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August 28, 2012

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《蝙蝠侠3》漏洞:聚变堆能改造成核弹吗?【剧透慎入】

作者: physixfan

刚刚上映的电影《黑暗骑士崛起》(The Dark Knight Rises)是个相当精彩的电影,唯一美中不足的是,电影里居然有一个物理Bug,这在诺兰的电影中可是极其罕见的。作为一个物理专业聚变方向的学生,我不得不吐槽一下。。。

剧情回顾:清洁能源变身核武器

在电影中,Wayne企业为了未来能源制造了一个聚变反应堆。后来坏人抢走了这个聚变堆,并且威胁科学家把它改造成了一个核弹,以此为武器想要炸掉整个Gotham市。

编剧也许是受了《天使与魔鬼》的启发写出了这样一个情节。《天使与魔鬼》中的炸弹是反物质炸弹,反物质只要一与普通物质接触就一定会释放能量。一旦有恐怖分子故意地破实验装置,获取大量反物质并把它们约束在一个便携的容器里,这的确将变成一个恐怖的武器,并且基本没有办法销毁。

但是!聚变完全是另一回事,类似的事情是绝对不可能在聚变堆中发生的!即使在未来也同样如此!

什么是受控核聚变?

为了解释清楚为什么可以有上面那个结论,先要科普一下受控核聚变的基础知识。因为聚变的材料是氘氚的离子,都带有正电荷,因此想要发生聚变,必须先克服电磁势。为了克服电磁势,氘氚离子就必须带有很高的能量,而且密度足够大。聚变这个专业里有一个术语叫劳森判据:如果想要输出能量大于输入能量,就必须满足温度、密度、能量约束时间这三者的成绩大于一个固定的值。为了达到劳森判据,好的能量约束方式是必不可少的,显然用炉子瓶子这种方式是不可能约束住温度大概在1亿摄氏度左右的等离子体的。以下是几种主要约束方式:

1.磁约束。高中物理中我们就学过,电子、离子在磁场下会打转,而不会自由地逃离磁力线,因此磁场是约束高温等离子体的一个很好的方式。目前有很多种磁约束的装置,比如托卡马克、球形环、纺星器等。

2.惯性约束。惯性约束的核心思想就是利用这些离子的惯性,在他们还来不及散开的时候把温度密度提升到一个可以聚变的水平上。氢弹其实就是惯性约束的一种,但是它不算是受控巨变。原因在于,它为了实现约束,是靠原子弹在外边引爆然后向内挤压的。惯性约束聚变装置一直在努力寻求的,正是取代原子弹,用其他更温和的方式向内挤压。目前主流的方案是靠高功率的激光。

3.引力约束。这个是太阳以及所有恒星的约束方式,地球上就别想了。

4.其他约束。有很多奇怪的人提出过一些奇怪的聚变约束方式,只不过它们都没有取得过什么实质性的进展。。。

 受控聚变装置改成核弹?不可能

看了上边的介绍,想必你至少留下了这么个印象吧:聚变想要发生是十分不容易的事情!这正是受控核聚变不能被做成核弹的原因的基础。

首先,任何受控核聚变装置都是非常大的,不可能像《黑暗骑士崛起》里那样带着到处走。聚变难以点燃的本性就决定着,必须依靠很大的辅助设备去提供能量输入。磁约束的性能是与装置的大小成很直接的正相关的,现在的托卡马克装置一直就是越做越大。惯性约束聚变想要点燃,必须依靠周围几十或者上百个球对称布置的高功率激光。

然后,对于磁约束,燃料的量太少根本不足以炸掉一个城市。目前的托卡马克装置中的等离子体密度只有空气的1/1000左右,可想而知那么小的体积里面只有多点儿燃料了。想要增加燃料的密度以获得更高的能量输出是不可能的。

而对于惯性约束,能量输入的环节是很成问题的。惯性约束对输入能量的功率是有很高要求的,要想获得炸掉一个城市的聚变能量,你输入进去的激光能量也得差不多够炸掉1/10的城市。而在那么小的移动装置里面,怎么可能有那么高能量密度的非核能的储能装置呢?

不过考虑到我们在谈论的是科幻,其实这些都是可以容忍的。最最关键的是这个:鉴于聚变是如此的难以发生,对于任何时代任何形式的受控聚变装置,我们都可以非常容易的炸毁聚变装置而不触发聚变!也就是说即使将来某一天有天才恐怖分子真的把受控核聚变装置改造成了核弹,用以炸毁城市,我们所需要做的唯一一件事就是,随便用枪啊炮啊炸弹啊把那个核弹炸坏了就行了。。。完全不需要怕那会触发聚变!

因此,受控核聚变其实是个非常非常安全的未来能源。至少比现有的核电站(裂变堆)不知道高到哪里去了。

 

//原载于果壳网

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5 Comments Post a comment
  1. Aug 28 2012

    一直想问的反而是反物质怎么存贮的问题……楠道真像《反物质飞船》中所提到的利用磁力?

    Reply
    • Aug 28 2012

      这只是技术问题 原则上什么物理困难...磁场应该就可以

      Reply
    • Aug 28 2012

      这只是技术问题了 原则上没什么物理困难...磁场就可以了

      Reply
  2. Aug 28 2012

    用μ-子到底能不能冷核聚变?

    Reply
    • 真空中的球形鸡
      Aug 30 2012

      冷核聚变基本已经被判死刑了。

      Reply

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