终极贱靶(大内密探零零发)

核能的发现和应用是人类科学史上最重要的事情之一。

二战中，美国在日本引爆了两颗原子弹(核裂变原理)，几年后又发明了威力更大的氢弹(核聚变原理)。然而，不幸的是，这些都是军用武器。要是这些巨大的能量能用来造福人类就好了！

为此，科学家开始研究如何让这些核反应变得“温顺”。第一个成功的是核裂变，也就是我们现在常说的核电站的能源。然而，核裂变发电站也有缺点。首先，核材料非常昂贵且有限。第二，核裂变会产生具有长期放射性的核废料，其处置也是一个令人头疼的问题。

于是科学家把希望寄托在核聚变上，但世上没有容易的事。核聚变虽然避免了以上两个弊端，但是核聚变的启动条件极其困难！举个简单的例子，先说氢弹。虽然是核聚变，但它的点火还得靠核裂变来进行。一般来说，氢弹的引爆是由它内部的一颗小原子弹启动的！

但是，问题来了，既然引爆氢弹需要内部原子弹，那么那一天46亿年寿命的太阳靠什么呢？我们不是一直说太阳的能量来源是核聚变吗？它是如何维持其46亿年的核聚变的？为什么太阳没有像氢弹一样爆炸？

为什么氢弹只能瞬间爆炸？

首先要知道，核聚变的前提环境的创造有三种方式，分别是:惯性约束、磁场约束和引力场约束。

氢弹的引爆虽然依赖于内部的原子弹，但仍然属于上述三个约束之一的惯性约束。

简单看一下氢弹的爆炸过程就可以明白:首先引爆氢弹内部的原子弹，然后在极短的时间内(百万分之几秒)将聚变的核材料加热压缩，达到高温高密度状态。然后核聚变反应被点燃，开始释放能量，这个过程也很短。氢弹内部的物质在因膨胀而散落之前，大部分核物质都发生了聚变反应。

由此可见，氢弹之所以会释放出如此巨大的能量，取决于核材料本身的惯性约束，这样才能在弹体散落之前完成足够量的核聚变反应。但遗憾的是，毕竟约束模式只依赖惯性，所以这也决定了绝大部分的能量释放必须在极短的时间内完成，所以氢弹的性能只能是瞬间爆炸，而不能在可控的前提下进行。换句话说，氢弹的能量不能被收集和利用，而是作为军事

但是，这并不意味着惯性约束不能实现可控核聚变。这种研究其实早就有了，比如美国2009年建成的国家点火装置，目的就是从惯性约束的角度探索和研究受控核聚变。

先说惯性约束聚变的一种方式。以直接驱动为例:用激光照射一个核材料靶(非常小，直径为毫米)，其表面受热形成等离子体。等离子体会向外喷射，然后作用在剩余的目标上将其压缩。所以最里面的部分会达到高温高密度状态，产生核聚变反应，释放能量，向外释放会点燃外层的核物质，等等。

如果靶丸可以连续引爆，就可以产生连续的能量输出。

但要将其投入实际应用，还有很多因素需要解决，如驱动效率、目标设计等。所以惯性约束聚变距离相比下面提到的磁场约束，能够投入使用，还有很长的路要走。

再看磁场约束，这也是目前最清晰的实现可控核聚变应用的方式。关于磁场约束相对于惯性约束的科普介绍有很多，所以在这里，我就简单说几句。

总的来说就是如何处理维持一团温度上亿摄氏度的等离子体的问题。因为在这种温度水平下，地球上没有任何东西可以与之接触而不被损坏，所以我想到了用磁场来对付这种带电的物质。但是，这也带来了一个问题。磁约束方案中高温等离子体的密度很低，所以要实现自持核聚变，约束时间会比惯性约束长很多。如果用公式来解释，请参阅。

英国物理学家劳森在20世纪50年代提出了自持核聚变的要求。温度、密度和约束时间的乘积必须达到一定值，自持核聚变才能成功。

为什么太阳能持衡至今？

不管是惯性约束还是磁场约束，归根结底都是为了核聚变能够安全持续的进行。然而，这种人类至今觊觎的技术，其实早在46亿年前的太阳就存在了！

你究竟是怎么做到的？没错，就是上面提到的最后一种约束方式——引力场约束。事实上，这种方法远没有惯性约束和磁场约束复杂。说白了，可谓是“一力犯法”。这话怎么说？

因为太阳核聚变的大前提只是因为它的巨大质量，毕竟核聚变本身就是轻核合成重核。把两个轻核“压”在一起就够了，太阳巨大的质量也意味着强大的引力(毕竟它拥有整个太阳系99.86%的质量，牢牢地把八大行星束缚在引力范围内)。

而这个约束过程到底是怎么发生的？

太阳系的前身是一个大星云。由于超新星爆炸这样的巨大能量波动事件，这个星云的稳定状态被打破了。在引力的作用下，整个星云开始同时坍缩和分裂，最终形成小星云，其中一个最终坍缩成我们现在的太阳系。

太阳处于太阳系的核心，累积了整个太阳系99.86%的质量。它可以说是一个不折不扣的巨型气体球(最主要的成分是氢和氦)，但准确地说，太阳此时还没有达到核聚变的程度，因为它的中心温度还很低。但是在引力的作用下，所有的物质都会向中心聚集，也就是这个气体球的体积在不断缩小，这就是所谓的引力坍缩。

体积减小的直接后果是中心的温度越来越高(重力势能转化为热能，由内向外温度降低)，而温度升高，导致相应区域的压力也升高。这时候就出现了两股力量竞争的情况，一股是内部压力产生的向外扩张力，另一股是外部强大的向内收缩力。显然，这两个力的强弱决定了气球是膨胀还是收缩。

虽然内部压力强烈抵抗重力压力，但如果没有额外能量的补充，显然无法克服重力，因为气体球本身会向外部辐射能量，除非中心能量不损失，否则体积会不断缩小。

但正因为如此，一方面有外界热辐射，一方面有体积收缩(意味着密度增加)。所以热辐射通过内部时，热量会越积越多，中心温度会经历一次爆发，达到10000摄氏度左右。此时，我们称这个气体球为原恒星。

原恒星继续被武力瓦解。最后，当中心温度上升到1000万摄氏度，原恒星半径缩小到100万公里时，核聚变反应终于出现，额外的能量源开始不断出现加热原恒星中心。

当中心温度最终上升到1500万摄氏度，内部压力达到2500亿个大气压时，体积收缩停止，因为核聚变产生的能量足以保持中心温度不变(同时外部热辐射仍有空间，所以才有了今天沐浴地球的光和热)，中心的热压可以继续对抗外部的引力压力。此时状态已进入主序星阶段，意味着我们的太阳终于形成。

这里提个小点，其实太阳里的核聚变也是量子隧穿效应在帮忙，不然现有的高温高压是完成不了的。而这种量子隧穿效应，简单来说，就像现有的环境状态一样，只能让两个质子靠近到一定的距离，但它们还没有进入强核力的范围，所以不能聚变。但是，依靠量子理论中能量和时间的不确定关系，在极短的时间内，质子可能会穿透库仑势垒进行核聚变。

其实太阳核聚变的功率很低，但是体积和质量巨大，所以释放的能量很高。如果功率很大，可能真的会像氢弹一样爆炸，但是引力场约束保证了这样的事情不会发生。

总结

在这一点上，我们可以看到引力场约束是典型的“单手法”。惯性约束和磁场约束虽然“花里胡哨”，但实际应用还没有实现。

虽然引力场的约束很简单，就是靠引力来压，直到你不得不进行核聚变。同时你也无法打破引力场的约束，不会出现氢弹被吹走的情况。

这种现象现在已经持续了46亿年，未来还会持续50亿年左右。即使到了最后一点，引力场依然会把太阳核心锻造成白矮星，继续存在！