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January 8, 2015

“钢铁侠”真能造出来吗?

作者: physixfan

不靠天赋异禀的超能力,不靠飞来横祸的基因突变,钢铁侠Tony Stark仅凭科技的力量:一身炫酷的机甲就拯救了世界,赢得了无数粉丝。钢铁侠的一身机甲究竟距离现实有多远?其实,防御、武器系统是很常规的事情不必多说;智能对话系统Javis也已经有了现实版:Siri和Google Now;飞行推进系统也有现实中的对应版本:离子推力器;而唯有最核心最重要的能源系统,方舟反应堆(Arc Reactor),现实中从未有人真正实现过。方舟反应堆究竟是何物?现实中的人类距离实现有多遥远?

钢铁侠的方舟反应堆,不需要补充煤炭汽油等燃料,不需要放射性重金属也不需要光照,而且提供的能量密度高得惊人,这样的能源在世界上有且仅有一种:受控核聚变。聚变的原材料是氘和氚,如果技术发展的足够好那么只用氘也可以,而氘在自然界中极其丰富:水中就有足够的氘!因此我们可以推测,钢铁侠利用身体中的水作为原料,用小型离心机分离出氘,然后供给方舟反应堆用来聚变以获得能源的。

方舟反应堆的具体实现方式是什么呢?我们先看两张图:

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图1

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图2(来自 https://www.euro-fusion.org/2011/09/tokamak-principle-2

图1是《钢铁侠1》中方舟反应堆的大号原型截图,图2则是现实中真正的受控核聚变方案之一:托卡马克(Tokamak)的设计图。相似度99%有木有!可见,钢铁侠的方舟反应堆,正是根据现实中的托卡马克改编而来。下面就先收收脑洞,谈谈现实中的托卡马克的现况。

受控核聚变之所以困难,是因为早在半个世纪前,人们就从物理上得到了一个聚变能量输出大于输入的条件,劳森判据:温度、密度与能量约束时间这三者之积,必须大于一个特定的数值。通过生炉子的类比可以更容易的理解这一条件:想要让炉子持续燃烧给我们供暖,那么必须要首先用高温的火苗去点燃,其次要有足够的燃料在炉子里以燃烧,最后就是炉子要有壁否则热量太快就散失掉了炉子就被熄灭了。根据氘氚的特性,最适合聚变的温度大约为一亿摄氏度…想要一瞬间达到这样的温度是容易的,但问题是如何同时保证一个不是特别短的能量约束时间呢?显然普通的炉子壁是行不通的,因为任何一种固体材料都无法经受住一亿摄氏度高温等离子体的轰击。为此,一种最主流的解决方案就是使用磁场来约束内部的等离子体,托卡马克就是其中一种设计。托卡马克是一个轮胎的形状,磁场方向见图2的黑色箭头,这种磁场方向的设计保证了最基本的等离子体稳定性。然而,磁场并不像炉子壁那么听话,等离子体在高温情况下即使有磁场约束也仍然会产生各种各样的不稳定性,导致系统很难维持和控制,这也就是半个世纪以来受控核聚变研究方向的人们正在努力搞定的事情。

公众可能很容易对受控核聚变有一个印象,似乎是好几十年了也做不出什么来。有一种说法是:1950年代,科学家说,50年后人类就可以用上聚变能了;2000年代,科学家说,50年后人类就可以用上聚变能了;现在科学家仍然在说50年后就可以了...其实,受控核聚变在过去几十年间的进展也是稳步提高的。实际上几十年前托卡马克上就有聚变能释放出来,但是能量输出还小于能量输入。1997年JET装置上实现了能量增益(输出与输入能量之比)为0.7;1998年JT-60装置宣称能量增益已经达到1.25,但是其实那是拿氘-氘反应间接推算出来的并不是真正的氘氚聚变。目前正在建设当中的ITER装置(国际热核聚变实验反应堆)目标是能量增益为10,预计可以在2027年建设、测试完毕开始做氘氚聚变实验。因此钢铁侠公司里的大号方舟反应堆并非遥不可及,也许10几年后世界上就真的有这样的装置存在了!

另外一个有意思的问题是,钢铁侠自己身上那个小型的方舟反应堆容易实现吗,离现实有多远?目前我们在托卡马克装置上所积累的经验告诉我们,小型化装置的情况并不乐观。通过几十年间制造出的上百个托卡马克的数据,人们总结出来了一个能量约束时间满足的经验规律:

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其中等式左边表示的是能量约束时间,R是托卡马克的大半径,可见半径越大能量约束性能越好。因此想要把装置尺寸缩小几个数量级还能让聚变发生是个相当困难的事情,这也就是为什么越新越好的托卡马克就做的越大,为了达到聚变发生条件不得不如此啊…公式里还有其他几项,例如电流I、密度n、磁场B等,可以通过提高这些量来实现小型化托卡马克吗?问题是,电流I、密度n越大,托卡马克内部的等离子体不稳定性越强,电流太大则整个燃料可能完全失去约束然后炸坏装置。磁场B如果可以增大倒是最好不过了,可是臣妾做不到啊!现在人类能实现的最大稳态磁场也就是10特斯拉这个数量级,ITER装置已经设计用这最大的磁场来做了,而其尺寸还必须得做成10米高那么大。。。因此钢铁侠如果想要真的做出来一个如此小型的托卡马克的话,他一定是发现了什么不得了的物理突破,当今世界上还从未有人发现过!不过鉴于等离子体理论研究的不给力现况,全新的物理现象的发现完全是有可能的,比如说80年代就在实验上首先发现了所谓的H-mode(高约束模式),一下子把聚变难度降低了不少。所以说钢铁侠如果是个物理实验狂人,搞出来这种新突破也不是不可能呢!

《钢铁侠》作为一个超级英雄科幻电影,距离现实却并非遥不可及,这也是我最喜欢它的地方之一吧。

//原载于 知道日报 《“钢铁侠”真能造出来吗?



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  1. 对于外行人来说,对受控核聚变解释的很清楚,可对于你们内行来说,这些只能算是常识,请问你在受控核聚变上做出了什么真正的贡献没有,无论如何微小都算?

  2. 其实钢铁侠即使解决了能源问题,他穿着一身盔甲飞来飞去本来就不现实吧,盔甲里空间非常有限,在高速运动状态下急停的话根本没办法保护里面的人。

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