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Birth of a Martian

Chapter 25 / 46

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Chapter 25

Birth of a Martian

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黎靖对徐若虚和一帮老家伙说,核聚变和核裂变相反,是指由质量轻的原子,在超高温条件下,发生原子核互相聚合作用,生成较重的原子核,并释放出巨大的能量。如氢的同位素氘和氚发生核聚变生成氦,而氦-3可发生核聚变生成碳。早在1933年,核聚变的原理就被提出。到了1939年,鹰国物理学家贝特通过实验证实,把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞,两个原子核发生了融合,形成一个新的原子核——氦原子核、外加一个自由中子,并在这个过程中释放出了17.6兆电子伏的能量。这就是太阳持续45亿年发光发热的原理。1千克氘全部聚变释放的能量相当11000吨煤炭。

核聚变反应的原理很简单,也很好理解,只不过实现起来对于当时的人类技术水准而言,几乎是不可能的。第一步,作为反应体的氚和氘的混合物必须被加热到等离子态——也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚,原子核能自由运动,这时才可能使得原子核发生直接接触,这个时候,需要大约10万摄氏度的温度。第二步,为了克服库仑力,也就是同样带正电荷的原子核之间的斥力,原子核需要以极快的速度运行,得到这个速度,最简单的方法就是——继续加温,使得布朗运动达到一个疯狂的水平。要使原子核达到这种运行状态,需要上亿摄氏度的温度。然后氚的原子核和氘的原子核以极大的速度发生碰撞,产生了新的氦核和新的中子,释放出巨大的能量。经过一段时间后,反应体就不需要外来能源的加热,核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要氦原子核和中子被及时排除,新的氚和氘的混合物被输入到反应体,核聚变就能持续下去,产生的能量一小部分留在反应体内,维持链式反应,大部分可以输出,作为能源来使用。比如可以通过热交换装置输出到反应堆外,驱动汽轮机发电。这就和传统核电站类似。

但这个问题虽然看起来很简单,却有一个关键性的难题,就是你把这个高达上亿摄氏度的反应体放在哪里呢?迄今为止,人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构,更不要说上亿摄氏度了。为了制造出这么一个能让聚变后产生的温度高达上亿摄氏度的等离子体长时间呆的“魔瓶”,几代科学家们曾呕心沥血。这就是为什么一次性使用的氢弹早就制造出来了,过了一百多年后,人类才能有效的从核聚变中获取能量的唯一原因。氢弹是利用***爆炸的能量点燃氘-氚的原子核发生核聚变反应的,是一锤子买卖。

好在人类是很聪明的,不能用化学的方法解决问题,我们就用物理的试验一下。早在二百多年前,两种约束高温反应体的理论就产生了。第一种就是磁力约束法,由于原子核是带正电的,那么我的磁场只要足够强大,你就跑不出去。我建立一个环形的磁场,那么你就只能沿着磁力线的方向,沿着螺旋形运动,跑不出我的范围。而在环形磁场之外的一点距离,我可以建立一个大型的换热装置,然后再使用人类已经很熟悉的方法,把热能转换成电能就是了。前苏联科学家发明的“托卡马克”就是基于这种理论。此后一百多年,世界受控核聚变研究主要集中在这个领域上。已实现工业化应用的核聚变反应堆也是基于这个原理建造的。但这个原理有个缺点,就是装置较大,不合适用来制造炸弹。

另一种是惯性约束。这一方法把几毫克的氘和氚的混合物装入直径约几毫米的小球内,然后从外面均匀射入激光束或粒子束,球面内层因而向内挤压。球内的混合物受到挤压,压力升高,温度也急剧升高,当温度达到需要的点火温度时,球内气体发生爆炸,产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次,并持续不断地进行下去,释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。这一理论的奠基人之一就是二十世纪我国著名科学家王淦昌。惯性约束核聚变的思想很聪明,它实际上就是用很多小型的非受控核聚变实现总体的受控核聚变,它的结构要比磁性约束简单很多,它也是我国一直重点地研究领域。这个原理可以用来制造超级核聚变炸弹。这里的难点是如何使这些小球按要求的时间爆炸。这几十年,我们就是在研究解决这个问题,在借鉴吸收了鹰国的有关技术后,目前已经解决了。

至于制造超级炸弹的原料问题则不难解决。核聚变物质一般选择氢的同位素氘和氚。氘和氚之间的聚变最容易,氘和氘之间的聚变就困难些,氕和氕之间的聚变就更困难了。重核元素也能发生聚变反应,释放的能量也更多,但是以人类目前的科技水平,尚不足以满足其聚变条件。因此人们在考虑聚变时,先考虑氘、氚之间的聚变,后考虑氘、氘之间的聚变。氘的获得不是问题,地球上的海水中每升就含有0.03克氘,所以仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。只需要通过精馏法取得重水,然后再电解重水就能得到氘。但新的问题出现了,仅仅有氘还是不够的,尽管氘-氘反应也是氢核聚变的主要形式,可是在我们人类现有条件下,根本无法控制氘-氘反应,它太猛烈了。这就需要由氚,氚-氘反应的烈度要小很多,它的反应速度仅仅是氘-氘反应的100分之一,而点火温度反倒低得多,很适合人类现有条件下的利用。但氚不同于氘,氚是地球上最稀有的元素之一,由于氚的半衰期只有12或26年,所以自然界中不存在氚。不过氚可以由中子同锂原子作用产生,而锂元素也是世界上最丰富的资源,有2000多亿吨。一方面海水中就包含足够的氯化锂;另一方面,龙国有丰富的碳酸锂矿。锂的2种同位素锂-6和锂-7,在被中子轰击之后,就会裂变,他们的产物都是氚和氦。目前为止人类在重水反应堆中制造氚,用的就是将锂靶件植入反应堆的方法。在聚变反应堆内,氚和氘反应后,除了形成一个氦原子核之外,还有一个多余的中子,并且能量很高。我们只需要在核聚变的反应体之内保持一定比例的锂原子核浓度,那么核聚变产生的中子就会轰击锂核,促使锂核裂变,产生一个新的氚,这个氚则继续参与氚-氘反应,继而产生新的中子,这样链式反应形成了。所以,理论上我们只需要给反应体提供两种原料“氘和锂”,就能实现氘-氚反应,并且维持它的进行。事实上,当年由前苏联制造的第一颗实用型的氢弹,就是采用锂-6和氘的化合物──氘化锂作核燃料的。

听完黎靖的介绍,有人不解的问,既然原料不是问题,那制造一个大的氢弹,或者许多个氢弹就行了,为是么非要搞可控核聚变不可?

黎靖解释说,人类目前根本不可能造出可以炸毁末日星那么大的星球所需要的那么大的氢弹,也造不出运载那个超级大氢弹的飞船。人类可能做到的,是当末日星经过木星时,设法把末日星推上一把,使它能被木星吸引,成为木星的卫星,或掉到木星里面。这样,所要的能量要小得多。但要做到这一点,就需要一个持续时间比较长的推力,而且这个力应该是定向的。氢弹做不到这一点,所以就需要可控核聚变。

又有人问,龙国目前的研究到了那一步了,在世界上是个什么水平,绝不能落在鹰国人的后面。

黎靖说我们处于领先地位,已经可以制造出量子惯性约束可控定向氢弹。而且我们有两台量子对撞机,我们不但在研究锂-氘可控核聚变,而且还在研究可控氦-3核聚变。相对氢的核聚变,氦-3的核聚变更好控制,正好可以用来做量子氢弹运载飞船的动力。而鹰国人这些年的主要精力放在建设火星家园和火星飞船上,对可控核聚变投入较少,已和我们拉开一定的差距。

徐若虚对黎靖的一番讲解与对答很满意,老爷子一高兴,在寿宴上当场就宣布了黎靖与徐蕾的婚事,并要两个年轻人尽快结婚,他还等着抱重孙子。

徐老爷子发了话,黎靖和徐蕾的婚礼很快就举行了。按照老爷子的希望,婚礼是按照中华传统婚礼举行的,一拜天地、二拜高堂、夫妻对拜,搞得是喜庆、热闹而不张扬。

上帝一个盹醒来有点口渴,却见侍者目不转睛的朝下看,便问道:“你看见什么了?难道那些人类又搞出什么新花样?”

侍者忙道:“龙国人在举行婚礼,第一是拜天地。他们咋就不拜您呢?难道他们不知道您是这个宇宙的主宰吗?”

上帝看了使者一眼笑道:“怪不得我做上帝你做侍者,龙国人心里的天就是我啊!看在龙国人这么虔诚的份上,就帮他们一把。”说完朝下吹了口气,然后让侍者倒了杯水,喝完又睡觉去了。

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