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太阳的发热功率密度竟然比人还低

来源:科技日报2022-01-25 10:52

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  最近,我国东方超环实现了7000万摄氏度的长脉冲高参数等离子体运行1056秒。

  东方超环这类装置,有着一个更响亮的名称——托卡马克。这是由苏联科学家在上世纪50年代发明的一种环形容器。它是一个环形真空室,其中遍布强大磁场。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。当等离子体的温度足够高,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(两个原子核要接近至可以进行核聚变时所需要克服的静电能量壁垒)时,它们就会撞到一起,形成氦原子核,释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。不过其中还隐藏着一个有趣的事实——其实,太阳的温度没有“人造太阳”高,发热功率密度甚至还不如人。

  “纯天然”不如“人工仿”

  “人造太阳”的温度比真正的太阳还高,说的当然不是太阳表面的区区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1500万摄氏度左右。

  乍一看,1500万摄氏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。1500万摄氏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,我们才能解释为何太阳核心温度这么低也能发生核聚变。

  也正是因为太阳核心温度太低,其聚变功率密度大约只有276.5瓦/立方米。人体发热功率大约在100瓦量级,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瓦/立方米。考虑到人在阅读时大脑的运转会消耗更多能量,并且大多数人的体重也不会达到100千克,因此人的发热功率密度甚至能比太阳核心高一个量级。

  当然,这并不代表人类就可以“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”,用整个太阳来保暖,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要比人体温度高得多。

  发热功率低反而是好事

  既然太阳发热功率密度这么低,它又如何给地球生态圈提供能量呢?原因很简单,太阳很大,也很“长寿”。

  太阳的总质量占整个太阳系总质量的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,就算发热功率密度较低,它仍能靠庞大的身体产生极大的能量。在太阳核心中,每秒大约有3.6×1038个氢核聚变,将430万吨的质量转化成能量。这样的能量在太阳表面以可见光的形式向外界辐射出去,就算远在8光分(光一分钟行走的距离)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。

  太阳核心较低的发热功率密度,也给我们带来了一个好处——它很“长寿”,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。(王 昱 据《环球科学》)

[ 责编:赵宇豪 ]
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