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，欢迎新老朋友耐心看完，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。

太阳核聚变产生的能量符合质能方程

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物质了，这些外围气体物质会渐渐散去，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。

大多数不痴迷于“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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