核能的发现和应用,是人类科学史上最重要的事情之一。
第二次世界大战美国在日本引爆了两枚原子弹(核裂变原理),几年之后又发明了威力更加恐怖的氢弹(核聚变原理),然而可惜的是,这些都是军事用途的武器,如果这些巨量的能量能用在造福人类方面,那该多好啊!
为此科学家们着手开始研究如何将这些核反应变得“温顺”下来,最先成功的是核裂变,我们现在常说的核电站,其能量来源靠的就是核裂变。不过核裂变电站也有弊端,一来是核原料十分昂贵且有限,二则是核裂变会产生具有长期放射性的核废料,其处理也是很头疼的事情。
于是科学家们就把希望寄托在了核聚变身上,可天底下哪有容易的事啊,虽然核聚变避免了上述的两个弊端,但核聚变的启动条件却极其困难!一个简单的例子,就说氢弹吧,虽然说是核聚变,但它的点火却要由核裂变进行,通俗说就是氢弹的引爆靠的是它内部的一颗小原子弹爆炸启动的!
然而疑问来了,既然氢弹的引爆需要内部的原子弹完成,那天上的那颗寿命已达46亿年的太阳靠的是啥呢?我们不是总说太阳的能量来源是核聚变吗?那它这长达46亿年的核聚变是怎么维持的呢?为什么太阳没有像氢弹那样一轰而散呢?
首先我们需要知道有三种途径可以制造出核聚变的前提环境,分别为:惯性约束、磁场约束、引力场约束。
虽然氢弹的引爆是依靠内部原子弹的功劳,但这依旧属于上面三种约束之一的惯性约束。
简单看一下氢弹的爆炸过程就能理解:首先引爆氢弹内部的原子弹,之后在极短的时间内(百万分之几秒)将聚变的核材料加热压缩,达到高温高密度状态,随之核聚变反应被点燃开始释能,而这个过程同样也是非常短暂的,短到氢弹内部的那些材料还没有来得及因为膨胀而飞散开之前,大部分核材料就发生聚变反应了。
可以看出,氢弹之所以释放出如此巨大的能量,依靠的就是核材料本身的惯性约束,使得在弹体四散前,就完成了足量的核聚变反应,但遗憾的是,毕竟约束方式依靠的仅仅是惯性,因此这也决定了大部分的能量释放必须是在极短的时间内完成,所以氢弹的表现只能是瞬间爆炸,而无法在可控的前提下进行,换句话说就是氢弹的能量没法收集利用起来,但作为军事武器,倒是十分符合。
但这并不意味着惯性约束是没法实现可控核聚变的,事实上此类研究早已进行,比如美国在2009年建成的国家点火装置,目的就是从惯性约束层面进行可控核聚变的探索和研究。
说一个惯性约束核聚变的方式吧,以直接驱动为例:利用激光照射一颗核材料靶丸(很小,毫米级直径),将其表面加热并形成等离子体,等离子体会朝外喷射,进而作用于剩余靶丸,使其压缩,因此最内部会达到高温高密状态,产生核聚变反应,释放能量,而这些能量在朝外散出时,又会将次外层核材料点燃,以此类推,最终整个靶丸完成核聚变,当然了,这一系列过程都会在靶丸完全解体前完成(也就是惯性约束)。
如果能够接连不断地引爆靶丸,就能产生持续的能量输出。
但要想投入实际应用,需要解决的影响因素很多,比如驱动器效率、靶的设计等等。因此相比于下面讲到的磁场约束,惯性约束核聚变距离能够投入应用,还有一段路要走。
再来看磁场约束,这也是目前实现可控核聚变能够投入应用的最为明朗的途径,关于磁场约束的科普介绍相比于惯性约束还是比较多的,因此在这里,我就简单的说几句就可以了。
总体来说,就是如何处理好维持一团温度上亿摄氏度的等离子体的问题,因为在这个温度层面,地球上没有任何物质能够与其接触而不损坏,所以就想到了利用磁场去处理这团带电物质,但这也带来了一个问题,磁约束方案里的高温等离子体,它的密度是很低的,所以想要达到自持式的核聚变程度,那么约束时长就要比惯性约束长很多,用公式解释的话,见下图:
这是上世纪五十年代,英国物理学家劳森给出了自持式核聚变的要求,在温度、密度、约束时长这三者乘积必须达到某一数值,自持式核聚变方能成功。
不论是惯性约束还是磁场约束,说到底就是为了核聚变能够持续的安全的进行,然而这一人类垂涎至今的技术,实际上早在太阳内部存在了,而且已经存在了46亿年之久!
到底是怎么做到的呢?没错,就是上面提到的最后一种约束途径—引力场约束,其实这个途径的繁杂程度远不及惯性约束和磁场约束,说穿了,简直可以用“一力破万法”来形容,此话怎讲?
因为太阳内部核聚变发生的大前提仅仅是因为自身质量庞大而已,毕竟核聚变本身就是轻核合成重核,把两个轻核强行“压”到一起就可以了,而太阳庞大的质量也就意味着极强的引力(毕竟拥有整个太阳系99.86%的质量,将八大行星牢牢束缚在引力范围内)。
而这个约束过程具体是怎么发生的呢?
太阳系的前身是一团大星云,由于类似超新星爆发等巨大能量波动事件的发生,这团星云的稳定状态被打破,在引力的作用下,整块星云开始坍缩,也同时开始分裂,最终形成一块块的小星云,而其中的某个小星云最终坍缩成了我们现在的太阳系。
太阳则居于太阳系的核心位置,它积聚了整个太阳系99.86%的质量,可以说是一个不折不扣的巨型气体球(最主要的成分是氢氦),不过准确来讲,此时的太阳还没有达到核聚变的程度,因为其中心温度还很低,不过在引力的作用下,所有物质都会向中心聚拢,也就是这颗气体球的体积在不断的缩小,这就是所谓的引力坍缩。
而体积缩小带来的直接后果就是:中心温度越来越高(引力势能转为热能,温度从内向外依次降低),而温度的升高,则导致相应区域的压强也在上升,这时候就出现了一个二力相抗衡的情况,一边是内部压强产生的向外扩张的力,另一边则是外部强大的向内收缩的引力,显然这二者的强弱决定了这颗气体球是膨胀还是收缩。
虽然内部的压强极力抵挡引力压强,但在没有额外能源的补充下,显然是不可能战胜引力的,因为本身这颗气体球就要对外辐射能量,除非中心能量不丢失,否则体积就会不断的收缩。
然而正是因为如此,一边是对外热辐射,一边是体积收缩(意味着密度增加),所以热辐射在穿越内部时,就会有越来越多的热量积聚下来,中心温度会经历一次爆升,达到一万摄氏度左右,此时我们就称呼这团气体球为原恒星。
原恒星还在继续引力坍缩,最终当中心温度升高至一千万摄氏度,原恒星半径缩小至一百万公里时,核聚变反应终于出现了,开始源源不断出现额外能源对原恒星中心进行加热。
最终当中心温度升高至1500万摄氏度,内部压强达到2500亿个大气压时,体积收缩也停止了,因为核聚变产生的能量足以维持中心温度不变(同时还有余力对外热辐射,也就有了今天沐浴地球的光和热),其中心的热压也可以持续抗衡外边的引力压,此时的状态就进入了主序星阶段,也就是说我们的太阳终于成型了。
这里小提一点,实际上太阳内部的核聚变还借助了量子隧穿效应的帮助,否则就凭现有的高温高压还不足以完成,而这个量子隧穿效应简单来讲,就好比于现有的环境状态只能让两个质子靠近到某个距离,但还没进入强核力范围,因此没法聚变,但依靠量子理论中能量与时间的不确定关系,在极短的时间内,质子有可能会穿透库伦势垒发生核聚变。
实际上太阳内部核聚变的功率很低,但奈何体积质量巨大,所以释放的能量就很高,如果功率很高的话,那可能真的就像氢弹那样炸没了,但引力场约束又保证了这样的事并不会发生。
至此我们可以看出,引力场约束就是典型的“一力破万法”,虽然惯性约束和磁场约束搞得“花里胡哨”,但实际投入应用却至今都没实现。
而引力场约束虽然很朴素,就是靠引力去压,压到你不得不核聚变,同时还冲不破引力场的“拘束”,不会出现氢弹那样一轰而散的情况。
这一现象至今已持续46亿年了,将来还会再持续50亿年左右,即便到了最终点,引力场还是会将太阳核心锻造成白矮星继续存在着!
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