Почему ядерная реакция Солнца (или других звезд) не израсходует сразу все свое «топливо»?

Узким местом солнечного синтеза является слияние двух ядер водорода, то есть двух протонов.

Протоны все время сталкиваются в ядре Солнца, но нет связанного состояния двух протонов, потому что нет нейтронов, удерживающих их вместе. Протоны могут сливаться только в том случае, если один из них претерпевает бета-распад и становится нейтроном в момент столкновения. Нейтрон и оставшийся протон сливаются, образуя ядро ​​дейтерия, которое может реагировать с другим протоном с образованием$^{3}\text{He}$. Бета-плюс-распад опосредуется слабым взаимодействием, поэтому в любом случае это относительно медленный процесс, а вероятность того, что бета-плюс-распад произойдет в нужное время, чрезвычайно мала, поэтому синтез протонов на Солнце происходит относительно медленно. Чтобы образовалось одно ядро ​​дейтерия, требуются миллионы протон-протонных столкновений.

Бомбы ядерного оружия взрываются быстро, потому что они используют смесь дейтерия и трития. Они не пытаются слиться$^{1}\text{H}$поэтому у них нет узкого места, с которым приходится иметь дело Солнцу.

Это ответ, который я сделал, как предложил Джон Ренни, вырезав и вставив его ответ и ответ dmckee и добавив немного больше материала.

Здесь участвуют четыре фактора:

1. Распределение ядер по скоростям
2. Малое геометрическое сечение для лобовых столкновений ядер
3. Вероятность квантово-механического туннелирования
4. Для реакции рр требуется эффект слабой силы

Распределение ядер по скоростям

Недра звезды представляют собой горячий ионизированный газ при высоком давлении и температуре.

Высокая температура означает высокую среднюю кинетическую энергию на частицу, поэтому все ядра атомов вращаются очень быстро (хотя и на относительно коротком расстоянии между столкновениями, потому что газ очень плотный).

Дело в том, что не все они мчатся с одинаковой скоростью, по случайному стечению обстоятельств одни движутся быстро, а другие медленно. Это как нормальная кривая оценок IQ или чего-то подобного. Подавляющая часть атомов имеет очень средние скорости, и лишь очень немногие из них движутся либо намного быстрее, либо намного медленнее, чем в среднем.

«Достаточно горячая» звезда означает, что если два очень-очень быстрых ядра врежутся друг в друга, то может произойти слияние.

Малое геометрическое сечение

Эти очень быстрые частицы не только редки, но и должны столкнуться лицом к лицу. Это случается не часто.

Туннелирование

Даже самым быстрым частицам не хватает энергии, чтобы преодолеть электрическое отталкивание. Следовательно, слияние может происходить только посредством квантово-механического туннелирования, что является маловероятным процессом.

Требуется слабое взаимодействие

Еще одним узким местом является слияние двух ядер водорода, то есть двух протонов.

Протоны все время сталкиваются в ядре Солнца, но нет связанного состояния двух протонов, потому что нет нейтронов, удерживающих их вместе. Протоны могут сливаться только в том случае, если один из них претерпевает бета-распад и становится нейтроном в момент столкновения. Нейтрон и оставшийся протон сливаются, образуя ядро ​​дейтерия, которое может реагировать с другим протоном с образованием$^3$Он. Бета-плюс-распад опосредуется слабым взаимодействием, поэтому в любом случае это относительно медленный процесс, а вероятность того, что бета-плюс-распад произойдет в нужное время, чрезвычайно мала, поэтому синтез протонов на Солнце происходит относительно медленно. Чтобы образовалось одно ядро ​​дейтерия, требуются миллионы протон-протонных столкновений.

Бомбы ядерного оружия взрываются быстро, потому что они используют смесь дейтерия и трития. Они не пытаются слиться$^1$H, чтобы у них не было узкого места, с которым приходится иметь дело Солнцу.

Стабильное равновесие

Вышеуказанные факторы объясняют, почему при преобладающих условиях температуры и давления в ядре Солнца мы получаем такую ​​медленную скорость реакции. Ответ MariusMatutiae объясняет, как возникает этот конкретный набор условий. Солнце находится в устойчивом равновесии и действует как термостат.

Условия в ядре Солнца сильно отличаются от условий в термоядерной бомбе. Первая термоядерная бомба использовала дейтерий в качестве вторичного вещества. Солнце должно создать дейтерий, прежде чем дойдет до этой стадии. Именно создание дейтерия является узким местом в синтезе, происходящем внутри Солнца. В более поздних бомбах использовался дейтерид лития, который еще легче расплавить, чем дейтерий.

Термоядерный синтез внутри нашего Солнца — невероятно медленный процесс. Наше Солнце не такое горячее и яркое, потому что оно производит огромное количество энергии на единицу объема. Теплая компостная куча производит больше энергии на единицу объема, чем ядро ​​Солнца. Наше Солнце горячее и яркое из-за большого объема, в котором производится небольшое количество энергии на единицу объема.

Синтез на нашем Солнце идет медленно, потому что требуется много энергии, чтобы заставить два протона слиться и образовать дейтерий. Как только два протона успешно сливаются, образуя дейтерий, остальная часть протон-протонной цепи (цепочка pp ), которая в конечном итоге производит гелий-4, быстро развивается.

Так почему же протон-протонный синтез на нашем Солнце идет так медленно? Два протона должны пройти в пределах ^10-15 метров, чтобы сильное ядерное взаимодействие ближнего действия взяло под контроль и заставило эти два протона слиться с образованием дейтерия. Количество энергии, необходимое для преодоления кулоновского отталкивания между двумя протонами, огромно. Среднеквадратичная скорость протонов при 15,6 миллиона кельвинов составляет около 600 километров в секунду. Этой энергии недостаточно, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание. Только те протоны из самого-самого верхнего конца распределения Максвелла-Больцмана при 15,6 миллиона Кельвинов обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть это кулоновское отталкивание и сблизить два сталкивающихся протона достаточно близко друг к другу, чтобы сильное взаимодействие могло взять под контроль.

На нашем Солнце вероятность слияния за одно столкновение составляет всего$2\times10^{-31}$. Давление и температура выше в немного более крупных звездах, что увеличивает вероятность того, что два сталкивающихся протона сольются. Другой метод получения гелия из водорода используется в еще более крупных звездах - цикл CNO. Этот процесс еще более чувствителен к температуре, чем полипропиленовая цепь. Небольшое количество гелия, производимого на нашем Солнце, является результатом цикла CNO. Большинство из них является результатом цепочки pp .

В крупных звездах с массой более 1,3 массы Солнца цикл CNO доминирует над pp - цепочкой, потому что протон-протонный синтез остается довольно трудным для осуществления даже в этих крупных звездах. Узкое место в цикле CNO становится гораздо менее узким местом в крупных звездах. Цикл CNO на сегодняшний день является доминирующим методом производства гелия в очень больших звездах. Эти очень большие звезды живут не очень долго по сравнению с нашим Солнцем, но они все же живут намного дольше, чем термоядерное устройство.

Предположение, что солнце находится в одинаковых условиях повсюду, неверно. По большей части условия (температура и давление), необходимые для ядерного синтеза, находятся только в небольшой области ядра.

Например, когда происходит синтез водорода и образуется гелий, поскольку этот гелий тяжелее, он имеет тенденцию сливаться в ядро. В обычных звездах этот гелий не достигнет условий синтеза в течение миллиардов лет (пока звезда не станет красным гигантом), поскольку условия для синтеза гелия гораздо более интенсивны, чем для синтеза водорода. Вокруг этого шарика гелия у вас будет фронт синтеза, область, где будет происходить синтез водорода, и гелиевый продукт (по большей части) будет осаждаться на формирующемся ядре. Для более крупных звезд, которые могут иметь несколько стадий слияния, на самом деле может происходить несколько слоев слияния.

Показанные здесь стадии относятся только к самым массивным звездам, в то время как для красного гиганта будет формироваться только гелиевая оболочка, как правило, вокруг углеродного ядра.

Следует помнить, что синтез происходит в ответ на попытки гравитации сжать массу звезды в черную дыру. Противодействие этому сжатию — термоядерный синтез, и звезда только отталкивается (приблизительно), насколько сильно это необходимо, чтобы предотвратить дальнейшее сжатие. Чтобы увеличить диаметр звезды на несколько километров, потребовалось бы огромное количество (уже излученной) энергии, и если бы звезда расширилась так сильно, термоядерная активность в звезде уменьшилась бы до тех пор, пока она снова не достигла бы равновесия, обеспечивающего достаточное количество синтеза для поддержания звезда. Барьер, необходимый для полного слияния звезд, обычно отсутствует в течение жизненного цикла звезды. Однако есть один случай, когда то, что вы ожидаете, более или менее происходит: сверхновая.

Небольшой взгляд на эту таблицу из «Исследования Вселенной» (Cengage) показывает нам, как долго каждое топливо может поддерживать звезду, но вы заметите, что железо там не указано.

Энергия ядерной связи (чистая энергия ядерной реакции) исчерпывается железом, и происходит кое-что интересное: железо-никелевое ядро ​​вообще не поддерживает звезду. В последнюю секунду жизни звезды (до появления сверхновой) это железное ядро ​​расширяется до размеров Земли (с массой нашего Солнца).

Поскольку синтез железа не может обеспечить какую-либо поддержку более высоким уровням звезды, все они начинают неконтролируемо сжиматься. Слияние начинает происходить по всей звезде в s-процессе и r-процессе, когда по всей звезде начинает происходить неконтролируемое слияние. Огромное количество энергии во всей звезде начинает создавать каждый естественный элемент, с которым мы сталкивались, и по мере того, как звезда быстро высвобождает энергию, верхние слои сталкиваются и отскакивают от ядра, разрывая звезду на части с массовым выбросом энергии. Только в этих условиях, когда звезда окончательно проиграла борьбу с гравитацией, огромная волна термоядерного синтеза разрывает звезду на части.

Резюме:

Материал должен быть очень плотным, чтобы сплавиться, и, когда они сливаются, они производят энергию. Эта дополнительная энергия расширяет звезду, а уменьшение плотности замедляет реакцию. Пока звезда сплавляет элементы легче железа, энергия ядерной связи показывает нам, что эта энергия добавляется к звезде. Расширение за счет тепла, выделяемого при синтезе, образует равновесие с гравитационной силой, сжимающей звезду. Как только произойдет синтез железа, этот синтез быстро перестанет поставлять тепло, и, поскольку выделение тепла больше не будет уравновешивать увеличение плотности из-за гравитации, звезда быстро начнет сжиматься и создаст единственный (временный) случай, когда происходит широкозвездный синтез. происходит (процессы s и r), когда звезда становится сверхновой.

Кажется, ни один из этих ответов не объясняет правильно, почему Солнце отличается от ядерной бомбы.

Причина в том, что любая звезда, в том числе и Солнце, действует как термостат . Если бы Солнце производило больше энергии, чем может излучать, высвободившаяся таким образом энергия сделала бы его более горячим; горячий газ расширяется и одновременно охлаждается. Оба фактора (более низкая плотность и более низкая температура) будут способствовать снижению скорости производства ядерной энергии.

И наоборот, если бы Солнце производило меньше энергии, чем излучает, оно сжималось бы; при сжатии температура увеличивается, и оба фактора (большая плотность и более высокая температура) приводят к увеличению производства ядерной энергии, тем самым вновь восстанавливая равновесие.

Это точно поведение термостата. Часто говорят, что структура звезды определяется не вовлеченными ядерными источниками, а протяженностью ее оболочки. Причина этого была описана выше: скорость генерации ядерной энергии просто приспосабливается к тому, что требуется процессами передачи энергии звезд.

С другой стороны, вещество внутри ядерной бомбы не может расширяться и охлаждаться, если энергия производится в избытке; на самом деле верно обратное: делящееся вещество расположено таким образом, что начальный термоядерный взрыв нагревает и сжимает термоядерный материал, чтобы обеспечить беспрепятственное протекание реакции синтеза. А это полная противоположность интерьерам звезды.

Этот процесс описан практически везде, в том числе в уже устаревшей книге Мартина Шварцшильда « Структура и эволюция звезд », а также в Интернете, см. абзац «Звездный термостат» здесь —

Недра звезды представляют собой горячий ионизированный газ при высоком давлении и температуре.

Высокая температура означает высокую среднюю кинетическую энергию на частицу, поэтому все ядра атомов вращаются очень быстро (хотя и на относительно коротком расстоянии между столкновениями, потому что газ очень плотный).

Дело в том, что не все они мчатся с одинаковой скоростью, по случайному стечению обстоятельств одни движутся быстро, а другие медленно. Это как нормальная кривая для оценок, IQ или чего-то еще. Подавляющая часть атомов имеет очень средние скорости, и лишь очень немногие из них движутся либо намного быстрее, либо намного медленнее, чем в среднем.

«Достаточно горячая» звезда означает, что если два очень-очень быстрых ядра столкнутся друг с другом, может произойти слияние.

Поскольку эти очень быстрые частицы редки и поскольку им приходится сталкиваться лоб в лоб, это случается нечасто, а это означает, что временные масштабы, в течение которых звезда может сжечь значительное количество топлива, очень велики.

Термоядерный синтез, который происходит внутри звезд, на самом деле очень отличается от того, что происходит в бомбе.

«Водородная бомба» на самом деле представляет собой смесь ядерного и термоядерного синтеза. Часть деления работает по цепной реакции : когда делящееся ядро ​​поглощает нейтрон, оно безумно вибрирует, а затем распадается на несколько компонентов, в частности на два или три нейтрона. Эти дополнительные нейтроны продолжают разрушать другие ядра. Когда достигается «критическая масса», в среднем более одного из этих нейтронов вызывают дальнейшее деление, что приводит к экспоненциально возрастающей реакции.

Когда вы хотите осуществить синтез, вы должны убедить положительно заряженные ядра подойти достаточно близко друг к другу для сильного взаимодействия, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание. В управляемом синтезе , как это требуется в текущих экспериментах, таких как ИТЭР , используется тепло: высокой кинетической энергии, вызванной сильным нагревом, достаточно, чтобы сблизить ядра. Магнитное удержание используется для предотвращения расширения горячей плазмы. То же самое происходит и внутри звезды: гравитация поддерживает давление. Все это способствует медленному слиянию.

В водородной бомбе, хотя тепла действительно много, этот механизм не вносит существенного вклада в синтез. Весь взрыв подразумевает огненный шар, который расширяется слишком быстро; нет ничего, что удерживало бы ядра достаточно близко. Вместо этого первичный элемент (ядро деления) производит множество высокоэнергетических фотонов (рентгеновских лучей), которые движутся со скоростью света, т.е. намного быстрее испускаемых нейтронов и даже больше, чем ударная волна. Эти фотоны, когда они достигают дейтерий-тритиевого топлива, вызывают синтез (они передают достаточно энергии ядрам, чтобы заставить их танцевать, как Джон Траволта, и натыкаться на своих соседей). Энергия синтеза добавляется к полученному огненному шару и, что особенно важно, испускает много дополнительных нейтронов, которые вызывают гораздо большее деление во вторичной обмотке (которая снова использует деление).

Таким образом, водородные бомбы взрываются быстро, потому что на самом деле они не являются тепловыми/удерживающими двигателями. Вместо этого они используют цепную реакцию деления, чтобы получить большое количество рентгеновских лучей и нейтронов за очень короткое время; реакции синтеза увеличивают мощность оружия, но их основное использование заключается в производстве дополнительных нейтронов для дальнейшего деления. В современной водородной бомбе синтез и деление вносят одинаковое количество энергии в общий выход. Распространенное объяснение водородных бомб как «атомной бомбы, вызывающей гораздо более сильную термоядерную реакцию» ошибочно.

Страница Википедии, посвященная конструкциям ядерного оружия, — хорошее место для начала чтения по этому вопросу; он включает в себя хорошие схемы и много указателей.

Внутри звезды существует равновесие между давлением гравитации и расширением тепла. Ядро звезды остается при правильной температуре, при которой тепло от термоядерных реакций противодействует гравитации. Чем больше звезда, тем больше гравитация, а значит, больше тепла и больше реакций, вот почему большие звезды живут меньше (у очень больших звезд время жизни составляет несколько миллионов лет, а не несколько миллиардов для меньших звезд, как наше Солнце).

Другие указали, что протон-протонная цепочка у большинства звезд включает медленный шаг: когда два протона сливаются, они обычно не остаются там и снова разделяются, повторно поглощая энергию синтеза. Чтобы протоны прилипли, один из них должен превратиться в нейтрон (испустив позитрон с положительным зарядом), процесс, который включает слабое взаимодействие и имеет очень маленькую вероятность возникновения.

Эта особенность объясняет, почему массивные звезды взрываются и превращаются в сверхновые. В течение большей части своей жизни (миллионы лет) звезда потребляет свой водород с протон-протонной цепочкой. Когда произведено достаточно гелия, начинают действовать альфа- и тройной альфа- процессы, а затем другие механизмы синтеза, которые значительно быстрее. Затем все происходит в течение нескольких часов, очень короткого времени по сравнению с предыдущими миллионами лет, но все же намного дольше, чем микросекунды, в течение которых взрывается водородная бомба.

Вывод: звезды существуют миллионы или миллиарды лет, а не несколько часов , из-за стадии слабого взаимодействия в протон-протонной цепи. Водородная бомба взрывается за микросекунды, а не за часы, потому что они основаны на цепной реакции деления, которая допускает экспоненциальный каскад.

Потому что звезды не ограничены .

Как говорит @MariusMatutiae, слияние в звезде поддерживается в равновесии термостатом давления и гравитации. Еще более подходящим примером для аналогии является атомная электростанция. В ядерной энергетике регулирующие стержни или другие механизмы регулируют концентрацию, чтобы предотвратить взрыв. Расщепляющийся материал расположен с точным балансом чуть ниже критической массы, что позволяет избежать разгонного поезда с положительной обратной связью, который быстро потребляет топливо.

В звезде скорость термоядерного синтеза уравновешивается быстрым тепловым расширением против силы тяжести. Вместо того, чтобы оттягивать регулирующие стержни друг от друга, чтобы снизить скорость реакции, как в ядерной энергетике, тепло расширяет и уменьшает концентрацию плавких материалов.

В термоядерной бомбе топливо преднамеренно ограничено очень сложными (и несколько секретными ) процессами для быстрого использования топлива.

В новой или сверхновой равновесие нарушается, и часть топлива задерживается (например, гравитацией плотной звезды-компаньона) и быстро расходуется.