太阳核心的产热效率比人体还低？

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太阳核心的产热效率比人体还低？是怎么回事，是真的吗？2022年01月18日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                太阳核心的产热效率比人体还低？
                               
                                太阳本身的核心核聚变功率密度非常低，甚至还不如我们人体。模仿它的“人造太阳”要如何实现能量输出？
                               
                               


图片来源：Pixabay

撰文｜王昱
审校｜白德凡
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。

东方超环这类装置，有着一个更响亮的名称——托卡马克（俄语：Токамак）。这是由苏联科学家在上世纪50年代发明的一种环形容器，其俄语名是其构成要素环形（тороидальная）、真空室（камера）、磁场（магнитными）和线圈（катушками）的缩写。顾名思义，它就是一个环形真空室，在其中遍布由线圈提供的强大磁场。在托卡马克中，强大的磁场对带电等离子体来说本身就是一个容器，没有任何实物直接和等离子体接触，所以等离子体可以被加热到很高的温度。当等离子体温度足够高，高到其中氘氚原子核的热运动可以克服彼此之间的库伦势垒时，它们就会撞到一起，形成氦原子核，放出一个中子和大量能量，这就是核聚变。

核聚变同样是太阳的能量来源，这也是这类装置被称为“人造太阳”的原因。不过这其中还隐藏着一个有趣的事实——其实“人造太阳”的温度比真正的太阳还要高。


“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。



太阳结构剖面图，核聚变主要发生在太阳核心（Core）部分。图片来源：Kelvinsong/wikipedia

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/m3。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/m3。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。

当然，这并不代表我们人类这就可以“飞上天和太阳肩并肩”了。人体会发热，也会散热，冬天我们需要穿的厚一点，正是为了减少散热维持体温。而太阳核心为了维持它核聚变的“体温”，它用来保暖的是整个太阳——这可比我们穿的羽绒服厚多了。更何况在太阳之外就是真空，太阳的大部分能量只能通过黑体辐射的形式散发出去，散热效率就更低了。所以太阳核心的温度比人体温度高得多，绝对通不过公共场所的体温检测。


聚沙成塔

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3.6×103?个氢核聚变，将430万吨的质量按E=mc2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。


可控核聚变

但这又引出了一个问题——如果我们造出来的“人造太阳”只能有太阳核心的功率密度，它的功率密度这么低，我们又如何凭它解决人类的能源问题呢？实际上，问到这个地步上，就能发现科学家制造“人造太阳”时，并不完全是按照太阳的标准来建造的。

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。图片来源：Dorottya Szam/wikipedia

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。

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。”但实际上，在全世界科学家的努力下，可控核聚变已经离我们越来越近了。并且他们可以肯定，在相同体积下，“人造太阳”可比天上的太阳厉害多了。



参考文献：
《天体物理导论》徐仁新https://www.cas.cn/jh/202201/t20220111_4821653.shtmlhttps://en.wikipedia.org/wiki/Sunhttp://webarchive.loc.gov/all/20011129122524/http%3A//fusedweb%2Ellnl%2Egov/cpep/chart_pages/5%2Eplasmas/sunlayers%2Ehtml《揭开核武器的神秘面纱》经福谦等著https://www.nsfc.gov.cn/csc_phone/kqkd29/kjyq1/20988/index.htmlhttps://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-experiment-puts-researchers-threshold-fusion-ignition