【《流浪地球》中的“硬核”軍事科技】

　　編者按：

　　行星發(fā)動(dòng)機(jī)、重元素核聚變、單兵機(jī)械骨骼、加特林機(jī)槍……近日，正在熱映中的國(guó)產(chǎn)科幻電影《流浪地球》不僅讓科幻圈為之瘋狂，也在軍迷圈掀起波瀾。即日起，《科普中國(guó)-軍事科技前沿》推出系列作品，解讀《流浪地球》中的“硬核”軍事科技，歡迎關(guān)注。

　　在軍事領(lǐng)域，核動(dòng)力艦船、核彈等核能應(yīng)用為現(xiàn)代軍事斗爭(zhēng)帶來(lái)實(shí)質(zhì)性改變，這些改變都來(lái)自于核聚變理論和應(yīng)用實(shí)踐。

　　以往談起中國(guó)科幻片，人們首先想到的是經(jīng)不起推敲的劇情和五毛特效。近期，一部名為《流浪地球》的科幻電影讓我們看到中國(guó)科幻片的曙光，具有里程碑式的意義。

　　該影片的故事背景設(shè)立在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，人類賴以生存的太陽(yáng)極速老化，即將進(jìn)入紅巨星的膨脹階段，地球?qū)⒈慌蛎浀奶?yáng)大氣所淹沒。在人類命運(yùn)即將面臨存亡的關(guān)頭，人類聯(lián)合政府做出了一項(xiàng)決定，集合人類所有力量在地球表面建造1萬(wàn)個(gè)行星推進(jìn)器裝，將地球推離現(xiàn)有軌道，去尋找新家園——距離我們4.2光年的比鄰星。

　　在茫茫的宇宙中，人類和地球猶如大海中的一葉扁舟在孤獨(dú)地流浪，同時(shí)也將面臨著重重的危機(jī)……

　　影片《流浪地球》的巨大成功，除了一流的畫面和劇本之外，自然少不了很多建立在物理學(xué)基礎(chǔ)上的設(shè)定，將科學(xué)與幻想完美地結(jié)合在一起。

　　比如整部電影對(duì)于天文、地理、物理、機(jī)械等方面有著豐富的表現(xiàn)，讓人不自覺地產(chǎn)生一種真實(shí)感和代入感。以至于看完整部電影不經(jīng)讓人聯(lián)想：人類的未來(lái)究竟會(huì)怎樣？如果人類真的失去太陽(yáng)，我們需要依靠什么去流浪呢？

　　一、地球注定流浪

　　太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱，為地球源源不斷地輸送能量，是因?yàn)樗鼉?nèi)部時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生著核聚變反應(yīng)。大約70億年之后，太陽(yáng)會(huì)耗盡其氫燃料，并開始停止氦的熄滅。這個(gè)進(jìn)程會(huì)讓太陽(yáng)收縮成一個(gè)宏大的紅巨星。收縮的太陽(yáng)放出的熱量會(huì)將地球和火星徹底烤焦，甚至讓地球蒸發(fā)。因此地球需要脫離太陽(yáng)系，開啟流浪模式，尋找新的居所。

　　按照小說設(shè)定，從地球到比鄰星這是一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)2500年、需要100代人才能完成的恢弘計(jì)劃。它分為了五個(gè)階段：(1)剎車階段：憑借赤道上“行星發(fā)動(dòng)機(jī)”的巨大推力，使地球停止自轉(zhuǎn)；(2)逃逸階段：全功率開啟行星發(fā)動(dòng)機(jī)，使地球加速駛出太陽(yáng)系；(3)先流浪階段：利用太陽(yáng)和木星完成最后的加速，駛向人類選定的新家園“半人馬座比鄰星”；(4)后流浪階段：駛出太陽(yáng)后，行星發(fā)動(dòng)機(jī)全功率開啟，利用500年的時(shí)間將地球加速到光速的千分之五，然后滑行1300年；調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，利用700年進(jìn)行減速；(5)新太陽(yáng)時(shí)代：地球泊入比鄰星軌道，成為比鄰星的衛(wèi)星。

　　二、地球流浪的能源希望

　　從整個(gè)流浪計(jì)劃來(lái)看，地球在2500年的時(shí)間里需要消耗大量的能量，包括加速、減速階段、行星發(fā)動(dòng)機(jī)的耗能以及生活在地下空間所需要的能量。

　　根據(jù)當(dāng)今能量來(lái)源，可分類為：化石能源、太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能、潮汐能以及生物質(zhì)能等。化石能源包括石油、天然氣和煤炭。

　　根據(jù)2012年統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，石油還可用35年，天然氣還可用38年、煤炭還可用58年，很顯然這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足地球流浪所需要的能量。

　　當(dāng)?shù)厍蛑饾u遠(yuǎn)離太陽(yáng)，地表溫度也會(huì)慢慢降低。電影中地球表面的溫度已經(jīng)是零下80攝氏度。所以，太陽(yáng)能已不可取。風(fēng)能、生物質(zhì)能以及潮汐能因?yàn)槟芰刻。瑯訜o(wú)法滿足地球流浪的能量需要。

　　剩下的核能又如何呢？核能包括裂變能和聚變能，這里介紹一個(gè)專業(yè)詞匯——比結(jié)合能。原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，若干個(gè)核子結(jié)合在一起所釋放出的能量或者將原子核的核子全部分散開來(lái)所需要的能量，就是結(jié)合能。

　　原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。據(jù)此：若將若干個(gè)比結(jié)合能較小的原子核結(jié)合成一個(gè)結(jié)合能較大的原子核，則其所吸收的能量小于釋放的能量，這即為產(chǎn)生正能量。

　　這里元素的比結(jié)合能圖片如下所示：

　　可以看出，鐵元素比結(jié)合能最大。若將較重的元素裂變出多個(gè)元素放出能量，即為裂變；若將兩個(gè)輕元素結(jié)合在一起則會(huì)釋放出能量，這即為聚變。一般而言，聚變到鐵元素即為聚變的終點(diǎn)。

　　聚變能是指小質(zhì)量的原子核合成一個(gè)較大的原子核同時(shí)放出能量, 根據(jù)著名的愛因斯坦質(zhì)能公式E=mc2，反應(yīng)過程中出現(xiàn)的質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)化為巨大的能量釋放出來(lái)。因此，聚變能可作為支撐“地球流浪”的能量來(lái)源。

　　三、地球流浪的能源之路

　　影片中，最引人注目的自然要數(shù)重聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，高度達(dá)11公里，比珠峰朗瑪峰還高2.2公里。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)能提供150億噸的推力，而這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)在歐亞大陸和美洲大陸總共有一萬(wàn)多臺(tái)，共提供150萬(wàn)億噸的推力。

　　重聚變，顧名思義，就是由重原子進(jìn)行的核聚變。如前所言，目前人類能做到的，還只是利用氫原子進(jìn)行的不可控核聚變(氫彈)。

　　而小說和電影中利用巖石為主要燃料進(jìn)行核聚變，需要更大的溫度壓強(qiáng)才能實(shí)現(xiàn)。

　　地球上巖石的主要成分是“硅”，根據(jù)天文學(xué)研究，大質(zhì)量恒星后期的聚變反應(yīng)就是“重聚變”。從“硅”開始大質(zhì)量恒星“重聚變”過程是：硅–28 → 硫–32 → 氬–36 → 鈣–40 → 鈦–44 → 鉻–48 → 鐵–52 → 鎳–56。在這個(gè)聚變過程中，釋放出大量能量，比氫彈爆炸釋放的能量多太多了。

　　核聚變走到鐵這一步，就不再釋放能量，而是吸收能量。所以重聚變最后產(chǎn)生的廢渣就是鐵。正是有了重聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，才能讓“流浪地球”計(jì)劃成功，因?yàn)閹r石在地球上到處都是，提供了無(wú)窮無(wú)盡的燃料，也為地下生存的人類提供賴以生存的能源。

　　但是，它們發(fā)生核聚變反應(yīng)的條件太過苛刻，需要的壓力和溫度是現(xiàn)實(shí)生活中很難辦到的。

　　輕核聚變能是目前最具發(fā)展前景的新興能源，其主要潛力在于：

　　(1)用于聚變反應(yīng)的原料極其豐富。核聚變所需的燃料為氫的同位素氘、氚，這兩種元素在地球上蘊(yùn)藏極其豐富。據(jù)計(jì)算，每升海水中含30毫克的氘，其聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油所產(chǎn)生的能量。一座100萬(wàn)千瓦的核聚變電站，每年只需消耗304千克的氘。天然存在于海水中的氘約有45億噸，按目前世界能源的消耗水平，可供人類使用上億年，可以說是取之不盡用之不竭；

　　(2)聚變能既清潔又安全。目前的核電站是利用原子核裂變產(chǎn)生能量，其主要原料為鈾，鈾核裂變產(chǎn)生的廢料為放射性物質(zhì)，半衰期長(zhǎng)，如果處置不當(dāng)，將污染環(huán)境，威脅人類健康。因此目前關(guān)于核裂變產(chǎn)生的廢料處理仍是一個(gè)世界難題。

　　而核聚變產(chǎn)生的廢料為氦氣，不具有放射性，因此也就不存在核廢料的處理難題。

　　既然聚變有如此之多的好處，堪稱人類未來(lái)的希望，那么聚變能開發(fā)到現(xiàn)在又是何種狀況呢？

　　四、世界范圍的可控聚變發(fā)展情況

　　目前，人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核聚變，如氫彈的爆炸，但這屬于不可控的核聚變。人類如果要將核聚變的能量真正利用起來(lái)，就必須對(duì)核聚變的速度和規(guī)模進(jìn)行控制，并將能量持續(xù)、平穩(wěn)的輸出。

　　但是，產(chǎn)生可控核聚變的條件非常苛刻。以太陽(yáng)為例，其核心溫度高達(dá)1500萬(wàn)攝氏度，另外還需有巨大壓力才能產(chǎn)生核聚變，但地球上沒有辦法獲得如此大的壓力，只能通過提高溫度來(lái)彌補(bǔ)。

　　然而，溫度必須達(dá)到上億度才行。因此，人們通常又將核聚變裝置稱為“人造太陽(yáng)”。

　　由于地球上沒有任何一種固體物質(zhì)能夠承受上億度的高溫，因此，目前科學(xué)家主要通過兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　激光約束(慣性約束)核聚變(如我國(guó)的神光計(jì)劃，美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火計(jì)劃都是這種形式)其中一個(gè)方案為：在一個(gè)直徑約為400μm的小球內(nèi)充以30-100大氣壓的氘-氚混合氣體，讓強(qiáng)勁率激光(目前達(dá)到1012W，爭(zhēng)取1014W)均勻地從四面八方照射小球，使球內(nèi)氘氚混合體的密度達(dá)到液體密度的一千到一萬(wàn)倍，溫度達(dá)到108K而引起聚變反應(yīng)。它的特點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間短，能量不能穩(wěn)定輸出。

　　磁約束核聚變(托卡馬克、仿星器、磁鏡、反向場(chǎng)、球形環(huán)等)，這種方式目前被認(rèn)為是最有前途的，而超導(dǎo)托卡馬克是最有希望實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的裝置之一。其中最為著名的就是國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃，它是當(dāng)今世界最大的大科學(xué)工程國(guó)際科技合作計(jì)劃之一，也是迄今我國(guó)參加的規(guī)模最大的國(guó)際科技合作計(jì)劃。ITER計(jì)劃吸引了包括中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)等世界主要核國(guó)家和科技強(qiáng)國(guó)共同參與。它的目標(biāo)是在法國(guó)卡達(dá)拉舍建立一個(gè)聚變示范堆。

　　目前國(guó)際上建有多個(gè)熱核實(shí)驗(yàn)裝置，下面主要介紹一下國(guó)際最大的ITER裝置和屬于中國(guó)的東方超環(huán)EAST裝置：

　　1)ITER。“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃”是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，通過共同協(xié)作已有科技成果，首次建造大規(guī)模聚變實(shí)驗(yàn)堆，其目標(biāo)是解決可控核聚變的大量技術(shù)難題。

　　2)EAST。EAST全稱是Experimental Advanced Superconducting Tokamak(先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克)，其目標(biāo)是針對(duì)近堆芯等離子體穩(wěn)態(tài)先進(jìn)運(yùn)行模式的科學(xué)和工程問題,是世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克裝置。

　　中國(guó)在積極參與ITER計(jì)劃的同時(shí)，國(guó)內(nèi)的東方超環(huán)(EAST)計(jì)劃也取得了極大的進(jìn)展。2016年l1月，EAST實(shí)現(xiàn)了電子溫度達(dá)到5000萬(wàn)度持續(xù)時(shí)長(zhǎng)102s的等離子體放電。這項(xiàng)新的世界紀(jì)錄使EAST成為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到分鐘量級(jí)的托卡馬克，也標(biāo)志著中國(guó)在穩(wěn)態(tài)磁約束聚變研究方面繼續(xù)走在國(guó)際前列。

　　但是，目前人類對(duì)于核聚變的研究還遠(yuǎn)未達(dá)到商用的級(jí)別，聚變能的利用也是其路漫漫修遠(yuǎn)兮。聚變事業(yè)雖然道路遠(yuǎn)且路途堅(jiān)，卻是人類為了長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展而必須跨越的一步，畢竟眼前的能源和環(huán)境危機(jī)已經(jīng)迫在眉睫，更何況萬(wàn)一有一天我們真的要去流浪呢？

　　劃重點(diǎn)

　　核聚變所需的燃料為氫的同位素氘、氚，這兩種元素在地球上蘊(yùn)藏極其豐富。據(jù)計(jì)算，每升海水中含30毫克的氘，其聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油所產(chǎn)生的能量。一座100萬(wàn)千瓦的核聚變電站，每年只需消耗304千克的氘。天然存在于海水中的氘約有45億噸，按目前世界能源的消耗水平，可供人類使用上億年，可以說是取之不盡用之不竭。

　　作者：

　　秦經(jīng)剛 中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 研究員

　　毛哲華 中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 博士生

　　代天力 中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 博士生

地球靠什么能源“流浪”？可控核聚變了解一下

圖文簡(jiǎn)介

以往談起中國(guó)科幻片，人們首先想到的是經(jīng)不起推敲的劇情和五毛特效。根據(jù)2012年統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，石油還可用35年，天然氣還可用38年、煤炭還可用58年，很顯然這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足地球流浪所需要的能量。