如果說核聚變不可控,那麼太陽的聚變如何自我控制?

如果太陽的聚變不可控,那麼一瞬間就釋放了嗎?


乾貨夾膜都被人舉報了,放出和諧版,之前說了什麼可以參考評論區(╯‵□′)╯︵┻━┻

一個恆星的命運啊,XXXXXXXX,XXXXXXXXXXX

太陽也不是一整個全部在進行聚變反應的,只有在恆星核心部分,由於引力的作用具有極高的溫度和壓力,在那裡才能發生聚變,而恆星的外層則並未達到發生聚變的條件,只是將核心生成的能量向外傳遞的介質。

至於恆星的自我控制機制,是基於向外的核心放出能量的熱壓力和向里的引力的平衡:當聚變反應減弱時,核心的熱壓力也隨之減弱,使得外層物質在引力的作用下落入核心,核心的溫度壓力就增加了,增強聚變反應;當聚變反應太強時熱壓力就強,引力保持不住聚變核心的溫度和壓力,核心就向外膨脹,聚變反應減弱。在二者的協同作用下恆星得以穩定燃燒,平穩的釋放能量。

這種機制在恆星壽命末期也發揮作用,氫燃料即將耗盡時,引力超過壓力後,將恆星核心進一步壓縮,溫度壓力劇增之下,可以點燃氦的聚變反應,而氦也用完了的話,引力再把核心壓縮一下還能點燃碳、氧之類重元素的聚變。不過這也只是勉強續命,元素越重,聚變放出能量越少,到了鐵的時候聚變就不會放出能量了,之後引力再怎麼壓縮也不能讓恆星繼續燃燒,續命失敗的恆星就要超新星爆發什麼的……至於之後的中子星、黑洞,也要按照物理的基本規律,按照萬有引力的規律,去產生。

當然,超新星爆發為重原子核聚變提供了能量,使種類更多、質量更重的元素得以生成,為宇宙做了一點微小的貢獻。


基本同意 @邪正人鬼的回答;不過其中有一處不準確的地方:太陽中心的壓力主要是氣體的熱壓、而不是輻射壓。氣體的熱壓主要是由於氣體粒子的微觀熱運動產生的,而輻射壓是光子提供且僅僅是溫度的函數:P_mathrm{rad} propto a T^4

當星體的質量接近60-90倍的太陽質量的時候,輻射壓才開始有不可忽略的影響。值得注意的是,對於輻射壓佔主導的恆星(P_mathrm{rad} gg P_{gas}),恆星恰好在穩定和不穩定的邊緣(可以由Virial theorem得出系統的總能量趨近於0,而穩定的束縛系統要求總能量小於0);因而輻射壓限定了恆星質量的上限。

那麼接下來,我關於這個問題再延伸一下:

物理學中有兩個很重要的概念:平衡穩定。在日常生活中,這兩個概念差不多;但在物理學中,兩者是完全不同的。

比如下圖中的兩個系統(存在摩擦力和重力),兩者都是平衡的;然而,只有左邊的系統是穩定的。檢驗的方法是:用足夠小的(「足夠小」在下文有精確描述)尺度給兩個小球施加一個擾動,那麼左邊的球會逐漸回到原來的位置,而右邊的球會落下來。

這個簡單的例子卻反映了物理學中關於穩定性分析的一個重要方法:

  1. 寫下系統的平衡方程;
  2. 引入一個足夠小的擾動項,這裡「足夠小」指的是與系統尺度相比足夠小。比如在上文的例子中,對小球的擾動幅度較之於當地的曲率半徑要足夠小;
  3. 線性化包含擾動項的平衡方程,並分析該擾動項隨時間的演化情況。如果擾動項隨時間衰減,則系統對於該擾動穩定,反之則不穩定。

以上可能過於抽象,那麼舉個例子:

比如一個男生追一個妹子。妹子不會那麼輕易讓男生得手,她們往往要考驗該男生是否可靠;用物理的語言來說,就是檢驗男生的穩定性。檢驗的手段多種多樣:赴約遲到,打電話發簡訊不回…… 這樣一段時間後,如果這些擾動在男生身上能逐漸衰減——男生也許當時很生氣、但之後能夠一如既往地對妹子好,那麼男生就通過了穩定性檢驗,妹子也就追到手了。

友情提示:也許你看到這個穩定性分析的方法,也想對妹子嘗試一下——千萬不要,因為你在第一步就失敗了:你永遠不能寫下妹子的平衡方程。

下面我們就可以分析太陽(乃至主序星)的穩定性了:

太陽是平衡的,在這個平衡中對抗的雙方分別是向內的重力和向外的氣體熱壓,其中氣體熱壓由太陽中心的核聚變提供。重力和熱壓在同一個量級上,Virial theorem可以描述這個平衡。 那麼為了分析系統的穩定性,我們給系統施加一個擾動,比如讓重力稍稍把太陽壓縮一些,導致中心的密度升高一些。那麼接下來的過程是:

中心密度升高 -&> 中心核反應加劇(核反應速率是密度和溫度的函數)-&> 核反應產能增加 -&> 中心溫度增加 -&> 氣體的熱壓強增加(熱壓強是溫度和密度的函數)-&> 壓強稀釋物質導緻密度降低

所以,我們從一個密度升高的狀態,達到了一個密度降低的狀態;這個過程是一個負反饋。負反饋保證了系統的穩定性。

那麼,是否存在對核聚變反應不穩定的星體呢?是存在的,比如白矮星。白矮星主要由碳和氧構成,由於其非常緻密,中心起主導作用的壓強不是氣體熱壓,而是電子簡併壓。在下面的分析中,我們不需要具體了解什麼是簡併壓,只要記住:氣體熱壓同時是溫度和密度的函數,但電子簡併壓僅僅是密度的函數,與溫度無關

同樣的,我們稍稍把白矮星壓縮一些,接下來的過程是:

中心密度升高 -&> 中心核反應加劇(核反應速率是密度和溫度的函數)-&> 核反應產能增加 -&> 中心溫度增加 -&> 簡併壓不變(簡併壓不是溫度的函數)但核反應速率增加(核反應速率隨溫度增加而增加) -&> 更多核反應產能 -&> 更高的溫度 -&> 更大的核反應速率 -&> 更多核反應產能 -&> 更高的溫度 ... -&> 爆發成熱核反應型(Ia型)超新星或坍縮成中子星

從這個例子中我們可以看出,系統的正反饋是不穩定性的來源。

值得指出的是,白矮星由於中微子冷卻快於中心的核反應,白矮星一般是漸漸冷卻下來的,所以是穩定的;只有通過一些特殊的物理過程(比如撞擊或吸積),使得核反應突然超過中微子冷卻,才會導致不穩定從而爆發為超新星。

像太陽這樣的小質量恆星,由於質量小,中心溫度也就低(又是Virial theorem給出的),反應到碳和氧元素就終止了,最終會形成白矮星。對於大質量恆星,中心的密度溫度足夠高,會一直反應到鐵元素。由於鐵的聚變不但不提供熱量、反而吸收熱量,原本平衡中熱壓強的一方就消失了,引力佔主導從而坍縮成中子星/黑洞或者爆發成核坍縮型(II型)超新星。

另一個正反饋的例子,是暗能量模型。我們從日常經驗中知道,比如一個氣球,如果溫度不變而我們把氣球體積變大一些,氣球內部的壓強會減小,所以氣球體積會變小直到恢復到原來的體積,內部和外部氣體的壓強重新得到平衡。

但對於暗能量,當體積變大時壓強不是減少、而是增加。所以這個不穩定的過程是,體積變大 -&> 壓強增加 -&> 體積變大 -&> 壓強增加… 因而,宇宙在暗能量的作用下是加速膨脹的。

最後,再回顧一下回答中提到的一些很有意義的物理思想:

  • 平衡與穩定的概念及其檢驗;
  • 負反饋、正反饋和穩定性;
  • 「足夠小」、「足夠大」的表述本身是沒有意義的,要與相關的系統尺度的比較才有意義:比如在物理中,我們說星星離地球很遠,是把星星的距離和地球半徑比較而言的;說水很深,是把水的深度和水波的波長比較而言的。

我需要說明一點,太陽的核聚變確實是可控的,儘管太陽一秒鐘釋放的能量相當於幾億顆氫彈。天體物理學真正意義上的不可控核聚變的例子是Ia型超新星,不穩定對超新星,新星等等。

太陽的核聚變可控是因為太陽的壓強是由溫度提供的(主要是氣壓),而太陽核聚變的速率受溫度和密度的影響,溫度越高,密度越高核聚變速率越快。當太陽核聚變速率過快時,內核溫度升高,壓力超過引力而膨脹,導致核聚變減緩。同理,太陽核聚變速率過低時,壓力不足發生引力坍縮,導致溫度和密度提高,核聚變加快。這樣就形成一個負反饋調節。

白矮星是簡併態天體,內部的壓強幾乎完全是由電子簡併壓提供的,溫度只佔很小的一部分。當白矮星不斷吸積物質,質量增大到接近錢德拉塞卡極限時,電子簡併壓無法支撐恆星的質量,從而發生引力坍縮。由於白矮星的成分是碳氧,引力坍縮導致它們聚變成鐵。然而,白矮星的壓強主要來自簡併壓,所以核聚變的溫度上升並不會引起白矮星膨脹。於是核聚變的速率越來越快,最後整個白矮星在一瞬間被點燃,釋放的能量將白矮星徹底炸碎,形成Ia型超新星。

質量大於150個太陽質量的超大恆星,其內部溫度極高,因此支撐恆星主要是靠輻射壓。當恆星耗盡核心的氫,聚變更重的元素時,恆星內部的溫度越來越高。當溫度高到一定程度時,光子的能量足以產生正負電子對,導致輻射壓損失,平衡被打破。於是恆星發生急劇的收縮,在短短的幾秒內把40倍太陽質量的核心聚變成鐵,恆星被徹底炸碎,不留下任何緻密星。這就是不穩定對超新星。

平衡的穩定性也和核聚變隨溫度的變化率有關。太陽內部的核聚變是pp鏈反應,更大質量的恆星是CNO循環。pp鏈反應速率和溫度四次方成正比,CNO循環和溫度17次方成正比,所以它們隨溫度的變化不劇烈。然而,氦聚變的速率和溫度的40次方成正比,這使得一點微小的擾動就足以讓恆星偏離平衡,而且恢復平衡也更為困難。所以晚年恆星的核聚變不穩定,常常發生周期性爆發。


可控核聚變的三個思路
磁束縛: 各種托克馬克
慣性束縛: 國家點火裝置
引力束縛: 太陽

之所以要束縛 是因為聚變需要高溫高壓 而高溫高壓的東西有強烈的膨脹趨勢 要是不擋住這個趨勢 聚變就停了 比如氫彈一爆就完了 即使核燃料其實沒用完 要說起來的話 熱核彈其實也是慣性束縛 慣性用完就完了

要想引力束縛 你得有那麼大質量才行
所以目前只有天然的才行 也就是各種恆星


人類的可控概念是不能像氫彈一樣炸壞設備炸死人。
太陽的穩定聚變是每秒穩定炸n個氫彈炸幾十億年。
人類的氫彈是一根鞭炮,想實現的可控聚變是想點就點想滅就滅的蠟燭。
太陽的聚變是在比整個地球還大萬倍的森林上燃燒的野火。


不可控主要是說人類不可控


太陽靠自身的巨大引力來控制核心部分的核聚變,地球上難以製造這種環境,只能用各種奇巧之術強行讓核聚變在一個狹小的空間進行,難度可想而知。


可控啊,不然為什麼晚上沒有太陽?


太陽說我這程度叫可控的話你們人類的熱核爆炸簡直就是潤物細無聲好么 你們呀還要多學習


太陽是引力約束。
人類做不到引力約束。
引力約束就是做一個一比一太陽。


太陽每秒放出的能量相當於一千億枚百萬噸級的核彈,但事實上太陽燃燒的速度是極其緩慢的。甚至人體單位質量發熱功率都能超過太陽反應區單位質量的功率。
太陽主要聚變方式是p-p鏈,這個反應的第一步是兩個質子聚變為氘核,並放出正電子和中微子。這是個弱相互作用過程,發生速度極其緩慢,在太陽反應區的溫度壓力下,一個質子平均來說大約要經歷百億年降級的時間才會發生這樣的反應;這一步完成後,氘核大約在幾分鐘內就會完成後續的反應;人類使用的聚變材料通常是氘、氚、鋰6鋰7等,在合適的條件下反應速度快的多。如果把太陽上的氫換成氘,那也會分分鐘給你炸了。


只是對於人類來說不可控,太陽的龐大質量所產生的向心引力和核反應所產生的龐大壓力達成了微妙的平衡,所以可以讓氫原子核在太陽中心穩定的進行核融合釋放能量而不會像氫彈一樣一下全炸完


太陽哪裡可控了,人家只是燃料充足。爆炸持續了幾十億年而已。


太陽的聚變貌似不是可控的吧!那貨不是正在瘋狂的製造核燃料然後往吞噬地球的紅巨星上面狂奔呢嘛。

而且上面的耀斑啦,日珥啦,風暴啦什麼的也不是一直都在發瘋,從來沒有那一次太陽說聽說你們要搞奧運會,開幕式上我放個耀斑給你助助興吧?

題主誤以為太陽是可控的,可能是在想,如果不是,為毛我們還可能活到現在是吧?那是因為我們站的遠好不好。再說了,遲早會被人家整死的,表高興的太早好不好。

或者,題主想的更簡單一點,就是太陽為毛不是刷的一下,然後就滅了,對吧? 那是因為人家財大氣粗燃料足,在你的有生之年是燒不完的。電視上的氫彈爆炸的直播不是也要燒好久的嘛。我說的是前蘇聯搞得那個大個兒的。

所以太陽上的核聚變也沒有是可控的。人家只是足夠大,而且離得足夠遠。


什麼是一瞬間?假如你的壽命是千萬億年,那太陽百億年的光輝也不過一瞬間,蟪蛄不知春秋,如是而已


阿西巴,看答案有的不知道說的是什麼鬼。
在物理學中,任何概念和定理都有其適用範圍。
脫離適用範圍談論物理沒有意義。
這裡說的穩定,實際上是有適用範圍的。
對於人類講,現在希望獲得的是小尺寸長時間的聚變源。請特別注意適用範圍是小尺寸,長時間。重力約束的核聚變在小尺寸情況下不是不穩定而是沒辦法發生,因為重力屬於較弱的相互作用,這種相互作用要想達到約束聚變的大小必須要求體系的質量是天文級別,這也是為什麼重力約束的核聚變是星際恆星核聚變的常見模式。在地球上我們我們為了模仿恆星內部的反應條件,即由重力作用產生的高壓,利用強激光束輻照燃料靶丸點火,這也是激光碟機動的慣性約束核聚變。這種方式的聚變在單次是不可控的,相當於不斷的點爆迷你核彈,也就是說起能量時譜是脈衝式的。但是宏觀上看近似穩定。
參考資料可見我國的神光計劃,美國的國家點火實驗。


由重力來控制,如果能造一個跟太陽一樣重力場,那麼地球上也能做到可控!


。。。。渺小的人類,你們控制不了,恆星也控制不了么?


沒有控制啊,純粹是拼盡全力在燒,你說有控制的話你上去把太陽關掉試試看啊


誰告訴你太陽聚變是可控的…
你控一個我看看?
今天中午十二點你給滅了?


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