太阳核聚变为啥不爆炸，维持100亿年，一共烧了多少燃料？

本文基于回答一位网友的邀请，原题为：太阳上每个地方每时每刻都在核聚变，那么太阳上每次核聚变爆炸的起始当量是多少呢？

关于太阳内部核聚变问题，我已经发表过许多文章解释了，但看到有的朋友还是不了解，邀请回答此类问题，就觉得还是有义务再说一下。各位不要以为是老调重弹，其实每次回答都是我和网友们共同学习的过程，都是尽量用新的视角和知识来与大家分享这种老问题，欢迎新老朋友看完多提宝贵意见。

首先我告诉这位朋友，太阳核聚变不是在每个地方都进行核聚变不是随便就会发生的，而是需要极端的条件，比如需要极高的压力或者极高的温度。在地球上人造可控核聚变，就需要上亿度的高温才能持续进行。太阳比我们地球有一个特别的条件，就是高压，因此持续核聚变的温度就不需要这么高，但核聚变的位置必须在核心才能够发生。

太阳是一个主要由氢元素和氦元素组成的巨大等离子体球，半径约70万千米。万有引力让这个等离子球体不断向核心收缩，这样在核心处就形成了约3000亿个大气压和1500万K的温度，在这样的压力和温度下，核心的氢原子外层电子被高压高温剥离了，露出了光秃秃的核，在压力和高温下，核与核之间不断剧烈碰撞，核融合也就是核聚变就被点燃了。

这个核聚变的区域就是在太阳半径约1/4的核心处。

太阳核聚变的过程比较复杂，今天就不展开说了。简单地说，就是4个氢核聚合成一个氦核，在这个聚合过程中，会有一部分质量亏损。这个损失有多大呢？我们简单计算就知道了。参与核聚变的主要是氢的同位素氕，氕的原子量为1.008，4个氕核的原子量加起来就是4.032；核聚变融合成氦-4后的原子量为4.003，这样少了0.029的质量，约为参与核聚变氢核质量的0.72%。

这些质量到哪里去了呢，原来是以光子和中微子的方式辐射出去了。这被辐射掉的质量就是能量，这个能量有多大呢？这就得用到爱因斯坦的质能方程了。

用质能方程可以计算出太阳核聚变的能量质能方程是爱因斯坦最伟大的发现之一，这个方程将经典力学里质量和能量隔离状态统一起来，揭示了物质质量与能量的等价互换关系。

质能方程简单表达式为：E=MC^2。这里的E代表能量，单位J（焦耳）；M代表物体的静质量，单位kg（千克），C代表真空光速，单位m/s（米/秒）。

这是一个具有简单之美，却蕴含着最深刻自然规律的公式，根据这个公式，我们可以看出物质质量里蕴含着非常巨大的能量，只要将1kg物质全部转化为能量，就能够得到9*10^16J，相当于250亿度电或2151万吨TNT炸药的威力。

而太阳核心每秒钟参与核聚变的氢约为6亿吨，损失质量0.72%就是432万吨，这些质量全部转化为能量约为3.9*10^26J，就相当于10800亿亿度电，或9.3亿亿吨炸药，也就是7万多亿颗广岛原子弹同时爆炸的能量。

太阳就是每时每刻每秒都在爆发出这么巨大的能量。有人担心这么巨大的消耗会不会很快将太阳烧光呢？为什么现在太阳已经46亿岁了，也就是烧了46亿年了，还没有烧光，据说还可以烧50多亿年呢？其实我们随便计算一下就知道了，太阳到死也是烧不光的，只不过烧了一些皮毛而已。

太阳为啥能烧100亿年？太阳总质量约2*10^30 kg，总质量中氢元素约占75%，氦元素约占24%，其他各种重元素约占1%。太阳每秒钟有约6亿吨氢参与核聚变，1年有31557600秒，参与核聚变的氢就需要约1.9*10^16（1.9亿亿）吨，100亿年就需要约1.9*10^26吨，也就是1.9*10^29 kg。

从上面计算的结果看出，太阳核聚变如果从一开始到死亡一直这么持续下去，100年亿年寿命所消耗的氢相当于太阳总质量的不到10%，相当于太阳中氢的总质量约12.67%。但这些氢并没有损失掉，而是转化成了氦核存在太阳核心，真正消耗掉的只是每秒钟约432万吨的物质质量，100亿年就是约1.36*10^27 kg。这些质量损失占太阳总质量的0.068%，不到万分之七。

也就是说，太阳每秒钟将432万吨质量转化为能量亏损掉了，100亿年寿终正寝时，质量只是损失掉不到万分之七，现在见证到质能转化的威力了吧，知道人类为啥花费那么多的人财物去开发核聚变发电了吧？

太阳每秒钟需要消耗6亿吨氢并不是随意估算的，科学家们有许多办法来了解。比如通过太阳这么大质量的恒星，核心压力和温度导致核聚变剧烈程度精确计算；比如收取地球赤道每平米获得太阳热量，从而推算出太阳电磁辐射总量，根据质能方程反算出这些能量需要多少质量转换，再根据氢核聚变质量亏损推算出需要消耗的氢总量等。

说来话长，是另一个话题，今天就不展开说了。

太阳核聚变为啥一直可控而不炸开呢？许多人有这个疑问，就是太阳核聚变没有一个硬壳包着，为啥不像氢弹一下子炸开了呢？其实这是一种误区，太阳不但有壳，而且这个壳还厉害得很，就是太阳巨大的质量和体积，形成一个巨大的外壳，约束着太阳核心的核聚变。

万有引力导致太阳巨大质量不断向核心收缩，这就客观上形成了一个厚重的外壳，因此，太阳核聚变的约束方式就是重力约束。由于太阳巨大质量向中心不断施压，高温高压才点燃了核聚变。核聚变点燃后，就会产生巨大的辐射压，如果没有太阳巨大的重力压力约束住这个辐射压，太阳就会像氢弹那样爆裂开来。

核聚变产生的巨大辐射压，会向外围扩张产生巨大张力，当这个张力正好抵御住质量的引力压力，引力压和辐射压就取得了一个平衡，太阳巨大体积就无法向中心再收缩了，而辐射也也被压制住无法逃逸。这种平衡就是太阳的主序星阶段，像太阳这种质量的恒星，这个主序星阶段可以维持100亿年。

太阳寿终正寝前的回光返照当100亿年后，核心的氢燃烧殆尽时，核聚变就会熄灭。没有了巨大辐射压的支撑，100亿年时时都紧绷着的引力向心压机会来了，瞬间向核心高速收缩，专用名词叫坍塌，也就是极快速度垮塌到核心去。这样核心压力和温度瞬间骤增，达到1亿度以上，就点燃了更高一级的氦核聚变。

这时太阳会变成一颗红巨星，半径扩大200到300倍，进入老年回光返照阶段。这个阶段，核聚变停止又点燃会反复进行，星体极不稳定，每一级点燃更重核的聚变，都需要更高的温度。最终太阳精疲力尽，无法点燃碳核及其以后重核的聚变了，核聚变就最终停止了。

但此时，太阳引力再也拉扯不住膨胀过大的外围气体物质了，这些外围物质会渐渐散去，成为太空新的星云，最终只留下核心一个致密的碳核，这就是白矮星。这颗白矮星只有地球般大小，质量却是太阳约0.6倍，因此密度高达每立方厘米1吨以上。

太阳核心的核聚变辐射能量如何来到表面，并辐射到太空？这就需要说一下太阳的结构了。太阳的结构有点像一颗水蜜桃，桃核就是太阳的核聚变区域，核聚变释放的巨大能量以电磁辐射的方式向外扩散，首先经过的是辐射层。辐射层有点像水蜜桃的瓤，占有的空间最大，从太阳半径1/4处开始，到达半径的86%处。

太阳半径约70万km，1/4的核辐射区，就是从核心质点到半径17.5万km这么一个圆球区域，每时每刻不断进行的核聚变就在这个区域里进行；核聚变的能量通过辐射区到达距质心60.2千米处，这么一个大圈为辐射区；以这里为界再往外就是对流层了，也就是进入水蜜桃的皮下组织了。

所谓对流层就是热的往上冲，冷的往下降，上下不断翻腾的区域，这个层次在太阳半径中占了近10万公里。再往上就是光球层了，这已经是太阳的皮层了，当然还不是表皮，是表皮下面那薄薄的一层，用动物皮层比喻的话就叫真皮。

光球层只有约500km，就像太阳一个罩子罩住了风起云涌的对流层，太阳的所有可见光都是从这个光球层发出的，因此太阳的边界是以光球层为界的。太阳表面温度约5777K就是指这里的温度。

光球层上外面还罩着一层色球层，厚约2000km，这就是太阳的表皮了。奇怪的是，太阳从内到外，一直到光球层，温度是逐渐下降的。可到了色球层，却逐渐上升，到了色球层顶端，温度可高达20000K。

色球层再到外面就是太阳的大气层了，又叫日冕层。日冕层由高温低密度等离子体组成，有点像炉子的火焰，闪忽不定，越靠近太阳越浓密炽热，温度可高达百万度；越远越稀薄，就成了太阳风，最远处飘到太阳系的边缘。

太阳光子随机漫步太阳能量就是这样一层层往外传递的，这些能量是通过光子携带着往外传递的。光子从核心核聚变的质能转换中诞生，一诞生就往外冲，在真空中可以达到每秒30万km，可在介质中就不一样了。

从太阳中心到表面有70万km，本来光子只要走2秒就出去了，可太阳里面遍布质子，光子又是个“好客”的，每遇到一个质子都要握握手，甚至拥拥抱，然后进行一下身份交换，这样一转就晕头了，方向变了，可能往回走了。这样一路走得磕磕绊绊，进三步退两步，人们把这种走法叫“光子随机漫步”。

太阳内部至少有10^26个质子，每个质子平均距离只有1埃，如果光子遇到每个质子都要“唠叨”一番，有人计算就需要走3.9*10^37步，这样就要走4千亿年。宇宙寿命才有138亿年，太阳寿命才有46亿年，难道一个光子都还没走出来？

其实并不是这样，太阳里面质子的密度分布并不均匀，有的地方稀疏，有的地方密集。既然是随机漫步，就有的快有的慢了，而且每个光子并不需要与所有质子“套近乎”，这样一算，快的几万年，慢的几十万年就出来了。

但也有玩得忘乎所以，掉在质子陷阱中的光子，就像侯宝林的相声，两个醉汉比赛着爬手电筒光柱，这样就永远出不来了，到太阳毁灭还在那玩着呢。

大多数不痴迷“玩”的光子，好不容易到达太阳表面后，终于得到释放，像脱缰的野马奔跑起来，带着能量以每秒约30万km的速度向太空各个方向辐射。我们地球当仁不让地承接了整个太阳能量的22亿分之一，每秒钟得到的能量约1.77*10^17J，这相当于约500亿度电，是1000万座三峡大坝的发电总量；也相当于每秒爆炸3000多颗广岛原子弹的能量。

而我们每天晒在身上的阳光，虽然从太阳表面到我们这里只花了8分多钟，但这些光子的年龄都有数万岁甚至几十万到几百万岁呢，好好珍惜吧。

这就是太阳核聚变发生的过程和能量传递方式，以及可以维持100亿年不变的原因，不知各位对这个回答是否满意？欢迎点评讨论，感谢阅读。

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