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核工程师看《流浪地球2》:三千核弹炸毁月球?办不到!

类别:科技 发布时间:2023-02-04 11:00:00 来源:能源圈

有一说一,《流浪地球2》拍得是真好,在史诗般的叙事和中国式的正能量面前,漫威灭霸打响指那一套顿时显得过于小儿科、索然无味了。

核工程师看《流浪地球2》:三千核弹炸毁月球?办不到!

▲ 《流浪地球2》电影海报

不过,喜欢归喜欢,既然好话都让你们给说了,作为一名核工程师,咱再锦上添花也没啥意思,只好拿上放大镜吹毛求疵一下,挑挑它的“小毛病”。

友情提示,以下内容涉及轻微剧透,还没看过电影的朋友,可以先分享本文到朋友圈,等看完电影后再回来阅读。

《流浪地球2》里的核聚变

有没有发现大刘很喜欢核聚变?《流浪地球2》的主要设定几乎都与核聚变有关:太阳氦闪就是一种核聚变;用来推走地球的行星发动机,靠得也是重核聚变,才能产生150万亿吨的推力,大到只有亚欧大陆和美洲大陆才能承受;后来在月球上引爆的3614枚核弹,有不少是核聚变原理的氢弹;关键是,这些核弹还引发了月球核心的聚变,炸碎了月球,从而拯救了人类!

核聚变是多个较轻的原子核结合成一个较重原子核的过程。

比如,太阳上的核聚变,就可以笼统地认为是四个氢原子核聚变成一个氦4原子核(由两个质子和两个中子构成)。

由于氦4原子核的质量比四个氢核加起来更轻,亏损的质量转化成了能量,所以太阳内部的核聚变能够释放出巨大的能量,使太阳持续不断地发出光和热。

至于后来的氦闪,则是三个氦4聚变成一个碳12原子核。

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▲ 太阳的能量来自于太阳核心发生的核聚变 | 《流浪地球2》预告片截图

核弹中的氢弹以及可控核聚变装置里发生的则是氘氚聚变。氘氚也属于氢元素,但氘核是一个质子加一个中子,氚核是一个质子加两个中子。

氘氚聚变会形成一个氦4和一个中子,同样可以释放出超级多的能量,所以氢弹爆炸的威力特别大,远远超过了原子弹。

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▲氘氚聚变过程,生成一个氦4和一个中子,并释放能量

在《流浪地球2》这一大波核聚变中,最靠谱的当属人类制造的那3000多枚核弹,是真的能爆炸,货真价实,童叟无欺。

而行星发动机的重核聚变和更惊人的月核聚变,用一句话来形容就是:把上帝搬来也难做到!

好吧,相信很多人会认为我的脑子被智子给锁死了(现在《三体》电视剧也很火),但在当下的物理规律下,我只能得出这么个结论。

行星发动机

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▲《流浪地球2》中的行星发动机 | 电影预告片截图

先来说说那12000座无比壮观的行星发动机,如果没有它,地球就无法启程去流浪。

行星发动机应该是有史以来科幻小说中描述过的最强大的发动机了。大刘能想象出这个东西,电影能把它拍得让人信服,笔者真的是很佩服!

而在科学原理方面,行星发动机基本上也能说得通。行星发动机燃料用的是石头,石头里占大头的成分是硅,硅原子核可以通过聚变生成铁原子核,同时释放出能量。

那位看官问,为什么不用氘氚或者氢来当燃料?这些都可以从海水里提取。原因是行星发动机的消耗量太大,地球上的海水都不够烧的…… 所以,还是石头好,遍地都是,取之不尽,用之不竭。

原著小说里没有细说行星发动机的结构,只提到它的高度达到了11公里,底部直径达50公里。一辆辆卡车从进料口将石头倒进去,发动机顶上的喷口会向上喷出巨大的等离子喷流。

电影《流浪地球》和《流浪地球2》却在银幕上再现了这些巨大的发动机,而且细节满满。笔者推测,行星发动机应该源自现在的磁约束可控核聚变装置,即托克马克。

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▲ 《流浪地球2》里建造中的行星发动机 | 电影海报

即使是门槛较低的氘氚聚变,也需要苛刻的条件。这是因为原子核都带正电,而想要引发聚变,需要让它们靠近到10-15米的距离,比一根头发丝儿的千亿分之一还要小。正所谓同性相斥,原子核所带的电荷会在这么短的距离上产生巨大的排斥力。

要想克服这种排斥力,需要极高的温度才行。在地球上实现氘氚聚变,需要大约1亿℃的高温,甚至比太阳中心还要高。

太阳中心温度仅1500万℃左右,它能实现聚变是因为核心的压力特别高,质量还特别大,即使温度低导致聚变发生概率低,但其巨大的质量使得聚变总功率依旧很大。

在1亿℃的高温下,没有哪种物质还能保持固态,都变成了等离子体,也没有哪种材料制成的容器能够装下这些等离子体,所以需要用磁场来约束,不让等离子体直接接触容器壁。

托克马克装置就将等离子体约束在环形的真空室内进行聚变。目前正在建设的国际热核试验堆ITER就是一个托克马克,能够实现聚变产生能量是输入能量的10倍,但现在还没有哪个可控核聚变装置能实现核聚变能量的持续输出。

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▲ 建造中的国际热核试验堆 | ITER

假如行星发动机实现了持续而可控的硅核聚变,还需要克服一大难题,即如何把能量转化为等离子喷流的动量。

现在的托克马克装置真空室内的燃料密度很低,即使温度达到上亿度,压力也不高,目前最高的也只有2.05个大气压。就这点儿压力,想要产生行星发动机那样的高速喷流,是不可能的。

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▲ 《流浪地球2》电影海报

所以行星发动机必须要实现极大密度和极高压力下的核聚变,要想控制这样的高密度等离子体,需要超乎想象的强大磁场,还不能让进料和喷流破坏等离子体的稳定性。这个难度,以现有的科技能力是想都不敢想的,也许未来的人类能够做到。

但这种硅核聚变,真的能在地球上实现吗?

重核聚变

考虑到行星发动机烧的是石头,也就是硅原子核的聚变,这种比较重的原子核聚变,要比氘氚聚变的条件更加苛刻,因为原子序数越大,携带的电荷越大,排斥力也就越强。

在太阳内部1500万℃就可以发生氢核聚变,甚至还可以更低,但要发生氦闪,也就是从三个氦4聚变成一个碳12,则需要1亿~2亿℃,还得像恒星晚年那样积累大量的氦4才行。

对于现实中的太阳来说,这一条件至少还需要几十亿年才能达成,所以不用担心会像《流浪地球》的设定那样,100年内就迎来太阳氦闪危机。

而要发生两个硅原子核(14个质子+14个中子)的聚变,电荷之间的排斥力要比氦聚变大得多,可以想象会有多难。

比硅的原子序数小得多的两个氧原子核(8个质子+8个中子)直接聚变,需要15亿℃的高温和每立方米1000万吨的高密度才行。

要实现两个硅原子核的聚变需要多高的条件,这方面的文献较少,有文章说需要30亿℃,倒是一种合理的推测。

因此就算是在恒星内部,从硅原子核再向更重核的聚变也不是简单地把两个硅核加起来,而是要不断地吸收氦4原子核,每吸收一次增加2个原子序数,一共进行7次加法,才能聚变到镍56原子核。这个原子核很不稳定,会很快衰变成钴56,再衰变成稳定的铁56(26个质子+30个中子)。

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▲ 大质量恒星内部聚变形成铁56的过程

但这样的过程我们的太阳是实现不了的,需要质量超过太阳8倍的恒星,才能最终产生铁56。

也就是说,流浪地球中的行星发动机,需要模拟比太阳还要大几倍的大质量恒星内部环境,才有可能燃烧“石头”,实现硅的聚变。但问题是,地球上没有那么多氦,氦气资源一直很稀缺的,可不像石头那么好找。

所以,行星发动机必须得实现15亿~30亿℃的高温和难以想象的高密度,使硅原子核和氧、镁,或者它自身去聚变。

这个条件,你觉得在地球上能实现吗?

就算假设它真能实现,接下来还会迎来一盆冷水,那就是——从硅聚变成铁,并不能释放出很多能量!

这是因为,原子核的比结合能不同。

比结合能是把一个原子核完全拆散成核子,平均每个核子需要的能量。比结合能越高,说明原子核越稳定。

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▲不同原子核的比结合能

从氢或者氘氚聚变成氦4,比结合能增长极快,因此释放的能量非常多,但从氦4再一路向上聚变到铁56,比结合能增长很慢,释放的能量很有限。

为了这部分有限的能量去实现大质量恒星核心处那样的极端条件,就算真能够做到,恐怕也得不偿失。

核爆月球

说完了“烧石头”的行星发动机,再来聊聊《流浪地球2》中的炸毁月球。

这个脑洞开得实在是大,令人不得不佩服编剧的想象力,毕竟原著小说中只是推走了月球而没有把它炸掉。

但要炸碎月球,仅靠3614枚核弹显然是不够的。电影中也提到,这些核弹爆炸产生的能量,只有摧毁月球所需能量的10亿分之一。因为月球虽然比地球小得多,却仍然很大,直径达到3476公里。即使有上万枚核弹,对月球来说也只是挠挠痒痒,激起一片尘埃而已。

所以电影中的设定是,把这些核弹布置在一座巨大的环形山中组成阵列,通过精确引爆核弹阵列,引发月球核心的聚变,继而炸毁月球。

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▲ 引爆月球 | 《流浪地球2》预告片截图

这些核弹只起到一个“扳机”或“引信”的作用,有点儿像氢弹的原理:即用一颗原子弹来充当引信,引发氘氚的聚变。

但氢弹的引爆过程中,原子弹并不是直接靠高温来引发聚变,而是利用爆炸时产生的X射线来压缩加热聚变燃料,从而达到核聚变条件。

月球外壳主要也由石头构成,不利于X射线的传播,所以笔者推测可能是想用核爆产生的冲击波,实现对月球中心点的瞬间压缩,来引发月核聚变。

推理到这儿,一切都还算合理,但接下来就离谱了。因为月球和地球一样,拥有一个铁核,即月核的主要成分是铁56。

前面说过月球的体积并不算小,比冥王星还大,所以它的内部会发生元素的分异。在月球诞生初期,内部物质处于熔融状态,因此重的物质不断下沉,轻的物质不断上浮。由于铁等金属类物质比较重,它们会逐渐向中心“下沉”形成金属内核,主要是铁,还有少量的硫和镍。

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▲ 月球内部结构

铁56在宇宙中的名声极为响亮,它的比结合能最高,结构比任何其它原子核都要稳定(氢除外)。从铁56再向上聚变不会再释放能量,而是需要吸收能量,并且需要难以想象的极端条件——例如,在超新星爆发瞬间大质量恒星外壳向内坍缩撞击内核时,或者是两颗中子星合并时。

地球上比铁原子序数更高的元素,例如金、银、铀等,大都是在这种极端条件下形成的。

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▲中子星合并瞬间示意图 | University of Warwick/Mark Garlick

区区3000多枚核弹,能够形成这样的条件吗?显然不能!

即使真的阴差阳错,以特别特别小的概率,使某个点上的一丢丢铁56发生了聚变,由于这种聚变是吸能反应,也不会产生猛烈的爆炸,核爆冲击波的能量直接就给吸收了。

有人说,月核聚变也可以看作是超新星爆发,因为超新星爆发前也有铁核。这种想法是大错特错的。

超新星是大质量恒星在寿命末期的一次大爆炸,爆发原因并不是因为铁核聚变,恰恰是由于大质量恒星把能聚变的东西都烧完了,剩下的铁核不聚变了,失去了抵抗引力坍缩的力量,在巨大引力作用下,恒星外壳轰然坠落在内部的铁核上,这才引发了大爆炸。

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▲超新星爆发示意图

因此超新星爆发的能量来源是恒星本身的引力势能,而不是铁核的聚变。月球这么小的星球,根本不需要靠聚变去抵抗引力收缩,也就不可能发生超新星爆发。

所以说,想要炸毁月球?就是把这3000多枚核弹交给上帝,他也只能双手一摊:实在是做不到呀!

话又说回来,《流浪地球2》作为一部科幻电影,就是需要脑洞超大的想象力,科学上有一些不合理的地方在所难免。只要能满足剧情需要,推动剧情发展,逻辑上讲得通就行!

就好像笔者这样,虽然挑了这么多毛病,在电影院看电影时仍然兴致盎然,看完了还意犹未尽,绝对称得上是科幻电影的巅峰之作了。

不多说了,这就二刷去了!

作者:人马座A

编辑:Steed

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