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 。
为什么太阳能持衡至今?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 。
【长达46亿年的核聚变,为何太阳没有像氢弹那样一轰而散?】
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 。
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