เหตุใดกระบวนการฟิวชั่นของดวงอาทิตย์จึงไม่เร่งขึ้น?

ฉันถูกต้องหรือไม่ที่บอกว่ากระบวนการฟิวชั่นของดวงอาทิตย์คงที่เช่นปริมาณฟิวชั่น X เกิดขึ้นต่อวันมากหรือน้อย? ทำไมสิ่งนี้ถึงไม่เร็วขึ้นเช่นเหตุการณ์ฟิวชั่นหนึ่งเหตุการณ์สร้างพลังงานสำหรับเหตุการณ์ฟิวชั่นสองเหตุการณ์ ฯลฯ การชนกันของอะตอมทุกครั้งก่อให้เกิดเหตุการณ์ฟิวชั่นหรือเป็นไปได้น้อยที่เหตุการณ์ฟิวชั่นจะเกิดขึ้นดังนั้นจึงไม่ใช่ปฏิกิริยาที่หลบหนี ฉันได้ยินมาว่ามีความเป็นไปได้ที่เหตุการณ์ฟิวชั่นจะเกิดขึ้นเพียง 1 ใน 10 ¹²สำหรับทุกการปะทะ

ฉันถูกต้องหรือไม่ที่บอกว่ากระบวนการฟิวชั่นของดวงอาทิตย์คงที่เช่นปริมาณฟิวชั่น X เกิดขึ้นต่อวันมากหรือน้อย?

ใช่อย่างน้อยในช่วงเวลาของมนุษย์ คุณสามารถคาดหวังได้ว่าอัตราการหลอมรวมภายในดวงอาทิตย์จะเป็นแบบเดียวกันในวันนี้เมื่อไม่กี่พันปีที่แล้วหรือในอนาคตให้หรือรับเศษเสี้ยวเล็กน้อย

เหตุใดจึงไม่เร่งความเร็วเช่นเหตุการณ์หนึ่งฟิวชั่นสร้างพลังงานสำหรับเหตุการณ์ฟิวชั่นสองเหตุการณ์ ฯลฯ

พลังงานที่ถูกปล่อยออกมาจากฟิวชั่นนั้นจะถูกกระจายอย่างรวดเร็วเป็นพลังงานความร้อนในใจกลางของดวงอาทิตย์และความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิว (ประมาณ 6000K) และศูนย์กลาง (ประมาณ 15 ล้าน K) ทำให้การไหลของพลังงานจากร้อนไปเย็น

การชนกันของอะตอมทุกครั้งก่อให้เกิดเหตุการณ์ฟิวชั่นหรือเป็นไปได้น้อยที่เหตุการณ์ฟิวชั่นจะเกิดขึ้นดังนั้นจึงไม่ใช่ปฏิกิริยาที่หลบหนีหรือไม่?

ฟิวชั่นในดวงอาทิตย์ไม่ใช่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่หลบหนี (เช่นมวลวิกฤตของยูเรเนียมในปฏิกิริยาฟิชชัน)

เป็นไปได้ในทางทฤษฎีที่จะมีเหตุการณ์ฟิวชั่นที่ควบคุมไม่ได้ แต่ความดันและอุณหภูมิสำหรับสิ่งเหล่านี้จะเกิดขึ้นไม่ได้เข้าใกล้แกนกลางของดวงอาทิตย์ สำหรับดาวฤกษ์ที่เสถียรเช่นดวงอาทิตย์กองกำลังและกระแสพลังงานอยู่ในภาวะสมดุลถ้าแกนร้อนมากขึ้นแรงดันก็จะเพิ่มขึ้นและดาวก็ขยายตัวเล็กน้อยเมื่อเทียบกับแรงโน้มถ่วงเพื่อชดเชย สิ่งที่น่าสนใจเกิดขึ้นเมื่อดาวตกออกมาจากความสมดุลและการเผาไหม้ฟิวชั่นที่หลบหนีสามารถเกิดขึ้นได้ในบางสถานการณ์

นอกจากนี้จุดสมดุลนี้จะเคลื่อนที่ในช่วงอายุของดาวฤกษ์เนื่องจากองค์ประกอบของมันเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากฟิวชั่น นี่เป็นสิ่งที่คาดเดาได้สำหรับดาวหลายดวงและเป็นพื้นฐานของดาวลำดับหลักในไดอะแกรม Hertzsprung-Russell

ฉันเคยได้ยินว่าความน่าจะเป็นที่จะเกิดเหตุการณ์ฟิวชั่นนั้นมีเพียง 1 ใน 10 ^ 12 สำหรับทุกการปะทะ

ฉันไม่รู้ความถูกต้องของสิ่งนั้น แต่ดูเหมือนสมเหตุสมผล คำจำกัดความของ "การชนกัน" นั้นค่อนข้างที่จะเกิดขึ้นโดยพลการในสภาพแวดล้อมที่มีความหนาแน่นสูง หากคุณรวมเฉพาะวิธีการที่ใกล้พอที่จะทำให้พลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งมีอิทธิพลเหนือการมีปฏิสัมพันธ์อัตราส่วนอาจสูงขึ้น

ความจริงอีกประการหนึ่งที่ผมพบว่าน่าสนใจในพื้นที่เดียวกันคือความหนาแน่นของพลังงานจากฟิวชั่น - คือวัตต์ต่อลูกบาศก์เมตรของสาร - ในดวงอาทิตย์คือประมาณเดียวกันที่พบว่าในกองปุ๋ยหมักโดยทั่วไป มันเป็นสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันมากในการทดลองของเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นหรือระเบิดฟิวชั่นซึ่งมีความหนาแน่นพลังงานสูงกว่ามาก

ไม่อัตราการหลอมรวมของดวงอาทิตย์ไม่แน่นอนในเวลา ดวงอาทิตย์จะค่อยๆส่องสว่างมากขึ้นและความส่องสว่างนั้นถูกเตรียมไว้สำหรับฟิวชั่นในแกนกลางโดยเฉพาะ อย่างไรก็ตามอัตราการเพิ่มขึ้นไม่ใหญ่มากเพียง 10% ต่อพันล้านปี

กระบวนการฟิวชั่นช้ามาก (และไม่มีประสิทธิภาพในแง่ของการปล่อยพลังงานต่อหน่วยปริมาตร) - ดวงอาทิตย์ปล่อยเพียง 250 W / m$^3$ในนั้นเป็นหลัก เหตุผลก็คือเหตุการณ์ฟิวชั่นนั้นไม่น่าเป็นไปได้อย่างมากโดยต้องการโปรตอนสองอันที่จะเอาชนะสิ่งกีดขวางคูลอมบ์ระหว่างพวกเขาและสำหรับหนึ่งในโปรตอนที่จะผกผันเบต้า - สลายตัวเข้าไปในนิวตรอนเพื่อสร้างนิวเคลียสดิวเทอเรียม

อายุการใช้งานเฉลี่ยของโปรตอนต่อกระบวนการนี้ในแกนกลางคือ $10^{10}$ ปี (อายุการใช้งานของดวงอาทิตย์) หมายถึงอัตราการหลอมต่อโปรตอนเป็นเรื่องเกี่ยวกับ $3 \times 10^{-18}$ s$^{-1}$. เราสามารถเปรียบเทียบสิ่งนี้กับอัตราการชนระหว่างโปรตอนโดยสมมติว่าความเร็วความร้อนเฉลี่ยเท่ากับ$v \simeq (3k_B T/m_p)^{1/2} = 600$ km / s สำหรับอุณหภูมิแกนกลางของ $15\times 10^{6}$ k, ความหนาแน่นของจำนวนโปรตอน $n_p \sim 6 \times 10^{31}$ ม.$^{-3}$ ในแกนกลางและส่วนตัดขวางของ $\sigma \sim \pi (\hbar/mv)^2$ซึ่งคำในวงเล็บคือความยาวคลื่นที่ลดลงของเดอโบรกลิ เมื่อรวมสิ่งเหล่านี้เข้าด้วยกันอัตราการปะทะคือ$n_p \sigma v \sim 10^{12}$ s$^{-1}$.

ดังนั้นเมื่อเปรียบเทียบทั้งสองอัตราเราสามารถสรุปได้ว่าเพียงประมาณ 1 นิ้ว $3\times 10^{29}$ การชนกันจบลงด้วยฟิวชั่น

หากอัตราการหลอมรวมของดวงอาทิตย์เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วสิ่งที่จะเกิดขึ้นคือดวงอาทิตย์จะขยายตัวแกนกลางจะมีความหนาแน่นน้อยลงและอัตราการหลอมรวมจะลดลง โดยทั่วไปจะทำหน้าที่เป็นเทอร์โมสตัททำให้ดวงอาทิตย์อยู่ในอุณหภูมิที่เหมาะสมเพื่อรองรับน้ำหนักของมันและให้ความส่องสว่างที่เกิดขึ้นจากพื้นผิวของมัน

ยิ่งไปกว่านั้นคำอธิบายตามปกติสำหรับสาเหตุที่ฟิวชั่นไม่ได้หายไปนั้นไม่สมบูรณ์ เรื่องราวที่เรียบง่ายที่ไม่สามารถเป็นเรื่องราวเต็มรูปแบบได้คือถ้าฟิวชั่นเกิดขึ้นเร็วเกินไปความร้อนจะสะสมและสร้างแรงดันเกิน แรงดันเกินที่ทำให้เกิดการขยายตัวและการขยายตัวจะทำงานซึ่งช่วยลดอุณหภูมิและหมุนกลับฟิวชั่นจนกว่ามันจะตรงกับอัตราการหลบหนีรังสี

เหตุผลนี้ไม่สมบูรณ์คืองานขยายไม่ได้ทำให้เกิดความมั่นคงหากเกิดขึ้นเฉพาะกับแรงกดภายนอกที่คงที่จำนวนงานนั้นไม่เพียงพอที่จะทำให้เสถียรอยู่เสมอ (ซึ่งนำไปสู่ ​​"กระสุนกะพริบ" ในภายหลังในชีวิตของดาวฤกษ์) . สิ่งเดียวที่สามารถทำให้ฟิวชั่นมีเสถียรภาพคือการทำงานเพิ่มเติมกับแรงโน้มถ่วงในขณะที่คุณสามารถดูได้อย่างง่ายดายจากการรวมแรงโน้มถ่วงในการวิเคราะห์ใด ๆ ดังนั้นสิ่งสำคัญคือการที่คนในท้องถิ่นมีผลสุทธิจากการยกก๊าซออกไปจากศูนย์สุริยดังนั้นการทำงานด้วยแรงโน้มถ่วง - รายละเอียดที่สำคัญมักจะถูกแยกออกจากคำอธิบาย อันที่จริงมันจะยุติธรรมมากกว่าที่จะบอกว่าฟิวชั่นพลังงานแสงอาทิตย์มีความเสถียรโดยการรวมกันของงานขยายและยกแรงโน้มถ่วง