且能夠對核反應狀態進行一定影響影響的作用力,因此氫彈會在很短的時間內完成聚變,而太陽中心的核反應與其萬有引力是一對相反的作用力,兩者目前處在一個相對平衡的狀態,這個狀態可以持續很長時間直到氫元素被燃燒殆盡。因此太陽不會炸掉,而是會持續不斷的進行核反應。當然了,太陽不會炸掉不代表別的恆星也不會炸掉,一些大質量恆星在生命晚期便會以一場巨大的爆炸結束自己的生命,也就是所謂的超新星爆發。不過我們的太陽由於質量太小,不會發生這麼劇烈的現象,只會逐漸膨脹,然後消散,最後中間留下一顆熾熱的白矮星。


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