¿Por qué la fusión nuclear en el sol continúa de forma continua y no colapsa instantáneamente?

Fusión nuclear

Todos sabemos que la combustión del sol se basa en la reacción de fusión nuclear en el núcleo del sol. Cuando la mayoría de la gente piensa en la fusión nuclear, normalmente piensa en. explosiones de bombas de hidrógeno. Entonces todo explotó.

Sin embargo, lo que necesitamos saber es que si simplemente lanzas una bomba de hidrógeno, no explotará y la energía no será fuerte. ¿No lo crees? Podemos echar un vistazo al principio de reacción. El principio de reacción de la fusión nuclear es generalmente la reacción D-T, que es la siguiente ecuación

D y T son en realidad isótopos de hidrógeno, y la reacción producirá 17,6 MeV. energía. El proceso específico es el siguiente:

Echemos un vistazo a la reacción de fisión nuclear, que es el principio de la bomba atómica.

¿Lo ves? En realidad, la fisión nuclear genera mucha más energía que la fusión nuclear, pero ¿por qué siempre pensamos que la fusión nuclear es más poderosa? Esto se debe a que el hidrógeno es más ligero. Entonces, basándose en la unidad de masa, la eficiencia de la fusión nuclear es un poco mejor. Pero ese no es el punto. La cuestión es que las reacciones de fusión nuclear requieren temperaturas ultraaltas. ¿Cuántos grados exactamente?

En realidad, esto está relacionado con la presión. Bajo la presión atmosférica estándar de la Tierra, cuando la temperatura alcanza los 100 millones de grados, se produce la fusión nuclear en el plasma de D y T, lo que puede garantizar que la energía generada después de la explosión. es mayor que la energía de explosión requerida.

Por lo tanto, en términos generales, las bombas de hidrógeno no son bombas de hidrógeno puro, sino una combinación de bombas de hidrógeno y bombas atómicas, que se dividen en bombas de dos fases y bombas de tres fases.

La bomba de dos fases es lo que llamamos bomba de hidrógeno. Está bastante limpia después de la explosión. Aquí limpia significa que no hay contaminación nuclear. La fisión nuclear se utiliza para aumentar la temperatura y estimular la fusión nuclear.

La bomba trifásica también se llama bomba de hidrógeno-uranio. Se someterá a fisión nuclear-fusión nuclear-fisión nuclear. Al mismo tiempo, depende de la fisión nuclear para proporcionar temperatura para estimular la fusión nuclear. Solo tiene un paso más de fisión nuclear. Esta bomba trifásica. El poder de las bombas de fase es mucho mayor (múltiplos) que el de las bombas de dos fases, y causará una contaminación nuclear muy grave.

En la actualidad, de hecho, más bombas de hidrógeno en manos de varios países son bombas trifásicas en lugar de bombas bifásicas. Sin embargo, no importa cuál sea, la fisión nuclear en realidad es necesaria para proporcionar temperatura.

Como ve, las condiciones de reacción de la bomba de hidrógeno son en realidad muy duras. De hecho, la temperatura central del Sol es de sólo 15 millones de grados, lo que está lejos del requisito de 100 millones de grados. Afortunadamente, la presión del Sol (refiriéndose aquí al núcleo) es extremadamente alta, alcanzando los 2,5 millones de atmósferas. Pero después de una serie de cálculos, descubrirá que todavía no es suficiente. Entonces, ¿por qué todavía se produce fusión nuclear en el Sol?

El mecanismo de combustión del núcleo solar

Aquí mencionaremos un "efecto túnel cuántico", que se refiere a:

Las partículas microscópicas pueden penetrar o atravesar el comportamiento cuántico de una barrera de potencial, aunque la altura de la barrera de potencial sea mayor que la energía total de la partícula.

El sol en realidad depende del efecto túnel cuántico para quemarse. Entonces, ¿dónde se manifiesta específicamente?

Esto en realidad requiere que volvamos a comprender la situación dentro del sol. El sol es en realidad un plasma. Simplemente puedes entender que este es un estado diferente de los tres estados generales. El plasma está compuesto por partículas con diferentes propiedades como cationes, partículas neutras y electrones libres.

El interior del sol está compuesto principalmente por protones (núcleos de hidrógeno) y electrones. La reacción de fusión nuclear en realidad requiere que los protones se conviertan en núcleos de helio-4. Hay dos vías, una se llama cadena de reacción protón-protón y la otra se llama ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno. De hecho, el resultado es el proceso de protones a helio-4, por lo que tomamos como ejemplo la cadena de reacción protón-protón.

En realidad, existe una repulsión electrostática entre protones (después de todo, ambos están cargados positivamente), pero se requieren reacciones de fusión nuclear entre protones y protones, por lo que el efecto de túnel cuántico en realidad supera esta cuestión. Sin embargo, incluso si existe el efecto de túnel cuántico, superar la fuerza electrostática entre dos protones requiere mucha energía. Incluso en el centro del sistema solar, se necesita un promedio de 10^10 años para completarse. Por supuesto, como el Sol es tan grande (después de todo, el 99,86% de la masa de todo el sistema solar está aquí), esta reacción puede continuar, pero será muy lenta. Por eso el sol no explotó de golpe.

Desde una perspectiva macro

Lo que acabo de mencionar es en realidad desde una perspectiva micro, la existencia de repulsión electrostática hace que la reacción avance muy lentamente. Además, de hecho, la intensidad de la fusión nuclear en el núcleo del sol está relacionada con la temperatura y la presión.

Se puede imaginar que una vez que se enciende la fusión nuclear, en realidad se generará una presión hacia afuera. En este momento, la presión en el centro disminuirá, lo que ralentizará la reacción nuclear. Por tanto, la gravedad y la presión hacia afuera generada por la fusión nuclear son un par de fuerzas que forman un equilibrio dinámico.

Este juego de gravedad y presión externa hará que cambien la presión y la temperatura del núcleo del sol. Ésta es una de las razones que garantiza que la reacción nuclear solar pueda proceder paso a paso en lugar de explotar de una vez. Si la gravedad tiene ventaja, la temperatura y la presión aumentarán y la reacción nuclear será violenta. En este momento, la presión externa también aumentará, y viceversa.

Finalmente, resumamos. Hay tres razones principales por las que el sol no explotó del todo a la vez:

La bomba de hidrógeno se encendió a 100 millones de grados, y la temperatura del sol. núcleo Tiene solo 15 millones de grados y la presión es 2,5 millones de veces mayor que la presión atmosférica, pero esto no es suficiente para detonar directamente el sol, por lo que existe una diferencia entre los dos. La repulsión electrostática entre protones ralentiza el primer paso para iniciar la reacción nuclear en el núcleo del Sol. La gravedad del sol y la repulsión externa de la fusión nuclear forman un equilibrio dinámico, por lo que limitan la intensidad de la fusión nuclear en el núcleo del sol.