热失控

热失控（thermal runaway，又译：热跑脱）是一种热学上正回馈现象，所指的情况是当温度增高时引发的变化使温度更进一步的增高，产生恶性循环，因而导致某种破坏性的结果。

## 化学工程

在化学工程，热失控是放热反应失去控制的情况，经常会造成爆炸。

当反应速率是温度增加的增量时，便会发生热失控，不仅导致温度进一步的增加，而且反应速率也会进一步的增加。放热的副作用和燃烧使温度变得更高，加速了热失控。热失控引起的化工事故，以1984年发生在印度波帕尔的1984爆炸最为著名，它是联合碳化物设在当地生产异氰酸甲酯的工厂。热失控也是炼油厂在加氢裂解过程中要注意的事。

热失控最容易发生在化学反应容器的冷却系统失效时；搅拌器的失效可能导致局部地区的加热，而引起热失控；不当的组合也是常见的原因。许多化工生产设施在设计时会以大容积的空间和紧急通风口的设置，来降低意外发生时可能造成的伤害和财产损失。

## 电子学

### 双极性晶体管

有些双极性晶体管（特别是以锗为基底的双载子晶体管）在温度增加时，会增加极大的电流增益。根据电路的设计，在增益所增加的电流可能增加流经晶体管的电流和功率耗散，这会导致电流增益的进一步增加，这经常能在推挽式的AB类放大器中见到。当晶体管在室温下将偏压设定在有最小的交越失真时，且偏压与温度之间没有关联性（未做温度补偿），则当温度增加时，上下两晶体管的导通程度都会增加，导致电流和功率都上升，最后直到其中之一或二个都被毁坏为止。

如果多支双极性晶体管并联使用（典型的大电流应用），只要其中有一个先发生热失控，最初被分配于各晶体管的电流就会加至这个晶体管，使问题更为恶化。这种效应称为电流抢夺（current hogging，电流独吞，电流贪婪）。若电路没有重新趋于稳定，最终将发生的，就是晶体管在热失控下损毁。

### 功率金氧半场效晶体管（Power MOSFETs）

功率MOSFET工作时会以温度来增加电阻，功率在这些电阻上的消耗会提升接点的温度，在正回馈的回路中进一步增加了接面温度（但是，电阻随着温度增加有助于平衡多个平行排列的MOSFET之间的电流和免于电流扰乱的发生）。如果晶体管产生的热量超过散热片的散热能力，热失控就会发生并造成晶体管的毁坏。这个问题可以依靠在散热片和晶体管之间的热变电阻降低而得到缓和。请参考散热设计功率。

### 微波加热

微波使用于烹调各种各样的材料，或在工业生产过程中微波加热各种各样的材料。材料的热化效率取决于吸收的量，而这又依靠材料的介电常数。不同料的介电常数对温度变化的改变也不同，有些材料显现出温度增加就会大幅上升。当材料暴露在微波下时，因为温暖的地区会比低温的地区接收到更多的能量，这样的性质会导致选择性的局部地区会被过度的加热－对热量的绝缘体有潜在的危险，在热点和其余地区之间的热交换是缓慢的。这样的材料称为热失控材料，有一些陶瓷会发生这种现象。

### 电池

一些可充电的电池会因为不正确的处发生热失控，造成过度的加热，而被密封的电池可能会爆炸。特别容易发生热失控的是锂电池，在报纸上偶尔会有移动电话爆炸的新闻。由于失火和爆炸，戴尔公司的一些笔记电脑也曾被召回检修。

### 电子学和热带环境

电子设备的热失控通常不在多数电子制造业和设计师的设计考量因素内，但在热带国家可能导致故障和麻烦，在卫星电视接收器、手提电脑或者工业用可编码程序器上都曾经发生。当环绕在设备周围的空气温度超过临界值时，温度开始过热，热失控造成电子设备故障，必需要停下来等冷却之后才能重新做适当的设定和工作。这种问题通常是由使用MOSFET的高频切换电源供应器造成的。

### 数位电子学

晶体管漏出的电流会增高温度。在罕见的场合下，可能会导致数位电子的热失控。这不是常见的问题，因为漏出的电流在整体电流的消耗中只是极小的部分，所以在功率的耗损上是很小的－以速龙（Athlon）为例，温度每增加30℃，功率的损耗只增加10%。对100瓦的散热设计功率 来说，当热失控发生时，散热器也只需要3K/W的热阻抗力，这已经是速龙64散热器所需的6倍以上。通常一个0.5至1K/W的散热器就足以让功率100W的设备不致于发生热失控和造成损害。

预测这些问题在未来会更为常见，当设备变得越来越小时，静态的功率损耗对整个CPU的电力消耗的贡献将会持续增加，漏出的电流一定会以百倍的因素增加温度，使CPU的温度上升。结果是，热失控在未来的CPU上将是很普遍的问题。.

## 天体物理学

当核融合在恒星上层施加的重力压力大大超过热压的条件下点燃时，恒星可能会发生失控热核反应，这种情况可能会通过重力压缩使温度迅速升高。这种情况可能发生在含有简并物质的恒星中，其中电子简并压力而不是正常的热压力承担了支撑恒星抵抗重力的大部分工作；以及发生内爆的恒星中。在所有情况下，不平衡都发生在融合点火之前；否则，融合反应将自然受到调节，以抵消温度变化并稳定恒星。当新的放热反应启动，而导致温度和热压的增加，恒星将通过膨胀和冷却来响应，使热压力与上覆压力处于平衡状态。只有当这种反应被抑制时，失控反应才有可能发生。

### 红巨星中的氦闪

当0.8–2.0太阳质量范围内的恒星耗尽其核心的氢并成为红巨星时，积聚在其核心的氦在点燃之前达到简并状态。当简并核心达到约0.45太阳质量的临界质量时，氦融合被点燃，并以一种失控的方式起飞，称为氦闪，短暂地将恒星的能量产生率增加到正常值的1,000亿倍。大约6%的核心迅速转化为碳。虽然释放足以在几秒钟后将核心转化为正常的电浆，但它不会破坏恒星，也不会立即改变其亮度。然后恒星收缩，离开红巨星阶段并继续演化为稳定的氦燃烧阶段。

### 新星

新星是由在碳氧白矮星恒星外层失控的氢融合（通过 热碳氮氧循环）生成的。如果一颗白矮星有一颗伴星，使它可以吸积气体，那么这些物质将积聚在白矮星因强烈引力而蜕化的表层上。在适当的条件下，足够厚的氢层最终被加热到2,000万K的温度，点燃失控的核融合。表层被从白矮星上炸掉，光度增加了大约50,000倍。然而，白矮星和伴星仍然完好无损，因此这个过程可以重复。当点燃的外层由氦组成时，可能会发生非常稀有类型新星的情况。

### X射线暴

与导致新星的过程类似，简并物质也可以积聚在中子星的表面上，即该中子星正在从亲密的伴星中吸积气体。如果积聚了足够厚的氢层，失控的氢融合的点燃会导致X射线暴。与新星一样，这种爆发往往会重复，并且也可能由氦甚至碳融合触发。有人提出，在“超级爆发”的情况下，通过光解离而不是核融合将积累的重原子核失控分解成铁族原子核，可以贡献爆发的大部分能量。

### Ia型超新星

Ia超新星是由碳氧白矮星核心的失控的碳融合产生的。如果一颗几乎完全由简并物质组成的白矮星能够从伴星那里获得质量，那么如果恒星的质量接近钱德拉塞卡极限，其核心物质不断增加的温度和密度将点燃碳融合。这会导致了一场爆炸，完全摧毁了恒星。亮度新增了50亿倍以上。获得额外质量的一种方法是通过巨星（甚至主序星）伴星的吸积气体。第二种显然更常见的产生相同类型爆炸机制的是两颗白矮星的合并。

### 生对不稳定性超新星

生对不稳定超新星被认为是由一颗质量为130–250太阳质量、低至中等金属量的大质量恒星核心失控的氧融合造成的。根据理论，在这样的一颗恒星中，会形成一个大但密度相对较低的不燃烧氧核心，其重量由极端温度产生的伽马射线压力支撑。随着核心的进一步加热，伽马射线最终开始通过碰撞诱导衰变为电子-正电子对所需的能量阈值，这一过程被称为成对产生。这会导致核心内的压力下降，导致核心进一步收缩和加热，导致更多的正负电子对生成，进一步的压力下降等等。核心开始发生重力塌缩。在某个时刻，这点燃了失控的氧融合，释放出足够的能量来毁灭恒星。这种爆炸是罕见的，可能每100,000颗超新星中才有一颗。

### 与非失控超新星的比较

并不是所有的超新星都是由失控的核融合引发的。Ib和Ic超新星和II型超新星也会发生核心坍塌，但因为它们已经耗尽了能够进行放核融合反应的原子核的供应，它们会一直坍塌成中子星，或者在质量更高的情况下，恒星黑洞，通过释放引力势能（主要是通过释放微中子）为爆炸提供动力。正是由于没有失控的核融合反应，这些超新星才留下了致密恒星残余。

## 外部链接

- Thermal runaway of batteries in an airplane
- Java applet demo of MOSFET thermal runaway