非常有趣的理论探讨,关于可控核聚变的可行性

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/28 12:38:09
大家都知道0K以上的物体会往外发出热辐射,而其强度可由斯特藩-玻尔兹曼定律来计算,即P=k*T^4

此定律表明物体的辐射强度仅由表面温度T来决定,且与其四次方成正比,这意味着物体的辐射功率会随着表面温度的升高而急剧增大

如果太阳的表面温度由6000K升高至一亿K,则其只需2.5米的半径就可以达到现在的辐射功率

另外,可控核聚变也需要等离子体达到一亿K的高温,而且其尺寸大小也是米量级的,这是否意味着其辐射功率与整个太阳相当?

要知道太阳的辐射功率相当于每秒钟引爆18亿颗大伊万(在前苏联新地岛试爆的沙皇氢弹,当量5800万吨)

人工核聚变显然无法达到这样的规模,这意味着任何小于恒星规模的人工聚变堆是无法稳态存在的,因为要实现聚变首先要将温度提升至一亿K,这意味着巨大的辐射功率,即便只持续一秒,其所要求的输入能量也是巨大的(18亿颗大伊万),人类根本无法提供,就算能提供,那么一点聚变燃料所产生的能量也完全无法弥补这个巨大的辐射功率所造成的能量损失大家都知道0K以上的物体会往外发出热辐射,而其强度可由斯特藩-玻尔兹曼定律来计算,即P=k*T^4

此定律表明物体的辐射强度仅由表面温度T来决定,且与其四次方成正比,这意味着物体的辐射功率会随着表面温度的升高而急剧增大

如果太阳的表面温度由6000K升高至一亿K,则其只需2.5米的半径就可以达到现在的辐射功率

另外,可控核聚变也需要等离子体达到一亿K的高温,而且其尺寸大小也是米量级的,这是否意味着其辐射功率与整个太阳相当?

要知道太阳的辐射功率相当于每秒钟引爆18亿颗大伊万(在前苏联新地岛试爆的沙皇氢弹,当量5800万吨)

人工核聚变显然无法达到这样的规模,这意味着任何小于恒星规模的人工聚变堆是无法稳态存在的,因为要实现聚变首先要将温度提升至一亿K,这意味着巨大的辐射功率,即便只持续一秒,其所要求的输入能量也是巨大的(18亿颗大伊万),人类根本无法提供,就算能提供,那么一点聚变燃料所产生的能量也完全无法弥补这个巨大的辐射功率所造成的能量损失
能否给科普一下中国继“东方超环”之后的可控核聚变实验计划?非机密的
密度差远了吧。辐射功率肯定到不了太阳的水平。
00chongming00 发表于 2013-12-4 19:15
能否给科普一下中国继“东方超环”之后的可控核聚变实验计划?非机密的
我又不是体制内人士,如何爆料?
sarchiel 发表于 2013-12-4 19:40
密度差远了吧。辐射功率肯定到不了太阳的水平。
一开始我也觉得是密度的问题,但后来发现,斯特藩-玻尔兹曼定律的确不依赖于密度,而只依赖于表面温度
djwkx 发表于 2013-12-4 19:43
我又不是体制内人士,如何爆料?
不是爆料,我以前好像看过这方面的新闻,又忘了,好像在东方超环后面还有个什么项目,说是要发电,现在又搜不到了
00chongming00 发表于 2013-12-4 21:10
不是爆料,我以前好像看过这方面的新闻,又忘了,好像在东方超环后面还有个什么项目,说是要发电,现在又 ...
发电?你是不是看错了?
我承认 我看不太懂 纯属路过支持一下
陆仁贾 发表于 2013-12-4 21:54
我承认 我看不太懂 纯属路过支持一下
哪里不懂?也许我可以解释一下
djwkx 发表于 2013-12-4 22:10
哪里不懂?也许我可以解释一下

一句话都没看懂,您提出的问题是什么?
陆仁贾 发表于 2013-12-4 22:21
一句话都没看懂,您提出的问题是什么?
呵呵,这就比较夸张了

简单的说,就是根据温度的四次方定律,小于恒星规模的聚变堆无法稳态运行,即可控核聚变无法实现
djwkx 发表于 2013-12-4 19:47
一开始我也觉得是密度的问题,但后来发现,斯特藩-玻尔兹曼定律的确不依赖于密度,而只依赖于表面温度
还有表面积呢?强度的单位有个多少多少每平方米吧。比较一下表面积,差距一下就出来了。
djwkx 发表于 2013-12-4 22:46
呵呵,这就比较夸张了

简单的说,就是根据温度的四次方定律,小于恒星规模的聚变堆无法稳态运行,即可 ...
此定律不能在微观世界也不能突破吗
djwkx 发表于 2013-12-4 19:47
一开始我也觉得是密度的问题,但后来发现,斯特藩-玻尔兹曼定律的确不依赖于密度,而只依赖于表面温度
个人认为这个定律用在这里是错误的。

辐射散热,需要等离子体发射光子。发射光子意味着体系在高能态和低能态之间跃迁。

一般来说在原子中,激发态是电子位于高能轨道,而在等离子体中这不存在,因为所有的电子除受磁场作用影响外是自由的,不处于原子周围的任何一个束缚态中。那么就不存在从高能束缚态向低能束缚态的跃迁,自然也就没有相应的辐射散热。

有磁场导致的辐射。但这应该不能用该公式描述。

还有一种辐射是核激发态,也就是氘核和氚核内质子中子的振动态之间的跃迁导致辐射,这一般是伽玛射线。但这恐怕不是黑体吧。

等离子体的辐射损失能量的机制在核聚变研究中早就被深入研究了。所以你认为的一亿K不可能达成,恐怕不对。

实际上上亿K的等离子体早就达到了……
sarchiel 发表于 2013-12-5 00:09
个人认为这个定律用在这里是错误的。

辐射散热,需要等离子体发射光子。发射光子意味着体系在高能态和 ...
热辐射只能靠电子的能级跃迁来发射电磁波?好像粒子的热运动状态发生改变都会产生电磁波吧

如果说等离子体不存在辐射散热,那核爆火球和恒星发出的光又是怎么回事?这些热辐射跟磁场没什么关系吧

上亿K的温度可以达到,但我认为其尺寸和持续时间将极其有限

李天佐 发表于 2013-12-4 22:49
还有表面积呢?强度的单位有个多少多少每平方米吧。比较一下表面积,差距一下就出来了。
我已将表面积计算在内了,正因为温度的四次方,所以6000K和一亿K相差的倍数会被扩大,这足以弥补表面积之间的差距

djwkx 发表于 2013-12-5 16:09
热辐射只能靠电子的能级跃迁来发射电磁波?好像粒子的热运动状态发生改变都会产生电磁波吧

如果说等离 ...


当然存在辐射散热,不过这个辐射散热与你说的公式应该不是一回事。

核聚变等离子体的辐射散热,有专门的研究。

你的论断,一亿度的托卡马克等离子体辐射总功率达到太阳的水平我认为是不可能的。

djwkx 发表于 2013-12-5 16:09
热辐射只能靠电子的能级跃迁来发射电磁波?好像粒子的热运动状态发生改变都会产生电磁波吧

如果说等离 ...


当然存在辐射散热,不过这个辐射散热与你说的公式应该不是一回事。

核聚变等离子体的辐射散热,有专门的研究。

你的论断,一亿度的托卡马克等离子体辐射总功率达到太阳的水平我认为是不可能的。
陆仁贾 发表于 2013-12-4 23:25
此定律不能在微观世界也不能突破吗
你所谓的突破是指什么?
sarchiel 发表于 2013-12-5 16:12
当然存在辐射散热,不过这个辐射散热与你说的公式应该不是一回事。

核聚变等离子体的辐射散热,有专 ...
为什么不是一回事呢?太阳的辐射功率就是用这个公式算出来的
djwkx 发表于 2013-12-5 16:27
为什么不是一回事呢?太阳的辐射功率就是用这个公式算出来的
实际上等离子体用温度多少多少本身就有问题。

更科学的说法是,等离子体离子平均动能是多少。

想象一下高真空里自由飞行的高能粒子,没事会自己发光么?当然不会。

托卡马克等离子体有磁场,有碰撞,当然有辐射,但其辐射功率多少,可以找专门的文献去看。

相对来说,托卡马克等离子体更接近高真空自由飞行高能粒子,而不像太阳。我认为这与密度是有关系的。
sarchiel 发表于 2013-12-5 16:38
实际上等离子体用温度多少多少本身就有问题。

更科学的说法是,等离子体离子平均动能是多少。
温度是大量粒子平均动能的表征

聚变等离子体虽然稀薄,但也是大量粒子组成的热力学体系,当然可以用温度来描述

没事当然不会发光,可当粒子的运动状态发生变化时,电磁波就产生了

聚变等离子体的高能粒子绝不是自由飞行的,毕竟聚变的发生就要依靠粒子间的相互碰撞

如果说密度与热辐射有关,那就证明四次方定律错了
djwkx 发表于 2013-12-4 21:42
发电?你是不是看错了?
我确定我没看错,他明确的说了要发电
djwkx 发表于 2013-12-5 16:14
你所谓的突破是指什么?
打破此等定律·
00chongming00 发表于 2013-12-5 19:01
我确定我没看错,他明确的说了要发电
问题是ITER都没有发电的计划啊

要不你把新闻原话找出来?

djwkx 发表于 2013-12-5 17:57
温度是大量粒子平均动能的表征

聚变等离子体虽然稀薄,但也是大量粒子组成的热力学体系,当然可以用温 ...


好吧 我们来看看有关EAST的新闻:

“它是目前世界上唯一能达到持续400秒、中心温度大于2000万摄氏度实验环境的全超导托卡马克核聚变实验装置”

400秒,说明是长时间达到了,不是瞬时。温度2000万度,也就是说是你所谓1亿度的1/5。按照你的用法,这个等离子体的辐射功率应该是

(1/5)^4=0.0016 倍的太阳辐射功率。

我们知道太阳辐射功率大概只有二十亿分之一到达地球,驱动了全部生态圈,水圈和大气环流。

千分之一点六太阳辐射功率是地球接收到全部太阳功率的三百二十万倍。

也就说EAST辐射出的功率超过了地球接收太阳总功率的三百二十万倍,而且还持续了400秒,你觉得这可能么?

这应该瞬间把地表都蒸发掉吧?
djwkx 发表于 2013-12-5 17:57
温度是大量粒子平均动能的表征

聚变等离子体虽然稀薄,但也是大量粒子组成的热力学体系,当然可以用温 ...


好吧 我们来看看有关EAST的新闻:

“它是目前世界上唯一能达到持续400秒、中心温度大于2000万摄氏度实验环境的全超导托卡马克核聚变实验装置”

400秒,说明是长时间达到了,不是瞬时。温度2000万度,也就是说是你所谓1亿度的1/5。按照你的用法,这个等离子体的辐射功率应该是

(1/5)^4=0.0016 倍的太阳辐射功率。

我们知道太阳辐射功率大概只有二十亿分之一到达地球,驱动了全部生态圈,水圈和大气环流。

千分之一点六太阳辐射功率是地球接收到全部太阳功率的三百二十万倍。

也就说EAST辐射出的功率超过了地球接收太阳总功率的三百二十万倍,而且还持续了400秒,你觉得这可能么?

这应该瞬间把地表都蒸发掉吧?
陆仁贾 发表于 2013-12-5 19:13
打破此等定律·
打破定律跟微观有什么关系?
sarchiel 发表于 2013-12-5 19:27
好吧 我们来看看有关EAST的新闻:

“它是目前世界上唯一能达到持续400秒、中心温度大于2000万摄氏度 ...
你这个中心温度有多“中心”,尺寸是多大?
djwkx 发表于 2013-12-5 19:27
打破定律跟微观有什么关系?
我的意思是不同的环境条件下。

djwkx 发表于 2013-12-5 19:31
你这个中心温度有多“中心”,尺寸是多大?


你不是说和密度什么的都没关系么?尺寸多大重要么?反正温度到了嘛!辐射功率那不是只和温度有关么?

你这个定律用法肯定有问题的。
djwkx 发表于 2013-12-5 19:31
你这个中心温度有多“中心”,尺寸是多大?


你不是说和密度什么的都没关系么?尺寸多大重要么?反正温度到了嘛!辐射功率那不是只和温度有关么?

你这个定律用法肯定有问题的。
陆仁贾 发表于 2013-12-5 19:32
我的意思是不同的环境条件下。
那你觉得哪种环境可以让这个定律失效?
djwkx 发表于 2013-12-5 19:39
那你觉得哪种环境可以让这个定律失效?
这个定律我也没仔细研究过。所以不清楚。不过根据已有的信息来看,应该不适用于核聚变等离子体。
sarchiel 发表于 2013-12-5 19:34
你不是说和密度什么的都没关系么?尺寸多大重要么?反正温度到了嘛!辐射功率那不是只和温度有关么?
...
你那么激动干什么?

不要什么事都让我来说,偶尔自己也百度一下嘛

我主楼的帖子忘说了一点,P=k*T^4,其中的P是单位面积上的辐射功率
djwkx 发表于 2013-12-5 19:42
你那么激动干什么?

不要什么事都让我来说,偶尔自己也百度一下嘛
如果是单位面积的,等离子体的面积比太阳的显然小太多了。那么其总辐射功率无论如何也不可能与太阳相比的。
因此,一开始的论断,就是“由于辐射功率可以和太阳相比拟,不可能建成比恒星规模小的聚变装置”显然就不成立了。
sarchiel 发表于 2013-12-5 19:46
如果是单位面积的,等离子体的面积比太阳的显然小太多了。那么其总辐射功率无论如何也不可能与太阳相比的 ...
你还是没看懂~~

正因为是温度的四次方,所以6000K和一亿K相差的倍数会被扩大,这足以弥补表面积之间的差距

我已经是用这个功率乘以总面积了,结果就是“表面温度一亿K,半径2.5米”与“表面温度6000K,半径696000公里”相当
djwkx 发表于 2013-12-4 19:47
一开始我也觉得是密度的问题,但后来发现,斯特藩-玻尔兹曼定律的确不依赖于密度,而只依赖于表面温度
记得斯特藩-玻尔兹曼定律只适用于黑体,在很多情况下可以近似成立,例如一个炉子炉口的辐射强度是符合这一定律的。
如果核聚变时,参与反应的粒子密度不高,能符合黑体的要求吗?
太阳外层大气日冕的温度可达百万摄氏度,稀薄,不符合黑体的条件,不能用斯-波定律。相对于只有几度的太阳表面,其辐射也不强。
似乎斯-波定律和密度无关,但稀薄了,吸收甚低,不可能达到黑体的要求。
长乐居士 发表于 2013-12-5 20:22
记得斯特藩-玻尔兹曼定律只适用于黑体,在很多情况下可以近似成立,例如一个炉子炉口的辐射强度是符合这 ...
这个定律跟密度真的没有关系

其实太阳表面的密度也不高,大概只有水的几亿分之一

就算此定律出于某种原因不能完全符合聚变等离子体的实际情况,恐怕也在某种程度上具备一定的拟合度

而现实的情况也很能说明问题:唯一能产生能量增益的人工聚变就是瞬间反应的惯性约束,也就是氢弹,美国也一度退出ITER,它自己则专门研究激光核聚变--是不是低密度的高温等离子体很难维持,所以它干脆就集中精力研发瞬间反应的惯性约束?
长乐居士 发表于 2013-12-5 20:32
太阳外层大气日冕的温度可达百万摄氏度,稀薄,不符合黑体的条件,不能用斯-波定律。相对于只有几度的太阳 ...
太阳引力根本就不能很好的约束日冕层,也就是说,连最基本的“物体表面”都没有形成,又怎能应用斯-波定律呢?

djwkx 发表于 2013-12-5 20:37
这个定律跟密度真的没有关系

其实太阳表面的密度也不高,大概只有水的几亿分之一


斯-波定律成立与否并不直接有关。如有小口空腔,即使内部处于真空态,进入的光不可能再逸出时,仍有黑体性质,斯-波定律仍成立。
如一密度很高的物体,同时有强烈的光吸收选择性或有极强的反射,斯-波定律不成立。
如果密度很低,对于各种电磁波都接近透明,不具备黑体性质,不能用此定律。
如果要讨论核聚变,则需对其具体条件分析,看是否符合黑体的性质,否则不宜轻易用斯-波定律。
djwkx 发表于 2013-12-5 20:37
这个定律跟密度真的没有关系

其实太阳表面的密度也不高,大概只有水的几亿分之一


斯-波定律成立与否并不直接有关。如有小口空腔,即使内部处于真空态,进入的光不可能再逸出时,仍有黑体性质,斯-波定律仍成立。
如一密度很高的物体,同时有强烈的光吸收选择性或有极强的反射,斯-波定律不成立。
如果密度很低,对于各种电磁波都接近透明,不具备黑体性质,不能用此定律。
如果要讨论核聚变,则需对其具体条件分析,看是否符合黑体的性质,否则不宜轻易用斯-波定律。
长乐居士 发表于 2013-12-6 09:52
斯-波定律成立与否并不直接有关。如有小口空腔,即使内部处于真空态,进入的光不可能再逸出时,仍有黑 ...
吸收不完全、有反射、有透明度仍然可以用斯-波定律,只不过要乘上一个比例系数,叫做黑度

事实上绝对黑体是不存在的,实际物体的黑度永远小于1,但其辐射强度仍然可以用斯-波定律来近似计算