【《流浪地球》中的“硬核”軍事科技】
編者按：
行星發(fā)動機、重元素核聚變、單兵機械骨骼、加特林機槍……近日，正在熱映中的國產(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-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，核動力艦船、核彈等核能應(yīng)用為現(xiàn)代軍事斗爭帶來實質(zhì)性改變，這些改變都來自于核聚變理論和應(yīng)用實踐。
希望，是如同鉆石一樣珍貴的東西。心中懷有希望，人類的文明史才會擁有星辰大海！這是在看完《流浪地球》后，第一個出現(xiàn)在我腦海的感性思維。
在電影之中，我被八千米高的噴色火焰點燃木星的電影特效所震撼；我被面對零成功率的可能性，救援隊乃至全人類都拼盡全力修復(fù)行星推進(jìn)器的力量所感動；我被肩負(fù)傳承人類文明史的時代使命，傳承過去，開拓未來的精神希望所征服。
拋開電影特效不談，尋求電影中科技硬核，這才是人類文明史得以傳承和開拓的希望?！读骼说厍颉分?，1萬個行星推進(jìn)器裝在地球表面，持續(xù)不斷地能量來自哪里？35億居民生活在地底下幾千米，能量又來自哪里？如果人類真的面臨滅頂之災(zāi)，地球流浪的希望又是什么？
人類希望的曙光：核聚變
當(dāng)?shù)厍蛱ど闲请H流浪之旅，當(dāng)人類活在幾千米的地下城時，地球上只有聚變能才能作為地球流浪的永久動力，只有聚變能才能成為人類傳承文明史的重要源泉。核聚變是人類希望的曙光，所以千萬個為聚變能而奮斗終生的科技工作者給聚變工程起了一個閃亮的名字，叫“人造小太陽”。如果有一天，地球真的在星辰大海中遨游，那一刻也是聚變工程在浩瀚宇宙中的一場藝術(shù)之旅。
恐怕地球等不到流浪的那一天，人類社會就已經(jīng)面臨能源枯竭的重大問題。根據(jù)1998年世界能源委員會發(fā)表的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，石油可用50年，天然氣可用70年，煤炭可用200年，天然釉可用60年，即使把全部的資源納入考慮，大約只能用200-300年。據(jù)有關(guān)資料預(yù)測，到本世紀(jì)中葉前后，全世界能源消費的需求將超過傳統(tǒng)能源的供給能力，必需開發(fā)新的能源以彌補消費的需求！核聚變便成為人類研究新能源的重中之重。
核聚變——“人造小太陽”，可以最終解決能源問題嗎？
人類理想新能源：核聚變
為了回答聚變能可不可以最終解決人類能源問題，首先要清楚聚變的原理是什么？產(chǎn)生聚變的途徑和方法如何？
我們目前說的核聚變是指由質(zhì)量輕的原子(主要是指氫的同位素氘和氚)在超高溫條件下，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成較重的原子核(氦)，并釋放出巨大的能量。其實，利用輕核聚變原理，人類早已實現(xiàn)了氘氚核聚變---氫彈爆炸。
氘氚反應(yīng)是最重要的聚變反應(yīng)：
D + T → 4He(3.52MeV) + n(14.06MeV)
聚變反應(yīng)(氘-D與氚-T反應(yīng)生成氦-He與中子并釋放出能量)
因為重水約占自然界水分子的六千七百分之一，所以氘的獲取不是問題。而鋰是產(chǎn)生氚的材料，氚可以通過如下反應(yīng)獲得：
6Li + n → T + 4He+4.79MeV
7Li + n → n + T + 4He-2.47MeV
鋰在地球上有比較豐富的儲量，我國可采鋰儲量超過數(shù)百萬噸，粗略估計足夠用上幾干年。而海水中蘊藏的鋰比陸地上多至少一個量級，應(yīng)該說鋰資源也不是問題。
1千克氘全部聚變釋放的能量相當(dāng)11000噸煤炭。聚變能源實際上是取之不盡的、可供人類使用上億年。但只有讓核聚變反應(yīng)按照人們的需要，長期持續(xù)釋放，才能使核聚變發(fā)電，實現(xiàn)核聚變能的和平利用。
而實現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)必須解決兩個問題：高溫和約束。實現(xiàn)的途徑有磁約束，即強磁場來約束高溫等離子體；有慣性約束，即利用自身的慣性，在爆炸的極短瞬間，等離子體就被加熱到極高溫度而發(fā)生核聚變反應(yīng)。
影片中提到了重核聚變，根據(jù)設(shè)定，行星發(fā)動機的燃料是用的巖石。巖石能夠作為核聚變材料燃燒嗎？當(dāng)然能。在理論上，任何原子序數(shù)低于鐵的物質(zhì)都可以進(jìn)行核聚變反應(yīng)。巖石的主要成分是氧(O)和硅(Si)，所以，巖石當(dāng)然可以用來進(jìn)行核聚變反應(yīng)的燃料。只是，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當(dāng)下人類很難辦到的。
聚變工程的征途
地球要圓滿地完成流浪任務(wù)，只有依靠核聚變。聚變的原理本質(zhì)上與氫彈相同。氫彈爆炸的那一刻就標(biāo)志著人類在聚變工程的藝術(shù)旅途中跨越了一大步。但氫彈是不可控制的爆炸性核聚變，瞬間能量釋放只能給人類帶來災(zāi)難。為了實現(xiàn)核聚變能的和平可持續(xù)利用，人類便踏上研究可控核聚變的征途。
受控?zé)岷司圩冄芯吭诙?zhàn)末期就開始。蘇、美、英等國在互相保密的情況下，相繼開展了核聚變研究。當(dāng)時都是采用磁約束方法。
20世紀(jì)50年代末建成了一批大型的研究裝置，美國仿星器-C、蘇聯(lián)“Огра”(穩(wěn)態(tài)磁鏡)、英國“Zeta”(環(huán)形箍縮裝置)等。60年代后期，蘇聯(lián)的托卡馬克裝置異軍突起，在托卡馬克(T-3)裝置上取得重大進(jìn)展。1980年前，各國又建成了一批第2代托卡馬克裝置：美國的普林斯頓大環(huán)(PLT)、蘇聯(lián)的T-10、美國的D-III、德國的ASDEX。20世紀(jì)80年代之后，一批大型托卡馬克出現(xiàn)：美國的TFTR(1982)和歐共體的JET(1983)，是世界上僅有的可以進(jìn)行氘氚反應(yīng)實驗的裝置；還有日本的JT-60(1985)和1991年改建的JT-60U，建成后取得的實驗結(jié)果達(dá)到創(chuàng)記錄水平。1991年11月，歐共體JET第一次實現(xiàn)DT聚變反應(yīng)。
2006年5月24 日，《國際熱核聚變實驗堆(International Thermonuclear Experimental Reactor)聯(lián)合實施協(xié)定》在比利時首都布魯塞爾簽署。這標(biāo)志著ITER計劃實質(zhì)上進(jìn)入了正式執(zhí)行階段，將開始工程建設(shè)。
中國的聚變事業(yè)也緊追時代的號召，開啟了一段中國聚變工程的藝術(shù)之旅。1958年，中國科學(xué)院原子能研究所開始磁約束聚變的研究；1974年，中國科學(xué)院物理所和電工所成功研制CT-6托卡馬克；1975年，中國科學(xué)院在安徽合肥籌建等離子體物理研究所，一臺空心變壓器的托卡馬克HT-6B在合肥建成；1984年，核工業(yè)西南物理研究院研制成功HL-1環(huán)流器裝置；1991年，中國科學(xué)院等離子體物理研究所將原蘇聯(lián)的T-7裝置改建為我國第一臺超導(dǎo)托卡馬克HT-7；1994年，核工業(yè)西南物理研究院將HL-1改裝成HL-1M；2002年，核工業(yè)西南物理研究院利用原來德國的ASDEX裝置部分設(shè)備建成HL-2A裝置；2006年，中科院等離子體物理所建成了世界上第一個非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克東方超環(huán)(EAST)；2006年，我國簽署參加ITER協(xié)議，并制訂了發(fā)展聚變研究規(guī)劃；2016年，東方超環(huán)EAST實現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行。2017年12月5日，中國聚變工程實驗堆(CFETR)工程設(shè)計在合肥正式啟動，中國核聚變研究由此開啟新征程。
國際熱核聚變實驗堆ITER(聚變功率500MW，放電時長400~3000秒)
“希望，是如同鉆石一樣珍貴的東西。”電影中那個時代的人認(rèn)為他們所處的那個時代，希望是最彌足珍貴的東西。但我認(rèn)為對于現(xiàn)下的我們而言，希望，是比鉆石還要彌足珍貴的東西。人生在世，只有內(nèi)心有希望，有向往，有目標(biāo)，有夢想，才有生活的動力和價值。正如同踏上聚變工程的旅途一樣，盡管實現(xiàn)受控?zé)岷司圩內(nèi)杂新L艱難的路程需要我們征服，但其美好前景的巨大誘惑力，正吸引著各國科學(xué)家奮力攀登。
劃重點
核聚變是指由質(zhì)量輕的原子(主要是指氫的同位素氘和氚)在超高溫條件下，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成較重的原子核(氦)，并釋放出巨大的能量。其實，利用輕核聚變原理，人類早已實現(xiàn)了氘氚核聚變---氫彈爆炸。
作者：
秦經(jīng)剛 中國科學(xué)院等離子體物理研究所 研究員
王維俊 中國科學(xué)院等離子體物理研究所 在讀研究生
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