发信人: hyhcw (hyhcw), 信区: Science
标 题: 太阳核心的产热效率比你还低，那人造太阳又如何解决能源危机？
发信站: 水木社区 (Mon Jan 17 11:10:23 2022),
https://finance.sina.com.cn/tech/2022-01-17/doc-ikyakumy0820028.shtml
去年5月28日，东方超环实现了可重复的1.2亿度的101秒和1.6亿度的20秒等离子体运行；12月30日，它又实现了7000万度的长脉冲高参数等离子体运行1056秒。这些都是了不起的科研成果，是人类在实现“人造太阳”上的重要阶段性成就。
“纯天然”不如“人工仿”
这里说的当然不是太阳表面区区5500摄氏度，虽然人类仍然没有能承受这么高温度的材料，但想要达到这个温度还是很轻松的，电弧焊的电弧温度往往就能高达6000~8000摄氏度。我们真正需要对比的，是发生核聚变的太阳核心，那里的温度在1500万度左右。
乍一看，1500万度是一个非常高的温度。但只要将“纯天然”的太阳和“人造太阳”对比一下，就会发现竟然是“人造太阳”的温度更高，而且几乎比太阳的温度高了一个数量级。
1500万度的温度甚至不足以让氢原子核越过库伦势垒，发生聚变。只有依靠量子隧穿效应，我们才能才能解释，为何太阳核心温度这么低也能发生核聚变。
但也正是因为太阳核心温度太低，它核心的聚变功率密度大约只有276.5W/m?。人体发热功率大约在100W量级，体重在100千克量级，按水的密度估计人体的体积，人体的发热功率密度就已经到了1000 W/m?。考虑到人阅读时大脑运转消耗更多能量，并且大多读者体重也不会达到100千克，看到这句话时，你的发热功率密度甚至能比太阳核心高一个量级。
但是既然太阳发热效率这么低，它又如何给几乎整个地球生态圈提供动力呢？原因很简单，它很大，也很持久。
太阳总质量占太阳系质量的99.86%，半径在70万千米左右，是地球的110倍。其核心半径约占整体半径的1/5~1/4，就算功率密度较低，它仍能靠庞大的体量产生极大的能量。在太阳核心中，每秒大约有3.6×10??个氢核聚变，将430万吨的质量按E=mc?的规律转化成能量。这样的能量在太阳表面向外界以可见光的形式辐射出去，就算远在8光分外的地球轨道上，经过大气层的衰减，太阳辐射仍能在地表达到每平方米1千瓦左右的水平。
而太阳核心较低的功率密度又给我们带来一个好处，它能燃烧很久。虽然人体发热功率密度更高，但如果人不从外界摄取能量，大概一周就会“凉凉”，发热功率降低到0。太阳从50亿年前点燃核聚变的那一刻起，就没从外界摄取过任何能量，而它大约还能再燃烧50亿年。
持久稳定的能量供应，是地球生命诞生的重要条件之一。宇宙中第一批出现的恒星比太阳大得多，核心温度也比太阳更高，核聚变速率也比太阳高得多，但正是因为燃烧得太过剧烈，第一代恒星往往在几百万年内就燃尽了自己，这么短的时间是远不足以支持复杂生命诞生的。正是因为太阳核心不够“热”，我们人类才得以诞生。
在太阳核心中，氢元素主要是以单个质子的形式存在，带一个中子的氘和带两个中子的氚并不多。当两个质子撞到一起，就形成了氦元素——不带中子的“氦-2”。“氦-2”根本就无法存在，又会马上变成两个质子，从外界看来，也就没有发生核聚变。只有在两个质子碰撞的一瞬间，弱相互作用力主导的β衰变让一个质子衰变成一个中子，并放出一个正电子和电中微子，这个原子核才能形成氘核稳定存在。然后氘核才能按照质子-质子链（pp chain）的反应流程，继续进行核聚变。整个过程的效率非常低，用它来做“人造太阳”非常不合理。
质子-质子链反应流程，这种反应是太阳核心中主要发生的核反应，但其反应速率很低。
在上述的核反应中，最关键的是“氦-2”中没有中子，不稳定。但如果我们一开始就用带中子的氘或氚反应，就不需要依靠不可靠的β衰变了，我们可以直接生成氦-4——放出大量能量，同时产生一个中子。并且，核聚变功率和等离子体温度几乎呈指数关系，温度提升能大幅提高核聚变的功率，在恒星核心如此，在“人造太阳”里也是如此。“人造太阳”的温度比太阳核心更高，聚变反应路线也比太阳核心更合理，也就有机会实现比太阳核心更高的功率密度。
不过距离实现真正的可控核聚变还有很长的路要走。现在的托卡马克只有继续提高等离子体温度，增大等离子体密度，延长等离子体的约束时间，才能实现可控核聚变。温度、密度和时间三者的乘积被称为三重积，只有它超过一定数值，才能实现向外供能的核聚变。
人类其实早就能让三重积超过聚变的门槛了，氢弹就是实例。不过氢弹温度太高，功率密度太大，利用起来难度太大。也并非没人提出过用氢弹发电的想法。俄罗斯技术物理研究院在1997年出版了《核爆氘能能源学》，他们在书中认真分析了
爆炸燃烧锅炉方案的可行性。人们在山体中挖出一个空腔，在其中引爆氢弹，将其中热量转移出来用来发电。当然，到目前为止，还没有人实践这种听起来就很离谱的发电方式。
在托卡马克的磁约束之外，人类还能用惯性约束点燃核聚变。核聚变“点火”（ignition）是指核聚变过程中，输出能量大于输入的能量，是将核聚变作为清洁能源使用的基础。去年8月8日，三个足球场大小的美国国家点火装置（NIF）将192束总能量为1.9兆焦的激光在20纳秒内聚焦到一粒胡椒大小的核聚变材料上，材料聚变释放出1.35兆焦的材料，输出能量达到了输入能量的70%。已经非常接近核聚变点火了。
美国国家点火装置已经非常接近核聚变“点火”了。
图片来源：LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY
可控核聚变已经离我们非常近了。未来的国际热核聚变实验反应堆（ITER），其实验目标就是实现可控核聚变，让核聚变的输出能量达到输入能量的10倍。我国也已经立项了中国聚变工程实验堆（CFETR），并计划在2050年建设聚变商用示范堆。
有一个关于可控核聚变的著名玩笑：“实现可控核聚变，永远都还要等50年。”
※ 修改:·alongtimeago 于 May 8 14:16:04 2022 修改本文·[FROM: 59.109.219.*]
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