太阳已经燃烧了45.7亿年。什么燃料能烧这么久?
严格来说,太阳没有燃烧。在它火热的外表下,每时每刻都有一个能量反应:核聚变。简单来说,核聚变就是多个原子核在一定条件下相互碰撞融合,产生质量更大的原子核的过程。在聚合过程中,会出现一定的质量缺陷,其表现形式就是巨大能量的释放。
核聚变的条件很苛刻,因为原子核很小,外围有核外电子的干扰,所以在自然条件下,原子之间不会发生核聚变。为了实现核聚变,需要在极高的温度和压力下摆脱原子核的束缚,这样原子核才会有机会相互接触和碰撞。
我们所熟悉的氢弹,就是利用原子弹爆炸产生的高压环境,使氢的同位素氘或氚相互挤压融合,从而产生超越原子弹的威力。
从太阳中心到太阳半径0.25的区域,有高达1500万度的温度,占太阳总质量的四分之三。正是在这里发生热核聚变,它们会相互作用融合,最终形成质量更大的氦核。在这个过程中,产生的巨大能量会渗透到太阳外部,一直到太阳的色球。色球的最终能量将以光的形式发射到宇宙中。
是氢弹聚变,太阳也是。那么为什么太阳没有像氢弹一样直接爆炸呢?
我们前面说过,氢弹利用了原子弹爆炸的高温高压环境,但在这个过程中,并不是所有的氢原子都会参与爆炸。核聚变爆炸后,高温高压环境无法持续。很多氢原子还没来得及反应就被推到了外面,核聚变反应就停止了。因此,氢弹的爆炸几乎是瞬间的。
另一方面,太阳占太阳系总质量的99.86%。巨大的质量会产生巨大的引力,导致太阳核心压力极高。据计算,太阳核心的压力相当于3000亿个大气压。太阳的部分氢原子总是在这里发生聚变反应,为太阳的持续“燃烧”提供源源不断的能量。
作为一颗黄矮星,太阳的寿命约为100亿年,大约需要50至60亿年太阳内部的氢才会被完全消耗。在此之前,太阳中聚变产生的能量将与引力保持平衡。这就是太阳没有直接爆炸的原因。
太阳核聚变的能量稳定持久,可控核聚变是人类最理想的能源利用方式。上世纪80年代,美国、法国等国家启动了国际热核聚变实验堆计划,目的是建立世界上第一座可控热核聚变实验堆,为人类输送巨大的清洁能源。这个过程类似于太阳产生能量的过程,所以也被称为“人造太阳”项目。
中国于2003年正式加入该计划,并于2016年利用自主研发的热核聚变装置ESAT成功实现了超高温长脉冲等离子体放电,电子温度超过5000万度,持续时间102秒。这意味着理论上可以实现可控核聚变。相信在不久的将来,我们人类也能从中受益。或许,去星辰大海的梦想也能实现。
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