太陽(yáng)核心的產(chǎn)熱效率比人體還低？

時(shí)間:?2022年01月18日?| 作者:?admin?| 來(lái)源:?未知

太陽(yáng)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(yáng)”要如何實(shí)現(xiàn)能量輸出？

圖片來(lái)源：Pixabay

去年5月28日，東方超環(huán)實(shí)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(yùn)行；12月30日，它又實(shí)現(xiàn)了7000萬(wàn)度的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行1056秒。這些都是了不起的科研成果，是人類(lèi)在實(shí)現(xiàn)“人造太陽(yáng)”上的重要階段性成就。

東方超環(huán)這類(lèi)裝置，有著一個(gè)更響亮的名稱(chēng)——托卡馬克（俄語(yǔ)：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(yǔ)名是其構(gòu)成要素環(huán)形（тороидальная）、真空室（камера）、磁場(chǎng)（магнитными）和線圈（катушками）的縮寫(xiě)。顧名思義，它就是一個(gè)環(huán)形真空室，在其中遍布由線圈提供的強(qiáng)大磁場(chǎng)。在托卡馬克中，強(qiáng)大的磁場(chǎng)對(duì)帶電等離子體來(lái)說(shuō)本身就是一個(gè)容器，沒(méi)有任何實(shí)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(yùn)動(dòng)可以克服彼此之間的庫(kù)倫勢(shì)壘時(shí)，它們就會(huì)撞到一起，形成氦原子核，放出一個(gè)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(yáng)的能量來(lái)源，這也是這類(lèi)裝置被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”的原因。不過(guò)這其中還隱藏著一個(gè)有趣的事實(shí)——其實(shí)“人造太陽(yáng)”的溫度比真正的太陽(yáng)還要高。

這里說(shuō)的當(dāng)然不是太陽(yáng)表面區(qū)區(qū)5500攝氏度，雖然人類(lèi)仍然沒(méi)有能承受這么高溫度的材料，但想要達(dá)到這個(gè)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(duì)比的，是發(fā)生核聚變的太陽(yáng)核心，那里的溫度在1500萬(wàn)度左右。

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乍一看，1500萬(wàn)度是一個(gè)非常高的溫度。但只要將“純天然”的太陽(yáng)和“人造太陽(yáng)”對(duì)比一下，就會(huì)發(fā)現(xiàn)竟然是“人造太陽(yáng)”的溫度更高，而且?guī)缀醣忍?yáng)的溫度高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。1500萬(wàn)度的溫度甚至不足以讓氫原子核越過(guò)庫(kù)倫勢(shì)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?zhuān)瑸楹翁?yáng)核心溫度這么低也能發(fā)生核聚變。

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但也正是因?yàn)樘?yáng)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(jí)，體重在100千克量級(jí)，按水的密度估計(jì)人體的體積，人體的發(fā)熱功率密度就已經(jīng)到了1000 W/m3?？紤]到人閱讀時(shí)大腦運(yùn)轉(zhuǎn)消耗更多能量，并且大多讀者體重也不會(huì)達(dá)到100千克，看到這句話時(shí)，你的發(fā)熱功率密度甚至能比太陽(yáng)核心高一個(gè)量級(jí)。

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

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

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太陽(yáng)總質(zhì)量占太陽(yáng)系質(zhì)量的99.86%，半徑在70萬(wàn)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(yáng)核心中，每秒大約有3.6×103?個(gè)氫核聚變，將430萬(wàn)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(yáng)表面向外界以可見(jiàn)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(guò)大氣層的衰減，太陽(yáng)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(yáng)核心較低的功率密度又給我們帶來(lái)一個(gè)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(huì)“涼涼”，發(fā)熱功率降低到0。太陽(yáng)從50億年前點(diǎn)燃核聚變的那一刻起，就沒(méi)從外界攝取過(guò)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(yáng)大得多，核心溫度也比太陽(yáng)更高，核聚變速率也比太陽(yáng)高得多，但正是因?yàn)槿紵锰^(guò)劇烈，第一代恒星往往在幾百萬(wàn)年內(nèi)就燃盡了自己，這么短的時(shí)間是遠(yuǎn)不足以支持復(fù)雜生命誕生的。正是因?yàn)樘?yáng)核心不夠“熱”，我們?nèi)祟?lèi)才得以誕生。

但這又引出了一個(gè)問(wèn)題——如果我們?cè)斐鰜?lái)的“人造太陽(yáng)”只能有太陽(yáng)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(lèi)的能源問(wèn)題呢？實(shí)際上，問(wèn)到這個(gè)地步上，就能發(fā)現(xiàn)科學(xué)家制造“人造太陽(yáng)”時(shí)，并不完全是按照太陽(yáng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建造的。

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在太陽(yáng)核心中，氫元素主要是以單個(gè)質(zhì)子的形式存在，帶一個(gè)中子的氘和帶兩個(gè)中子的氚并不多。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子撞到一起，就形成了氦元素——不帶中子的“氦-2”?！昂?2”根本就無(wú)法存在，又會(huì)馬上變成兩個(gè)質(zhì)子，從外界看來(lái)，也就沒(méi)有發(fā)生核聚變。只有在兩個(gè)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(gè)質(zhì)子衰變成一個(gè)中子，并放出一個(gè)正電子和電中微子，這個(gè)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(jìn)行核聚變。整個(gè)過(guò)程的效率非常低，用它來(lái)做“人造太陽(yáng)”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(méi)有中子，不穩(wěn)定。但如果我們一開(kāi)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(shí)產(chǎn)生一個(gè)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(yáng)”里也是如此。“人造太陽(yáng)”的溫度比太陽(yáng)核心更高，聚變反應(yīng)路線也比太陽(yáng)核心更合理，也就有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)比太陽(yáng)核心更高的功率密度。

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不過(guò)距離實(shí)現(xiàn)真正的可控核聚變還有很長(zhǎng)的路要走。現(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(zhǎng)等離子體的約束時(shí)間，才能實(shí)現(xiàn)可控核聚變。溫度、密度和時(shí)間三者的乘積被稱(chēng)為三重積，只有它超過(guò)一定數(shù)值，才能實(shí)現(xiàn)向外供能的核聚變。

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人類(lèi)其實(shí)早就能讓三重積超過(guò)聚變的門(mén)檻了，氫彈就是實(shí)例。不過(guò)氫彈溫度太高，功率密度太大，利用起來(lái)難度太大。也并非沒(méi)人提出過(guò)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?cè)跁?shū)中認(rèn)真分析了爆炸燃燒鍋爐方案的可行性。人們?cè)谏襟w中挖出一個(gè)空腔，在其中引爆氫彈，將其中熱量轉(zhuǎn)移出來(lái)用來(lái)發(fā)電。當(dāng)然，到目前為止，還沒(méi)有人實(shí)踐這種聽(tīng)起來(lái)就很離譜的發(fā)電方式。

在托卡馬克的磁約束之外，人類(lèi)還能用慣性約束點(diǎn)燃核聚變。核聚變“點(diǎn)火”（ignition）是指核聚變過(guò)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(gè)足球場(chǎng)大小的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)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(diǎn)火了。

可控核聚變已經(jīng)離我們非常近了。未來(lái)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER），其實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)就是實(shí)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(guó)也已經(jīng)立項(xiàng)了中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR），并計(jì)劃在2050年建設(shè)聚變商用示范堆。

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有一個(gè)關(guān)于可控核聚變的著名玩笑：“實(shí)現(xiàn)可控核聚變，永遠(yuǎn)都還要等50年?！钡珜?shí)際上，在全世界科學(xué)家的努力下，可控核聚變已經(jīng)離我們?cè)絹?lái)越近了。并且他們可以肯定，在相同體積下，“人造太陽(yáng)”可比天上的太陽(yáng)厲害多了。

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