地球靠什么能源“流浪”？可控核聚变了解一下

　　【《流浪地球》中的“硬核”军事科技】

　　编者按：

　　行星发动机、重元素核聚变、单兵机械骨骼、加特林机枪……近日，正在热映中的国产科幻电影《流浪地球》不仅让科幻圈为之疯狂，也在军迷圈掀起波澜。即日起，《科普中国-军事科技前沿》推出系列作品，解读《流浪地球》中的“硬核”军事科技，欢迎关注。

　　在军事领域，核动力舰船、核弹等核能应用为现代军事斗争带来实质性改变，这些改变都来自于核聚变理论和应用实践。

　　以往谈起中国科幻片，人们首先想到的是经不起推敲的剧情和五毛特效。近期，一部名为《流浪地球》的科幻电影让我们看到中国科幻片的曙光，具有里程碑式的意义。

　　该影片的故事背景设立在遥远的未来，人类赖以生存的太阳极速老化，即将进入红巨星的膨胀阶段，地球将被膨胀的太阳大气所淹没。在人类命运即将面临存亡的关头，人类联合政府做出了一项决定，集合人类所有力量在地球表面建造1万个行星推进器装，将地球推离现有轨道，去寻找新家园——距离我们4.2光年的比邻星。

　　在茫茫的宇宙中，人类和地球犹如大海中的一叶扁舟在孤独地流浪，同时也将面临着重重的危机……

　　影片《流浪地球》的巨大成功，除了一流的画面和剧本之外，自然少不了很多建立在物理学基础上的设定，将科学与幻想完美地结合在一起。

　　比如整部电影对于天文、地理、物理、机械等方面有着丰富的表现，让人不自觉地产生一种真实感和代入感。以至于看完整部电影不经让人联想：人类的未来究竟会怎样？如果人类真的失去太阳，我们需要依靠什么去流浪呢？

　　一、地球注定流浪

　　太阳发光发热，为地球源源不断地输送能量，是因为它内部时时刻刻发生着核聚变反应。大约70亿年之后，太阳会耗尽其氢燃料，并开始停止氦的熄灭。这个进程会让太阳收缩成一个宏大的红巨星。收缩的太阳放出的热量会将地球和火星彻底烤焦，甚至让地球蒸发。因此地球需要脱离太阳系，开启流浪模式，寻找新的居所。

　　按照小说设定，从地球到比邻星这是一场长达2500年、需要100代人才能完成的恢弘计划。它分为了五个阶段：(1)刹车阶段：凭借赤道上“行星发动机”的巨大推力，使地球停止自转；(2)逃逸阶段：全功率开启行星发动机，使地球加速驶出太阳系；(3)先流浪阶段：利用太阳和木星完成最后的加速，驶向人类选定的新家园“半人马座比邻星”；(4)后流浪阶段：驶出太阳后，行星发动机全功率开启，利用500年的时间将地球加速到光速的千分之五，然后滑行1300年；调转发动机，利用700年进行减速；(5)新太阳时代：地球泊入比邻星轨道，成为比邻星的卫星。

　　二、地球流浪的能源希望

　　从整个流浪计划来看，地球在2500年的时间里需要消耗大量的能量，包括加速、减速阶段、行星发动机的耗能以及生活在地下空间所需要的能量。

　　根据当今能量来源，可分类为：化石能源、太阳能、风能、核能、潮汐能以及生物质能等。化石能源包括石油、天然气和煤炭。

　　根据2012年统计结果来看，石油还可用35年，天然气还可用38年、煤炭还可用58年，很显然这远远不能满足地球流浪所需要的能量。

　　当地球逐渐远离太阳，地表温度也会慢慢降低。电影中地球表面的温度已经是零下80摄氏度。所以，太阳能已不可取。风能、生物质能以及潮汐能因为能量太小，同样无法满足地球流浪的能量需要。

　　剩下的核能又如何呢？核能包括裂变能和聚变能，这里介绍一个专业词汇——比结合能。原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，若干个核子结合在一起所释放出的能量或者将原子核的核子全部分散开来所需要的能量，就是结合能。

　　原子核的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。据此：若将若干个比结合能较小的原子核结合成一个结合能较大的原子核，则其所吸收的能量小于释放的能量，这即为产生正能量。

　　这里元素的比结合能图片如下所示：

　　可以看出，铁元素比结合能最大。若将较重的元素裂变出多个元素放出能量，即为裂变；若将两个轻元素结合在一起则会释放出能量，这即为聚变。一般而言，聚变到铁元素即为聚变的终点。

　　聚变能是指小质量的原子核合成一个较大的原子核同时放出能量, 根据著名的爱因斯坦质能公式E=mc2，反应过程中出现的质量亏损转化为巨大的能量释放出来。因此，聚变能可作为支撑“地球流浪”的能量来源。

　　三、地球流浪的能源之路

　　影片中，最引人注目的自然要数重聚变发动机，高度达11公里，比珠峰朗玛峰还高2.2公里。每台发动机能提供150亿吨的推力，而这样的发动机在欧亚大陆和美洲大陆总共有一万多台，共提供150万亿吨的推力。

　　重聚变，顾名思义，就是由重原子进行的核聚变。如前所言，目前人类能做到的，还只是利用氢原子进行的不可控核聚变(氢弹)。

　　而小说和电影中利用岩石为主要燃料进行核聚变，需要更大的温度压强才能实现。

　　地球上岩石的主要成分是“硅”，根据天文学研究，大质量恒星后期的聚变反应就是“重聚变”。从“硅”开始大质量恒星“重聚变”过程是：硅–28 → 硫–32 → 氩–36 → 钙–40 → 钛–44 → 铬–48 → 铁–52 → 镍–56。在这个聚变过程中，释放出大量能量，比氢弹爆炸释放的能量多太多了。

　　核聚变走到铁这一步，就不再释放能量，而是吸收能量。所以重聚变最后产生的废渣就是铁。正是有了重聚变发动机，才能让“流浪地球”计划成功，因为岩石在地球上到处都是，提供了无穷无尽的燃料，也为地下生存的人类提供赖以生存的能源。

　　但是，它们发生核聚变反应的条件太过苛刻，需要的压力和温度是现实生活中很难办到的。

　　轻核聚变能是目前最具发展前景的新兴能源，其主要潜力在于：

　　(1)用于聚变反应的原料极其丰富。核聚变所需的燃料为氢的同位素氘、氚，这两种元素在地球上蕴藏极其丰富。据计算，每升海水中含30毫克的氘，其聚变产生的能量相当于300升汽油所产生的能量。一座100万千瓦的核聚变电站，每年只需消耗304千克的氘。天然存在于海水中的氘约有45亿吨，按目前世界能源的消耗水平，可供人类使用上亿年，可以说是取之不尽用之不竭；

　　(2)聚变能既清洁又安全。目前的核电站是利用原子核裂变产生能量，其主要原料为铀，铀核裂变产生的废料为放射性物质，半衰期长，如果处置不当，将污染环境，威胁人类健康。因此目前关于核裂变产生的废料处理仍是一个世界难题。

　　而核聚变产生的废料为氦气，不具有放射性，因此也就不存在核废料的处理难题。

　　既然聚变有如此之多的好处，堪称人类未来的希望，那么聚变能开发到现在又是何种状况呢？

　　四、世界范围的可控聚变发展情况

　　目前，人类已经实现了核聚变，如氢弹的爆炸，但这属于不可控的核聚变。人类如果要将核聚变的能量真正利用起来，就必须对核聚变的速度和规模进行控制，并将能量持续、平稳的输出。

　　但是，产生可控核聚变的条件非常苛刻。以太阳为例，其核心温度高达1500万摄氏度，另外还需有巨大压力才能产生核聚变，但地球上没有办法获得如此大的压力，只能通过提高温度来弥补。

　　然而，温度必须达到上亿度才行。因此，人们通常又将核聚变装置称为“人造太阳”。

　　由于地球上没有任何一种固体物质能够承受上亿度的高温，因此，目前科学家主要通过两种方式来实现。

　　激光约束(惯性约束)核聚变(如我国的神光计划，美国的国家点火计划都是这种形式)其中一个方案为：在一个直径约为400μm的小球内充以30-100大气压的氘-氚混合气体，让强劲率激光(目前达到1012W，争取1014W)均匀地从四面八方照射小球，使球内氘氚混合体的密度达到液体密度的一千到一万倍，温度达到108K而引起聚变反应。它的特点是反应时间短，能量不能稳定输出。

　　磁约束核聚变(托卡马克、仿星器、磁镜、反向场、球形环等)，这种方式目前被认为是最有前途的，而超导托卡马克是最有希望实现聚变反应的装置之一。其中最为著名的就是国际热核聚变实验堆(ITER)计划，它是当今世界最大的大科学工程国际科技合作计划之一，也是迄今我国参加的规模最大的国际科技合作计划。ITER计划吸引了包括中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等世界主要核国家和科技强国共同参与。它的目标是在法国卡达拉舍建立一个聚变示范堆。

　　目前国际上建有多个热核实验装置，下面主要介绍一下国际最大的ITER装置和属于中国的东方超环EAST装置：

　　1)ITER。“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，通过共同协作已有科技成果，首次建造大规模聚变实验堆，其目标是解决可控核聚变的大量技术难题。

　　2)EAST。EAST全称是Experimental Advanced Superconducting Tokamak(先进实验超导托卡马克)，其目标是针对近堆芯等离子体稳态先进运行模式的科学和工程问题,是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克装置。

　　中国在积极参与ITER计划的同时，国内的东方超环(EAST)计划也取得了极大的进展。2016年l1月，EAST实现了电子温度达到5000万度持续时长102s的等离子体放电。这项新的世界纪录使EAST成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克，也标志着中国在稳态磁约束聚变研究方面继续走在国际前列。

　　但是，目前人类对于核聚变的研究还远未达到商用的级别，聚变能的利用也是其路漫漫修远兮。聚变事业虽然道路远且路途坚，却是人类为了长远发展而必须跨越的一步，毕竟眼前的能源和环境危机已经迫在眉睫，更何况万一有一天我们真的要去流浪呢？

　　划重点

　　核聚变所需的燃料为氢的同位素氘、氚，这两种元素在地球上蕴藏极其丰富。据计算，每升海水中含30毫克的氘，其聚变产生的能量相当于300升汽油所产生的能量。一座100万千瓦的核聚变电站，每年只需消耗304千克的氘。天然存在于海水中的氘约有45亿吨，按目前世界能源的消耗水平，可供人类使用上亿年，可以说是取之不尽用之不竭。

　　作者：

　　秦经刚 中国科学院等离子体物理研究所 研究员

　　毛哲华 中国科学院等离子体物理研究所 博士生

　　代天力 中国科学院等离子体物理研究所 博士生