太陽核心的產(chǎn)熱效率比人體還低？

時間:?2022年01月18日?| 作者:?admin?| 來源:?未知

太陽本身的核心核聚變功率密度非常低，甚至還不如我們?nèi)梭w。模仿它的“人造太陽”要如何實現(xiàn)能量輸出？

圖片來源：Pixabay

去年5月28日，東方超環(huán)實現(xiàn)了可重復(fù)的1.2億度的101秒和1.6億度的20秒等離子體運行；12月30日，它又實現(xiàn)了7000萬度的長脈沖高參數(shù)等離子體運行1056秒。這些都是了不起的科研成果，是人類在實現(xiàn)“人造太陽”上的重要階段性成就。

東方超環(huán)這類裝置，有著一個更響亮的名稱——托卡馬克（俄語：Токамак）。這是由蘇聯(lián)科學(xué)家在上世紀(jì)50年代發(fā)明的一種環(huán)形容器，其俄語名是其構(gòu)成要素環(huán)形（тороидальная）、真空室（камера）、磁場（магнитными）和線圈（катушками）的縮寫。顧名思義，它就是一個環(huán)形真空室，在其中遍布由線圈提供的強大磁場。在托卡馬克中，強大的磁場對帶電等離子體來說本身就是一個容器，沒有任何實物直接和等離子體接觸，所以等離子體可以被加熱到很高的溫度。當(dāng)?shù)入x子體溫度足夠高，高到其中氘氚原子核的熱運動可以克服彼此之間的庫倫勢壘時，它們就會撞到一起，形成氦原子核，放出一個中子和大量能量，這就是核聚變。

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核聚變同樣是太陽的能量來源，這也是這類裝置被稱為“人造太陽”的原因。不過這其中還隱藏著一個有趣的事實——其實“人造太陽”的溫度比真正的太陽還要高。

這里說的當(dāng)然不是太陽表面區(qū)區(qū)5500攝氏度，雖然人類仍然沒有能承受這么高溫度的材料，但想要達(dá)到這個溫度還是很輕松的，電弧焊的電弧溫度往往就能高達(dá)6000～8000攝氏度。我們真正需要對比的，是發(fā)生核聚變的太陽核心，那里的溫度在1500萬度左右。

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乍一看，1500萬度是一個非常高的溫度。但只要將“純天然”的太陽和“人造太陽”對比一下，就會發(fā)現(xiàn)竟然是“人造太陽”的溫度更高，而且?guī)缀醣忍柕臏囟雀吡艘粋€數(shù)量級。1500萬度的溫度甚至不足以讓氫原子核越過庫倫勢壘，發(fā)生聚變。只有依靠量子隧穿效應(yīng)，我們才能才能解釋，為何太陽核心溫度這么低也能發(fā)生核聚變。

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但也正是因為太陽核心溫度太低，它核心的聚變功率密度大約只有276.5W/m3。人體發(fā)熱功率大約在100W量級，體重在100千克量級，按水的密度估計人體的體積，人體的發(fā)熱功率密度就已經(jīng)到了1000 W/m3。考慮到人閱讀時大腦運轉(zhuǎn)消耗更多能量，并且大多讀者體重也不會達(dá)到100千克，看到這句話時，你的發(fā)熱功率密度甚至能比太陽核心高一個量級。

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當(dāng)然，這并不代表我們?nèi)祟愡@就可以“飛上天和太陽肩并肩”了。人體會發(fā)熱，也會散熱，冬天我們需要穿的厚一點，正是為了減少散熱維持體溫。而太陽核心為了維持它核聚變的“體溫”，它用來保暖的是整個太陽——這可比我們穿的羽絨服厚多了。更何況在太陽之外就是真空，太陽的大部分能量只能通過黑體輻射的形式散發(fā)出去，散熱效率就更低了。所以太陽核心的溫度比人體溫度高得多，絕對通不過公共場所的體溫檢測。

但是既然太陽發(fā)熱效率這么低，它又如何給幾乎整個地球生態(tài)圈提供動力呢？原因很簡單，它很大，也很持久。

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太陽總質(zhì)量占太陽系質(zhì)量的99.86%，半徑在70萬千米左右，是地球的110倍。其核心半徑約占整體半徑的1/5～1/4，就算功率密度較低，它仍能靠龐大的體量產(chǎn)生極大的能量。在太陽核心中，每秒大約有3.6×103?個氫核聚變，將430萬噸的質(zhì)量按E=mc2的規(guī)律轉(zhuǎn)化成能量。這樣的能量在太陽表面向外界以可見光的形式輻射出去，就算遠(yuǎn)在8光分外的地球軌道上，經(jīng)過大氣層的衰減，太陽輻射仍能在地表達(dá)到每平方米1千瓦左右的水平。

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而太陽核心較低的功率密度又給我們帶來一個好處，它能燃燒很久。雖然人體發(fā)熱功率密度更高，但如果人不從外界攝取能量，大概一周就會“涼涼”，發(fā)熱功率降低到0。太陽從50億年前點燃核聚變的那一刻起，就沒從外界攝取過任何能量，而它大約還能再燃燒50億年。

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持久穩(wěn)定的能量供應(yīng)，是地球生命誕生的重要條件之一。宇宙中第一批出現(xiàn)的恒星比太陽大得多，核心溫度也比太陽更高，核聚變速率也比太陽高得多，但正是因為燃燒得太過劇烈，第一代恒星往往在幾百萬年內(nèi)就燃盡了自己，這么短的時間是遠(yuǎn)不足以支持復(fù)雜生命誕生的。正是因為太陽核心不夠“熱”，我們?nèi)祟惒诺靡哉Q生。

但這又引出了一個問題——如果我們造出來的“人造太陽”只能有太陽核心的功率密度，它的功率密度這么低，我們又如何憑它解決人類的能源問題呢？實際上，問到這個地步上，就能發(fā)現(xiàn)科學(xué)家制造“人造太陽”時，并不完全是按照太陽的標(biāo)準(zhǔn)來建造的。

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在太陽核心中，氫元素主要是以單個質(zhì)子的形式存在，帶一個中子的氘和帶兩個中子的氚并不多。當(dāng)兩個質(zhì)子撞到一起，就形成了氦元素——不帶中子的“氦-2”。“氦-2”根本就無法存在，又會馬上變成兩個質(zhì)子，從外界看來，也就沒有發(fā)生核聚變。只有在兩個質(zhì)子碰撞的一瞬間，弱相互作用力主導(dǎo)的β衰變讓一個質(zhì)子衰變成一個中子，并放出一個正電子和電中微子，這個原子核才能形成氘核穩(wěn)定存在。然后氘核才能按照質(zhì)子-質(zhì)子鏈（pp chain）的反應(yīng)流程，繼續(xù)進行核聚變。整個過程的效率非常低，用它來做“人造太陽”非常不合理。

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在上述的核反應(yīng)中，最關(guān)鍵的是“氦-2”中沒有中子，不穩(wěn)定。但如果我們一開始就用帶中子的氘或氚反應(yīng)，就不需要依靠不可靠的β衰變了，我們可以直接生成氦-4——放出大量能量，同時產(chǎn)生一個中子。并且，核聚變功率和等離子體溫度幾乎呈指數(shù)關(guān)系，溫度提升能大幅提高核聚變的功率，在恒星核心如此，在“人造太陽”里也是如此?！叭嗽焯枴钡臏囟缺忍柡诵母?，聚變反應(yīng)路線也比太陽核心更合理，也就有機會實現(xiàn)比太陽核心更高的功率密度。

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不過距離實現(xiàn)真正的可控核聚變還有很長的路要走?，F(xiàn)在的托卡馬克只有繼續(xù)提高等離子體溫度，增大等離子體密度，延長等離子體的約束時間，才能實現(xiàn)可控核聚變。溫度、密度和時間三者的乘積被稱為三重積，只有它超過一定數(shù)值，才能實現(xiàn)向外供能的核聚變。

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人類其實早就能讓三重積超過聚變的門檻了，氫彈就是實例。不過氫彈溫度太高，功率密度太大，利用起來難度太大。也并非沒人提出過用氫彈發(fā)電的想法。俄羅斯技術(shù)物理研究院在1997年出版了《核爆氘能能源學(xué)》，他們在書中認(rèn)真分析了爆炸燃燒鍋爐方案的可行性。人們在山體中挖出一個空腔，在其中引爆氫彈，將其中熱量轉(zhuǎn)移出來用來發(fā)電。當(dāng)然，到目前為止，還沒有人實踐這種聽起來就很離譜的發(fā)電方式。

在托卡馬克的磁約束之外，人類還能用慣性約束點燃核聚變。核聚變“點火”（ignition）是指核聚變過程中，輸出能量大于輸入的能量，是將核聚變作為清潔能源使用的基礎(chǔ)。去年8月8日，三個足球場大小的美國國家點火裝置（NIF）將192束總能量為1.9兆焦的激光在20納秒內(nèi)聚焦到一粒胡椒大小的核聚變材料上，材料聚變釋放出1.35兆焦的材料，輸出能量達(dá)到了輸入能量的70%。已經(jīng)非常接近核聚變點火了。

可控核聚變已經(jīng)離我們非常近了。未來的國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆（ITER），其實驗?zāi)繕?biāo)就是實現(xiàn)可控核聚變，讓核聚變的輸出能量達(dá)到輸入能量的10倍。我國也已經(jīng)立項了中國聚變工程實驗堆（CFETR），并計劃在2050年建設(shè)聚變商用示范堆。

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有一個關(guān)于可控核聚變的著名玩笑：“實現(xiàn)可控核聚變，永遠(yuǎn)都還要等50年?！钡珜嶋H上，在全世界科學(xué)家的努力下，可控核聚變已經(jīng)離我們越來越近了。并且他們可以肯定，在相同體積下，“人造太陽”可比天上的太陽厲害多了。

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