核工程师看《流浪地球 2》：三千核弹炸毁月球？办不到！
2023-1-29 21:0:26 Author: 爱范儿(查看原文) 阅读量:16 收藏
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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。
《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。
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。
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
《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。
《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。
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。
《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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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
封面图来源：《流浪地球2》电影剧照

文章来源: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjgzMTAwODI0MA==&mid=2652227974&idx=1&sn=f53ee8c87e91452b2db18798e28e410d&chksm=9b635f19ac14d60f39faa84a24d1e5144de74c9790435b3f72b1d59cdadd25cee3b69fb64b4f#rd
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