太陽核心的產熱效率比人體還低？

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(men) 人體(ti) 。模仿它的“人造太陽”要如何實現能量輸出？

圖片來源：Pixabay

去年5月28日，實現了可重複的1.2億(yi) 度的101秒和1.6億(yi) 度的20秒等離子體(ti) 運行；12月30日，它又實現了7000萬(wan) 度的長脈衝(chong) 高參數等離子體(ti) 運行1056秒。這些都是了不起的科研成果，是人類在實現“人造太陽”上的重要階段性成就。

東(dong) 方超環這類裝置，有著一個(ge) 更響亮的名稱——托卡馬克（俄語：Токамак）。這是由蘇聯科學家在上世紀50年代發明的一種環形容器，其俄語名是其構成要素環形（тороидальная）、真空室（камера）、磁場（магнитными）和線圈（катушками）的縮寫(xie) 。顧名思義(yi) ，它就是一個(ge) 環形真空室，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(ti) 來說本身就是一個(ge) 容器，沒有任何實物直接和等離子體(ti) 接觸，所以等離子體(ti) 可以被加熱到很高的溫度。當等離子體(ti) 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(lun) 勢壘時，它們(men) 就會(hui) 撞到一起，形成氦原子核，放出一個(ge) 中子和大量能量，這就是核聚變。

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

這裏說的當然不是太陽表麵區區5500攝氏度，雖然人類仍然沒有能承受這麽(me) 高溫度的材料，但想要達到這個(ge) 溫度還是很輕鬆的，電弧焊的電弧溫度往往就能高達6000～8000攝氏度。我們(men) 真正需要對比的，是發生核聚變的太陽核心，那裏的溫度在1500萬(wan) 度左右。

乍一看，1500萬(wan) 度是一個(ge) 非常高的溫度。但隻要將“純天然”的太陽和“人造太陽”對比一下，就會(hui) 發現竟然是“人造太陽”的溫度更高，而且幾乎比太陽的溫度高了一個(ge) 數量級。1500萬(wan) 度的溫度甚至不足以讓氫原子核越過庫倫(lun) 勢壘，發生聚變。隻有依靠量子隧穿效應，我們(men) 才能才能解釋，為(wei) 何太陽核心溫度這麽(me) 低也能發生核聚變。

但也正是因為(wei) 太陽核心溫度太低，它核心的聚變功率密度大約隻有276.5W/m³。人體(ti) 發熱功率大約在100W量級，體(ti) 重在100千克量級，按水的密度估計人體(ti) 的體(ti) 積，人體(ti) 的發熱功率密度就已經到了1000 W/m³。考慮到人閱讀時大腦運轉消耗更多能量，並且大多讀者體(ti) 重也不會(hui) 達到100千克，看到這句話時，你的發熱功率密度甚至能比太陽核心高一個(ge) 量級。

當然，這並不代表我們(men) 人類這就可以“飛上天和太陽肩並肩”了。人體(ti) 會(hui) 發熱，也會(hui) 散熱，冬天我們(men) 需要穿的厚一點，正是為(wei) 了減少散熱維持體(ti) 溫。而太陽核心為(wei) 了維持它核聚變的“體(ti) 溫”，它用來保暖的是整個(ge) 太陽——這可比我們(men) 穿的羽絨服厚多了。更何況在太陽之外就是真空，太陽的大部分能量隻能通過黑體(ti) 輻射的形式散發出去，散熱效率就更低了。所以太陽核心的溫度比人體(ti) 溫度高得多，絕對通不過公共場所的體(ti) 溫檢測。

但是既然太陽發熱效率這麽(me) 低，它又如何給幾乎整個(ge) 地球生態圈提供動力呢？原因很簡單，它很大，也很持久。

太陽總質量占太陽係質量的99.86%，半徑在70萬(wan) 千米左右，是地球的110倍。其核心半徑約占整體(ti) 半徑的1/5～1/4，就算功率密度較低，它仍能靠龐大的體(ti) 量產(chan) 生極大的能量。在太陽核心中，每秒大約有3.6×10³⁸個(ge) 氫核聚變，將430萬(wan) 噸的質量按E=mc²的規律轉化成能量。這樣的能量在太陽表麵向外界以可見光的形式輻射出去，就算遠在8光分外的地球軌道上，經過大氣層的衰減，太陽輻射仍能在地表達到每平方米1千瓦左右的水平。

而太陽核心較低的功率密度又給我們(men) 帶來一個(ge) 好處，它能燃燒很久。雖然人體(ti) 發熱功率密度更高，但如果人不從(cong) 外界攝取能量，大概一周就會(hui) “涼涼”，發熱功率降低到0。太陽從(cong) 50億(yi) 年前點燃核聚變的那一刻起，就沒從(cong) 外界攝取過任何能量，而它大約還能再燃燒50億(yi) 年。

持久穩定的能量供應，是地球生命誕生的重要條件之一。宇宙中第一批出現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(wei) 燃燒得太過劇烈，第一代恒星往往在幾百萬(wan) 年內(nei) 就燃盡了自己，這麽(me) 短的時間是遠不足以支持複雜生命誕生的。正是因為(wei) 太陽核心不夠“熱”，我們(men) 人類才得以誕生。

但這又引出了一個(ge) 問題——如果我們(men) 造出來的“人造太陽”隻能有太陽核心的功率密度，它的功率密度這麽(me) 低，我們(men) 又如何憑它解決(jue) 人類的能源問題呢？實際上，問到這個(ge) 地步上，就能發現科學家製造“人造太陽”時，並不完全是按照太陽的標準來建造的。

在太陽核心中，氫元素主要是以單個(ge) 質子的形式存在，帶一個(ge) 中子的氘和帶兩(liang) 個(ge) 中子的氚並不多。當兩(liang) 個(ge) 質子撞到一起，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(hui) 馬上變成兩(liang) 個(ge) 質子，從(cong) 外界看來，也就沒有發生核聚變。隻有在兩(liang) 個(ge) 質子碰撞的一瞬間，弱相互作用力主導的β衰變讓一個(ge) 質子衰變成一個(ge) 中子，並放出一個(ge) 正電子和電中微子，這個(ge) 原子核才能形成氘核穩定存在。然後氘核才能按照質子-質子鏈（pp chain）的反應流程，繼續進行核聚變。整個(ge) 過程的效率非常低，用它來做“人造太陽”非常不合理。

在上述的核反應中，最關(guan) 鍵的是“氦-2”中沒有中子，不穩定。但如果我們(men) 一開始就用帶中子的氘或氚反應，就不需要依靠不可靠的β衰變了，我們(men) 可以直接生成氦-4——放出大量能量，同時產(chan) 生一個(ge) 中子。並且，核聚變功率和等離子體(ti) 溫度幾乎呈指數關(guan) 係，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”裏也是如此。“人造太陽”的溫度比太陽核心更高，聚變反應路線也比太陽核心更合理，也就有機會(hui) 實現比太陽核心更高的功率密度。

不過距離實現真正的可控核聚變還有很長的路要走。現在的托卡馬克隻有繼續提高等離子體(ti) 溫度，增大等離子體(ti) 密度，延長等離子體(ti) 的約束時間，才能實現可控核聚變。溫度、密度和時間三者的乘積被稱為(wei) 三重積，隻有它超過一定數值，才能實現向外供能的核聚變。

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。也並非沒人提出過用氫彈發電的想法。俄羅斯技術物理研究院在1997年出版了《核爆氘能能源學》，他們(men) 在書(shu) 中認真分析了爆炸燃燒鍋爐方案的可行性。人們(men) 在山體(ti) 中挖出一個(ge) 空腔，在其中引爆氫彈，將其中熱量轉移出來用來發電。當然，到目前為(wei) 止，還沒有人實踐這種聽起來就很離譜的發電方式。

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，輸出能量大於(yu) 輸入的能量，是將核聚變作為(wei) 清潔能源使用的基礎。去年8月8日，三個(ge) 足球場大小的將192束總能量為(wei) 1.9兆焦的激光在20納秒內(nei) 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，輸出能量達到了輸入能量的70%。已經非常接近核聚變點火了。

可控核聚變已經離我們(men) 非常近了。未來的國際熱核聚變實驗反應堆（ITER），其實驗目標就是實現可控核聚變，讓核聚變的輸出能量達到輸入能量的10倍。我國也已經立項了，並計劃在2050年建設聚變商用示範堆。

有一個(ge) 關(guan) 於(yu) 可控核聚變的著名玩笑：“實現可控核聚變，永遠都還要等50年。”但實際上，在全世界科學家的努力下，可控核聚變已經離我們(men) 越來越近了。並且他們(men) 可以肯定，在相同體(ti) 積下，“人造太陽”可比天上的太陽厲害多了。

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