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【學習強國】我們究竟從哪裏獲取能源——談談影片《流浪地球》中的重元素聚變

發布日期:2020年06月28日

 

 

 

2019年被許多科幻愛好者稱爲中國硬核科幻電影元年,一部裏程碑式的科幻電影《流浪地球》橫空出世,爲中國科幻影視打開了一扇全新的大門,而它所帶來的關于科技發展與人類命運複雜糾纏的討論未曾停歇。人們對于自身命運的隱隱擔憂更使目光聚焦在未來之星——重元素聚變。這項技術未來可期嗎?

在涉及到宏大時空觀的作品中,科幻作者對當下的主力能源往往是不滿意的,或者說,人們非常期待顛覆以化學能、電磁能以及核(裂變)能爲主導的當下能源。能源從哪裏來?追根溯源,我們可能去求索的只有物質和時空。從物質中獲取能量,那最好的是可控核聚變,而從空間本身獲取能量,那或許就與引力相關。

當看到劉慈欣寫的“重元素聚變發動機”,我就暗暗揣測,這是作者把期許中的(與引力相關的)重力和核聚變,雜糅並投射出的産物。

重元素聚變是存在于某些天體中的,但該技術能在地球上産生多大真實推力,對板塊、生態和大氣有什麽影響,我覺得這不是有意義的討論方向,正如對于浪漫的“春風拂檻露華濃”,沒有人會從露華有多濃,導致多大PM2.5去做文藝批評一樣,那是牛嚼牡丹。重元素聚變發動機是一個意象,構建這個意象的是人們對掌握引力和時空、掌握可控核聚變的深遠期許。

不得不提的是,小說中聚變發動機的制造進度和技術方案是落後于現實的:我國托克馬克磁約束的可控核聚變技術方向遠遠優于小說中花費漫長時間論證的技術方向,而且按現有時間表驗證聚變堆和工業聚變堆落地,都將遠快于小說進度(國際項目ITER的時間表或許更快些,但很可惜的是該項目實際進展比我國的EAST項目緩慢很多;另外,ITER項目中我國專家的工作也較爲核心)。

科幻落後于現實,這比較罕見,多數時候相反。我認爲這不是劉慈欣幻想的不夠。20年前,我們身邊敢幻想第三艘航母、隱身五代機、矢量發動機的人大概也寥寥無幾,敢預期可控核聚變遙遙領先其他國家的約等于零。在能源領域,劉慈欣20年前所構建的隽永意象,碰撞了20年後科學工程工作者開拓的輝煌現實——工業如詩。

在《流浪地球》影片中,重元素聚變發動機燃燒的“火石”是一種科幻設定,大概是因爲用核聚變燃燒山脈太過驚世駭俗,需要一個居間過渡。火石大概被設定爲需要少量持續的電力維持,以穩定輸出高能量給重元素聚變點火,這樣的材料至少在理論物理領域不太好找。

讓等離子體溫度高到足以發生聚變反應,且聚變輸出能量大于系統損耗,這就完成了點火。當下比較主流的點火方向是在托克馬克環中注入高能等離子體或用某種波(如電磁波、離子波)輸入能量,且實現強約束進一步提高密度和溫度達到點火條件,這是我國和多數大型國際項目的主流方向。在美國和個別歐洲國家,比較時髦的是用高能激光轟擊聚變材料靶點火,這個方向容易達到高溫,但對激光提出的要求很嚴苛且可控性不易滿足,尚在攻關。有些項目中,同樣采用類托克馬克的方法點火,但磁約束裝置不是托克馬克環,而是異形環。這類項目在日本、德國和我國某些地方大學都有,比較考驗裝配精度,但目前進展較慢。

除上述硬核科技的展現外,該影片以更宏大的敘事手法留給我們一個嚴肅的問題:未來,我們真的會帶著地球去流浪嗎?

這很難預言。挪走人類生存的恒星,聽起來匪夷所思,技術上也難以想象,但我願意保持好奇。也許有那麽一天,人們用當代看來更加匪夷所思的方式,把地球挪到另一個更理想的星系,甚至偶爾回來度假考古,這樣的想法也許並不瘋狂。

多年前,當我們面對倉庫大大小小的計算機時,預言未來的計算機核心將微縮成孩子的指甲大小,計算力以億倍爲單位爆發增長,看起來也同樣誇張。工業技術路線是客觀存在的,也是難以預測的,也許後人會感慨我們的眼界還有點低呢!