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    太陽的發熱功率密度竟然比人還低:“純天然”不如“人工仿”

      來源: 科技日報  2022-01-25 16:50:10

    ,我國東方超環實現了7000萬攝氏度的長脈沖高參數等離子體運行1056秒。

    東方超環這類裝置,有著一個更響亮的名稱——托卡馬克。這是由蘇聯科學家在上世紀50年代發明的一種環形容器。它是一個環形真空室,其中遍布強大磁場。在托卡馬克中,強大的磁場對帶電等離子體來說本身就是一個容器,沒有任何實物直接和等離子體接觸,所以等離子體可以被加熱到很高的溫度。當等離子體的溫度足夠高,高到其中氘氚原子核的熱運動可以克服彼此之間的庫倫勢壘(兩個原子核要接至可以進行核聚變時所需要克服的靜電能量壁壘)時,它們就會撞到一起,形成氦原子核,釋放出一個中子和大量能量,這就是核聚變。

    核聚變同樣是太陽的能量來源,這也是這類裝置被稱為“人造太陽”的原因。不過其中還隱藏著一個有趣的事實——其實,太陽的溫度沒有“人造太陽”高,發熱功率密度甚至還不如人。

    “純天然”不如“人工仿”

    “人造太陽”的溫度比真正的太陽還高,說的當然不是太陽表面的區區5500攝氏度,雖然人類仍然沒有能承受這么高溫度的材料,但想要達到這個溫度還是很輕松的,電弧焊的電弧溫度往往就能高達6000—8000攝氏度。我們真正需要對比的,是發生核聚變的太陽核心,那里的溫度在1500萬攝氏度左右。

    乍一看,1500萬攝氏度是一個非常高的溫度。但只要將“純天然”的太陽和“人造太陽”對比一下,就會發現竟然是“人造太陽”的溫度更高,而且幾乎比太陽的溫度高了一個數量級。1500萬攝氏度的溫度甚至不足以讓氫原子核越過庫倫勢壘,發生聚變。只有依靠量子隧穿效應,我們才能解釋為何太陽核心溫度這么低也能發生核聚變。

    也正是因為太陽核心溫度太低,其聚變功率密度大約只有276.5瓦/立方米。人體發熱功率大約在100瓦量級,體重在100千克量級,按水的密度估計人體的體積,人體的發熱功率密度就已經到了1000瓦/立方米??紤]到人在閱讀時大腦的運轉會消耗更多能量,并且大多數人的體重也不會達到100千克,因此人的發熱功率密度甚至能比太陽核心高一個量級。

    當然,這并不代表人類就可以“飛上天和太陽肩并肩”了。人體會發熱,也會散熱,冬天我們需要穿的厚一點,正是為了減少散熱、維持體溫。而太陽核心為了維持它核聚變的“體溫”,用整個太陽來保暖,這可比我們穿的羽絨服厚多了。更何況在太陽之外就是真空,太陽的大部分能量只能通過黑體輻射的形式散發出去,散熱效率就更低了。所以太陽核心的溫度要比人體溫度高得多。

    發熱功率低反而是好事

    既然太陽發熱功率密度這么低,它又如何給地球生態圈提供能量呢?原因很簡單,太陽很大,也很“長壽”。

    太陽的總質量占整個太陽系總質量的99.86%,半徑在70萬千米左右,是地球的110倍。其核心半徑約占整體半徑的1/5—1/4,就算發熱功率密度較低,它仍能靠龐大的身體產生極大的能量。在太陽核心中,每秒大約有3.6×1038個氫核聚變,將430萬噸的質量轉化成能量。這樣的能量在太陽表面以可見光的形式向外界輻射出去,就算遠在8光分(光一分鐘行走的距離)外的地球軌道上,經過大氣層的衰減,太陽輻射仍能在地表達到每方米1千瓦左右的水。

    太陽核心較低的發熱功率密度,也給我們帶來了一個好處——它很“長壽”,能燃燒很久。雖然人體發熱功率密度更高,但如果人不從外界攝取能量,大概一周就會“涼涼”,發熱功率降低到0。太陽從50億年前點燃核聚變的那一刻起,就沒從外界攝取過任何能量,而它大約還能再燃燒50億年。

    持久穩定的能量供應,是地球生命誕生的重要條件之一。宇宙中第一批出現的恒星比太陽大得多,核心溫度也比太陽更高,核聚變速率也比太陽高得多,但正是因為燃燒得太過劇烈,第一代恒星往往在幾百萬年內就燃盡了自己,這么短的時間是遠不足以支持復雜生命誕生的。正是因為太陽核心不夠“熱”,我們人類才得以誕生。(王 昱 據《環球科學》)

    標簽: 發熱功率密度 低于人 純天然 人工仿

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