【流浪地球小科普】（五）重核聚变

在电影《流浪地球》中，为了推动地球离开太阳系，全世界人类能力合作，在地球上建造了12000台高达11000米的行星发动机，这些高耸入云的发动机单个能够产生150万亿吨的推力，是“流浪地球计划”中地球能够在宇宙中流浪的重要保障。

然而这些发动机的燃料很奇怪，并不是什么高科技的能源材料，而是地球上随处可见的石头，用男主角刘启的话说：“说白了就是烧石头。”

但是，这里的“烧石头”并不是将石头烧成石灰石的化学过程，而是组成石头的元素的原子核发生聚变反应，以此来释放巨大的能量。

我们知道，氢弹之所以比原子弹的威力还要巨大，主要是因为氢弹依据的是核聚变原理。

核聚变，又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。核是指由质量小的原子，主要是指氘，在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相随便作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。

根据爱因斯坦的质能方程：

质量的亏损，会产生巨大的能量，且比例系数为光速的平方。

我们以氢聚变为氦的过程为例，说明核聚变过程中能量产生的原理。

带有1个中子和1个电子的氘原子（氢的一种同位素），与带有2个中子和1个电子的氚原子（氢的一种同位素）， 在一定条件作用下，形成一个带有2个中子和2个电子的氦原子，这样就损失掉了一个中子的质量。

我们又知道，在原子中中子的质量占绝大部分，尽管单个中子本身的质量可能很小，但是乘上光速的平方这个系数之后，数值同样会变得很大，释放出的能量就可以用惊人来形容了。

实际上，目前在太阳表面就无时无刻不在进行着氢元素的聚变反应，也正因为如此，太阳才能够持续地为地球提供光和热。

电影中的“烧石头”，其实上是利用石头中含有的大量硅元素发生聚变反应而获取大量能量。

硅聚变属于重核聚变的范畴，原理与氢聚变相似，但人类目前的科技水平还远远未能掌握这项技术。整个宇宙中或许也只有某些质量超大的超新星爆发、中子星合并时才会发生重核聚变。

一般来说，在宇宙中自然发生的元素聚变依循着这样一个层级：

氢聚变成氦，需要至少200万度的温度，恒星最小质量至少为0.1个太阳质量；

氦聚变成碳，需要至少2000万度的温度，恒星最小质量至少为1个太阳质量；

碳聚变成氖，需要至少8000万度的温度，恒星最小质量至少为1.4个太阳质量；

氖聚变成氧，需要至少1.5亿度的温度，恒星最小质量至少为5个太阳质量；

氧聚变成镁，需要至少2亿度的温度，恒星最小质量至少为10个太阳质量；

硅聚变成铁，需要至少3亿度的温度，恒星最小质量至少为20个太阳质量。

基本上人们认为硅聚变就是利用聚变反应获取能量的最后阶段，因为铁元素的聚变反应所需要吸引的能量比释放的能量还要多，整个宇宙中或许也只有某些质量超大的超新星爆发、中子星合并时才会发生重核聚变，产生铁元素之后的重核元素。

当铁元素产生的那一刻，恒星因为核聚变向外产生的辐射压就消失了，于是恒星所有的物质都开始砸向铁元素形成的地方，这一瞬间的改变非常的剧烈，导致恒星瞬间释放出超过一生核聚变的能量，就在这一瞬间，大量的铁元素在高温高压下通过核聚变合成，然而剩余的能量仍然非常巨大，于是接着合成了铁以上的种种元素，质量特别巨大的恒星甚至能达到合成金和铅甚至更高元素的阶段。

还有一些重元素是通过中子星合并形成的，中子星本身都是质量巨大的星球，他们合并的一瞬间会产生比，恒星超新星爆发更惊人的高温高压，有些质量较大的中子星的合并甚至能生成黑洞，所以在中子星形成的一瞬间，也会有一些新的元素被制造出来。

宇宙间的各种物资就是被这样制造出来的，元素周期表上的元素也绝大部分是通过这种手段出现的。

人类已经可以实现的核聚变只有氢弹的爆炸，但聚变过程依然是不受控制的。核聚变燃料可来源于海水和一些轻核，目前科学家们正在努力研究可控核聚变反应，以求使之成为未来取之不尽的能量来源。

另外提一句，氢弹并不单纯发生聚变反应，因为核聚变需要在极高的能量条件，因此目前的氢弹都是在原子弹内放入氘和氚，利用原子弹爆炸时产生的超高温，使氘和氚发生聚变反应，从而在极短的时间内释放出巨大能量。由此可见，氢弹是核裂变与核聚变技术混合的产物。

这次的分享就到这里，下一次我们来聊聊引力弹弓。

往期文章：

【流浪地球小科普】（一）流浪的行星

【流浪地球小科普】（二）红巨星与氦闪

【流浪地球小科普】（三）宇宙速度

【流浪地球小科普】（四）人工重力

---

本人是官方授权会员推广专员，点击会员专属通道购买会员，您将额外获赠：月度会员5个贝、季度会员15个贝、年度会员50个贝、尊享会员1000个贝。