¿Por qué no se acelera el proceso de fusión del sol?

¿Estoy en lo cierto al decir que el proceso de fusión del sol es constante, es decir, X cantidad de fusión ocurre por día, más o menos? ¿Por qué esto no se acelera, es decir, un evento de fusión crea energía para dos eventos de fusión, etc.? ¿Cada colisión de un átomo causa un evento de fusión, o la probabilidad de que ocurra un evento de fusión es pequeña, por lo que no es una reacción desbocada? He oído que la probabilidad de que ocurra un evento de fusión es de solo 1 de cada 10 ¹² por cada colisión.

the-sun stellar-astrophysics

— Kallie
fuente

La energía producida por fusión en el núcleo está casi exactamente equilibrada por la energía perdida por la difusión de radiación desde el núcleo.

— Martin Bonner apoya a Monica el

@ MartinBonner Estoy de acuerdo con esto: mi pregunta es si cada colisión supera la barrera del coulomb o solo una cantidad / porcentaje limitado y por qué no tiene una reacción de fuga, es decir, más energía más difusión

— Kallie

El proceso de fusión es sensible a la temperatura. Debido a que una estrella se mantiene típicamente en un equilibrio hidrodinámico, la temperatura no cambia, es decir, la velocidad de fusión es constante.

— Kornpob Bhirombhakdi

Si ahora estuviéramos en un momento en el que se aceleraba rápidamente, no estaríamos aquí para verlo. ;-) Así que puede suponer que ahora es un momento en que la velocidad está bastante cerca del equilibrio

— R .. GitHub DEJA DE AYUDAR AL HIELO el

Se sugiere vagamente un punto en la pregunta que está mal, a saber, que debería haber una relación directa entre sucesivos eventos de fusión. Un evento de fusión simplemente contribuye a la energía térmica general, y es el movimiento térmico el que causa los eventos de fusión; A diferencia de la fisión nuclear, un evento de fusión no produce productos de reacción que provoquen directamente otros eventos de fusión. Entonces, la única pregunta que queda es cómo se equilibran globalmente la producción de energía y la pérdida para el medio ambiente.

— Marc van Leeuwen

Respuestas:

¿Estoy en lo cierto al decir que el proceso de fusión del sol es constante, es decir, X cantidad de fusión ocurre por día, más o menos?

Sí, al menos en escalas de tiempo humanas. Es razonable esperar que la tasa de fusión dentro del sol sea la misma hoy que hace unos miles de años o en el futuro, más o menos una pequeña fracción.

¿Por qué esto no se acelera, es decir, un evento de fusión crea energía para dos eventos de fusión, etc.?

La energía liberada por la fusión se distribuye rápidamente como energía térmica en el centro del sol, y la diferencia de temperatura entre la superficie (alrededor de 6000 K) y el centro (aproximadamente 15 millones de K) impulsa un flujo de energía de caliente a frío.

¿Cada colisión de un átomo causa un evento de fusión, o la probabilidad de que ocurra un evento de fusión es pequeña, por lo que no es una reacción desbocada?

La fusión en el sol no es una reacción nuclear desbocada (como una masa crítica de uranio en una reacción de fisión).

En teoría, es posible tener eventos de fusión fuera de control, pero la presión y la temperatura para que esto ocurra no se abordan en el núcleo del sol. Para estrellas estables como el sol, las fuerzas y los flujos de energía están en equilibrio: si el núcleo se calentara un poco más, entonces la presión aumentaría y la estrella se expandiría ligeramente contra la fuerza de la gravedad para compensar. Suceden cosas interesantes cuando las estrellas pierden el equilibrio y la ignición por fusión desbocada puede ocurrir en algunos escenarios .

Además, este punto de equilibrio se mueve durante la vida útil de una estrella a medida que su mezcla de elementos cambia debido a la fusión. Esto es predecible para muchas estrellas y forma la base de las estrellas de secuencia principal en el diagrama de Hertzsprung-Russell

He oído que la probabilidad de que ocurra un evento de fusión es de solo 1 en 10 ^ 12 por cada colisión

No sé la precisión de eso, pero parece razonable. La definición de "colisión" se vuelve algo arbitraria en un ambiente tan denso y cálido. Si solo incluye enfoques lo suficientemente cercanos como para hacer que la fuerza nuclear fuerte domine la interacción, la relación podría ser mayor.

Otro hecho que me pareció interesante en la misma área es que la densidad de potencia de la fusión, es decir, los vatios por metro cúbico de sustancia, en el sol es aproximadamente la misma que la encontrada en un montón de compost típico . Es un entorno muy diferente al interior de un experimento de reactor de fusión o una bomba de fusión, que tienen densidades de potencia mucho más altas.

— Neil Slater
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En cuanto a su último punto, ¡me parece fascinante que la poderosa salida del sol nos diga menos sobre el poder de la fusión, y más sobre cuán grande es el sol! Y muestra que la idea de que un reactor está "recreando el poder del sol" es poco esclarecedor ... el sol lo está haciendo de la manera más fácil :-)

— SusanW

@SusanW También podría ver la baja densidad de potencia como una demostración de cuán muy débil es la gravedad de la fuerza. Esa pequeña potencia de salida por volumen es suficiente para evitar que toda la masa del sol se colapse y se convierta en materia enana blanca. La fusión estelar es capaz de producir tanta energía como sea necesaria para detener el colapso (hasta cierto punto, es decir, la densidad del agujero negro), demostrado por cuánto más rápido las estrellas más grandes pueden consumir su hidrógeno y en el otro extremo de la escala. , cuánto más tiempo pueden continuar los más pequeños, en comparación con nuestro Sol.

— hyde

@SusanW La estadística es un poco desinfectante, porque lo que produce todo ese poder es solo el núcleo, que representa menos del 1% del volumen del sol.

— Cubic

@Cubic: sin embargo, esa es la densidad de potencia del núcleo , al menos por lo que puedo decir. Potencia total ~ , volumen total del núcleo ~ . Densidad de potencia ~ . Aunque parezco haber perdido un orden de magnitud en algún lugar en comparación con wikipedia. . . Sin embargo, estoy comenzando con su citado poder total del sol. . . :-)

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}

$20 Wm^{-3}$

— Neil Slater

@NeilSlater Podría haber malinterpretado la declaración en ese caso

— Cubic

No, la velocidad de fusión del Sol no es absolutamente constante en el tiempo. El Sol se está volviendo gradualmente más luminoso y esa luminosidad se proporciona casi exclusivamente por fusión en el núcleo. Sin embargo, la tasa de aumento no es grande, del orden del 10% por mil millones de años.

El proceso de fusión es extremadamente lento (e ineficiente en términos de liberación de energía por unidad de volumen): el Sol libera solo 250 W / m en su núcleo. La razón de esto es que los eventos de fusión son extremadamente improbables, ya que requieren que dos protones superen la barrera de Coulomb entre ellos y que uno de los protones invierta la desintegración beta en un neutrón para formar un núcleo de deuterio. $^3$

La vida útil promedio de un protón contra este proceso en el núcleo es de años (la vida útil del Sol), lo que significa que la velocidad de fusión por protón es aproximadamente s . Podemos comparar esto con una tasa de colisión entre protones suponiendo una velocidad térmica promedio de km / s para una temperatura de k, una densidad de número de protones de m en el núcleo y una sección transversal de colisión de , donde El término entre paréntesis es la longitud de onda reducida de De Broglie. Poniendo estas cosas juntas, la tasa de colisión es $10^{10}$ $3 \times 10^{-18}$ $^{-1}$ $v \simeq (3k_B T/m_p)^{1/2} = 600$ $15\times 10^{6}$ $n_p \sim 6 \times 10^{31}$ $^{-3}$ $\sigma \sim \pi (\hbar/mv)^2$ $n_p \sigma v \sim 10^{12}$ s . $^{-1}$

Al comparar las dos tasas, podemos concluir que solo 1 de cada colisiones termina con fusión. $3\times 10^{29}$

Si la velocidad de fusión del Sol aumentara rápidamente, entonces lo que sucedería es que el Sol se expandiría, el núcleo se volvería menos denso y la velocidad de fusión disminuiría. Básicamente, esto actúa como un termostato, manteniendo al Sol exactamente a la temperatura adecuada para soportar su propio peso y suministrar la luminosidad que emerge de su superficie.

— Rob Jeffries
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Reemplazaría el "proceso de fusión es extremadamente ineficiente" con alguna otra forma de decirlo, porque "ineficiente" implica que se desperdicia energía, y no se desperdicia. Quiero decir, para mí el proceso de fusión es realmente extremadamente eficiente , permitiendo que el sol se mantenga estable durante miles de millones de años.

— hyde

Además, la explicación habitual de por qué la fusión no se escapa es incompleta. La historia simple que no puede ser la historia completa es que si la fusión ocurre demasiado rápido, el calor se acumula y crea una sobrepresión. Esa sobrepresión causa expansión, y la expansión funciona, lo que reduce la temperatura y reduce la fusión hasta que coincida con la tasa de escape radiativo.

La razón de que esto sea incompleto es que el trabajo de expansión no induce estabilidad si se produce solo contra una presión externa fija, esa cantidad de trabajo siempre es insuficiente para estabilizarla (lo que conduce a "destellos de concha" más adelante en la vida de una estrella) . Lo único que es capaz de estabilizar la fusión es el trabajo adicional contra la gravedad , como puede ver fácilmente cómo se incluye la gravedad en dicho análisis. Por lo tanto, debe ser importante que un fugitivo local tenga el resultado neto de levantar el gas del centro solar, haciendo así un trabajo gravitacional, un detalle importante que normalmente se deja fuera de las explicaciones. De hecho, sería más justo decir que la fusión solar se estabiliza mediante una combinación de trabajo de expansión y elevación gravitacional.

— Ken G
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