Warum beschleunigt sich der Fusionsprozess der Sonne nicht?

Habe ich Recht, wenn ich sage, dass der Fusionsprozess der Sonne konstant ist, dh mehr oder weniger X Fusionsmenge pro Tag? Warum beschleunigt sich dies nicht, dh ein Fusionsereignis erzeugt Energie für zwei Fusionsereignisse usw.? Verursacht jede Kollision eines Atoms ein Fusionsereignis oder ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fusionsereignis eintritt, gering, sodass es sich nicht um eine außer Kontrolle geratene Reaktion handelt? Ich habe gehört, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fusionsereignis eintritt, bei jeder Kollision nur 1 zu 10 ¹² beträgt .

the-sun stellar-astrophysics

— Kallie
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Die Energie, die durch Fusion im Kern erzeugt wird, wird fast genau durch Energie ausgeglichen, die durch Diffusion von Strahlung aus dem Kern verloren geht.

— Martin Bonner unterstützt Monica

@MartinBonner Ich würde dem zustimmen - meine Frage ist, ob jede Kollision die Coulomb-Barriere überwindet oder nur eine begrenzte Menge / einen begrenzten Prozentsatz und warum Sie keine Fluchtreaktion haben - dh mehr Energie, mehr Diffusion

— Kallie

Der Fusionsprozess ist temperaturempfindlich. Da sich ein Stern typischerweise in einem hydrodynamischen Gleichgewicht befindet, ändert sich die Temperatur nicht, dh die Fusionsrate ist konstant.

— Kornpob Bhirombhakdi

Wenn es jetzt zu einem Zeitpunkt wäre, an dem es sich schnell beschleunigt, wären wir nicht hier, um es zu sehen. ;-) Sie können also davon ausgehen, dass jetzt eine Zeit ist, in der die Geschwindigkeit ziemlich nahe am Gleichgewicht ist

— R .. GitHub STOP HELPING ICE

Ein Punkt wird in der falschen Frage vage angedeutet, nämlich dass es einen direkten Zusammenhang zwischen aufeinanderfolgenden Fusionsereignissen geben sollte. Ein Fusionsereignis trägt einfach zur allgemeinen Wärmeenergie bei, und es sind thermische Bewegungen, die Fusionsereignisse verursachen. Anders als bei der Kernspaltung erzeugt ein Fusionsereignis keine Reaktionsprodukte, die andere Fusionsereignisse direkt auslösen. So ist die einzige Frage , die bleibt , ist , wie global die Energieerzeugung und den Verlust an die Umgebung ausgeglichen werden.

— Marc van Leeuwen

Antworten:

Habe ich Recht, wenn ich sage, dass der Fusionsprozess der Sonne konstant ist, dh mehr oder weniger X Fusionsmenge pro Tag?

Ja, zumindest über menschliche Zeiträume hinweg. Man könnte vernünftigerweise erwarten, dass die Fusionsrate innerhalb der Sonne heute dieselbe ist wie vor einigen tausend Jahren oder in der Zukunft, einen kleinen Bruchteil geben oder nehmen.

Warum beschleunigt sich dies nicht, dh ein Fusionsereignis erzeugt Energie für zwei Fusionsereignisse usw.?

Die durch die Fusion freigesetzte Energie wird schnell als Wärmeenergie im Zentrum der Sonne verteilt, und der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche (ca. 6000 K) und Zentrum (geschätzte 15 Millionen K) treibt einen Energiefluss von heiß nach kalt.

Verursacht jede Kollision eines Atoms ein Fusionsereignis oder ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fusionsereignis eintritt, gering, sodass es sich nicht um eine außer Kontrolle geratene Reaktion handelt?

Die Fusion in der Sonne ist keine außer Kontrolle geratene Kernreaktion (wie eine kritische Uranmasse bei einer Spaltreaktion).

Theoretisch ist es möglich, außer Kontrolle geratene Fusionsereignisse zu haben, aber der Druck und die Temperatur, unter denen diese auftreten, werden im Kern der Sonne nicht erreicht. Bei stabilen Sternen wie der Sonne sind die Kräfte und Energieflüsse im Gleichgewicht - wenn der Kern etwas heißer wird, steigt der Druck und der Stern dehnt sich gegen die Schwerkraft leicht aus, um dies auszugleichen. Interessante Dinge passieren, wenn Sterne aus dem Gleichgewicht geraten und in einigen Szenarien eine außer Kontrolle geratene Fusionszündung auftreten kann .

Außerdem bewegt sich dieser Gleichgewichtspunkt während der Lebensdauer eines Sterns, wenn sich seine Elementmischung aufgrund der Fusion ändert. Dies ist für viele Sterne vorhersehbar und bildet die Grundlage für die Hauptreihensterne im Hertzsprung-Russell-Diagramm

Ich habe gehört, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fusionsereignis eintritt, bei jeder Kollision nur 1 zu 10 ^ 12 beträgt

Ich weiß nicht, wie genau das ist, aber es scheint vernünftig. Die Definition von "Kollision" wird in einer so heißen, dichten Umgebung etwas willkürlich. Wenn Sie nur Ansätze einbeziehen, die nahe genug sind, damit die starke Kernkraft die Wechselwirkung dominiert, könnte das Verhältnis höher sein.

Eine andere Tatsache, die ich auf demselben Gebiet interessant fand, ist, dass die Leistungsdichte aus der Fusion - dh die Watt pro Kubikmeter Substanz - in der Sonne ungefähr die gleiche ist wie die eines typischen Komposthaufens . Es ist eine ganz andere Umgebung als im Inneren eines Fusionsreaktorexperiments oder einer Fusionsbombe, die viel höhere Leistungsdichten aufweisen.

— Neil Slater
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Was Ihren letzten Punkt betrifft, finde ich es faszinierend, dass die mächtige Leistung der Sonne weniger über die Kraft der Fusion aussagt als vielmehr darüber, wie groß die Sonne ist! Und es zeigt, dass die Idee, dass ein Reaktor "die Kraft der Sonne

— wiederherstellt

@SusanW Sie können die geringe Leistungsdichte auch als Demonstration dafür sehen, wie sehr, sehr schwach die Schwerkraft ist. Diese geringe Leistung pro Volumen reicht aus, um zu verhindern, dass die gesamte Sonnenmasse zu weißer Zwergmaterie zusammenbricht. Die Sternfusion kann so viel Energie produzieren, wie benötigt wird, um den Kollaps zu stoppen (bis zu einem Punkt, dh der Dichte des Schwarzen Lochs). Dies zeigt, wie viel schneller die größten Sterne ihren Wasserstoff verbrauchen können und am anderen Ende der Skala , wie lange kann der Kleinste im Vergleich zu unserer Sonne noch weitermachen?

— Hyde

@SusanW Die Statistik ist etwas unaufrichtig, denn was all diese Energie produziert, ist nur der Kern, der weniger als 1% des Sonnenvolumens ausmacht.

— Cubic

4 \times 10^{26} W

$4 \times 10^{26} W$

2 \times 10^{25} m^{3}

$2 \times 10^{25} m^3$

20 W m^{- 3}

$20 Wm^{-3}$

@NeilSlater Ich könnte die Aussage in diesem Fall falsch interpretiert haben

— Cubic

Nein, die Fusionsrate der Sonne ist zeitlich nicht absolut konstant. Die Sonne wird allmählich leuchtender und diese Leuchtkraft wird fast ausschließlich durch Verschmelzung im Kern erreicht. Die Steigerungsrate ist jedoch nicht groß und liegt in der Größenordnung von 10% pro Milliarde Jahre.

$^3$

$10^{10}$ $3 \times 10^{-18}$ $^{-1}$ $v \simeq (3k_B T/m_p)^{1/2} = 600$ $15\times 10^{6}$ $n_p \sim 6 \times 10^{31}$ $^{-3}$ $\sigma \sim \pi (\hbar/mv)^2$ $n_p \sigma v \sim 10^{12}$ $^{-1}$

$3\times 10^{29}$

Wenn die Fusionsrate der Sonne schnell ansteigen würde, würde sich die Sonne ausdehnen, der Kern würde weniger dicht werden und die Fusionsrate würde fallen. Dies wirkt im Grunde genommen als Thermostat, der die Sonne auf genau der richtigen Temperatur hält, um ihr eigenes Gewicht zu tragen und die von ihrer Oberfläche ausgehende Leuchtkraft zu liefern.

— Rob Jeffries
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Ich würde den "Fusionsprozess ist extrem ineffizient" durch eine andere Art zu sagen ersetzen, weil "ineffizient" impliziert, dass Energie verschwendet wird und nicht. Ich meine, für mich ist der Fusionsprozess tatsächlich äußerst effizient und ermöglicht es der Sonne, Milliarden von Jahren stabil zu bleiben.

— Hyde

Darüber hinaus ist die übliche Erklärung dafür, warum die Fusion nicht abläuft, unvollständig. Die einfache Geschichte, die nicht die ganze Geschichte sein kann, ist, dass, wenn die Fusion zu schnell erfolgt, sich Wärme aufbaut und einen Überdruck erzeugt. Dieser Überdruck bewirkt eine Expansion, und die Expansion funktioniert, wodurch die Temperatur gesenkt wird und die Fusion zurückgeschaltet wird, bis sie der Strahlungsaustrittsrate entspricht.

Der Grund dafür ist unvollständig, dass Expansionsarbeiten keine Stabilität induzieren, wenn sie nur gegen einen festen Außendruck erfolgen. Diese Arbeitsmenge reicht immer nicht aus, um sie zu stabilisieren (was später im Leben eines Sterns zu "Schalenblitzen" führt). . Das einzige, was die Fusion stabilisieren kann, ist die zusätzliche Arbeit gegen die Schwerkraft , wie Sie leicht erkennen können, wie die Schwerkraft in eine solche Analyse einbezogen wird. Daher muss es wichtig sein, dass ein lokaler Ausreißer das Nettoergebnis hat, Gas aus dem Solarzentrum zu heben und dabei Gravitationsarbeiten auszuführen - ein wichtiges Detail, das normalerweise in den Erklärungen nicht berücksichtigt wird. In der Tat wäre es fairer zu sagen, dass die Sonnenfusion durch eine Kombination aus Expansionsarbeit und Gravitationslifting stabilisiert wird .

— Ken G.
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