核工程師看《流浪地球2》：三千核彈是炸不毀月球的
本文來自微信公眾號：果殼 （ID：Guokr42），作者：人馬座A，編輯：Steed，原文標題：《核工程師看：三千核彈炸燬月球？辦不到！》，頭圖來自：《流浪地球2》
有一説一，《流浪地球2》拍得是真好，在史詩般的敍事和中國式的正能量面前，漫威滅霸打響指那一套頓時顯得過於小兒科、索然無味了。
不過，喜歡歸喜歡，既然好話都讓你們給説了，作為一名核工程師，咱再錦上添花也沒啥意思，只好拿上放大鏡吹毛求疵一下，挑挑它的“小毛病”。
（友情提示，以下內容涉及輕微劇透。）
《流浪地球2》裏的核聚變
有沒有發現大劉很喜歡核聚變？《流浪地球2》的主要設定幾乎都與核聚變有關：
太陽氦閃就是一種核聚變；
用來推走地球的行星發動機，靠得也是重核聚變，才能產生150萬億噸的推力，大到只有亞歐大陸和美洲大陸才能承受；
後來在月球上引爆的3614枚核彈，有不少是核聚變原理的氫彈；
關鍵是，這些核彈還引發了月球核心的聚變，炸碎了月球，從而拯救了人類！
核聚變是多個較輕的原子核結合成一個較重原子核的過程。
比如，太陽上的核聚變，就可以籠統地認為是四個氫原子核聚變成一個氦4原子核（由兩個質子和兩個中子構成）。
由於氦4原子核的質量比四個氫核加起來更輕，虧損的質量轉化成了能量，所以太陽內部的核聚變能夠釋放出巨大的能量，使太陽持續不斷地發出光和熱。
至於後來的氦閃，則是三個氦4聚變成一個碳12原子核。
核彈中的氫彈以及可控核聚變裝置裏發生的則是氘氚聚變。氘氚也屬於氫元素，但氘核是一個質子加一箇中子，氚核是一個質子加兩個中子。
氘氚聚變會形成一個氦4和一箇中子，同樣可以釋放出超級多的能量，所以氫彈爆炸的威力特別大，遠遠超過了原子彈。
在《流浪地球2》這一大波核聚變中，最靠譜的當屬人類製造的那3000多枚核彈，是真的能爆炸，貨真價實，童叟無欺。
而行星發動機的重核聚變和更驚人的月核聚變，用一句話來形容就是：把上帝搬來也難做到！
好吧，相信很多人會認為我的腦子被智子給鎖死了（現在《三體》電視劇也很火），但在當下的物理規律下，我只能得出這麼個結論。
行星發動機
先來説説那12000座無比壯觀的行星發動機，如果沒有它，地球就無法啓程去流浪。
行星發動機應該是有史以來科幻小説中描述過的最強大的發動機了。大劉能想象出這個東西，電影能把它拍得讓人信服，筆者真的是很佩服！
而在科學原理方面，行星發動機基本上也能説得通。行星發動機燃料用的是石頭，石頭裏佔大頭的成分是硅，硅原子核可以通過聚變生成鐵原子核，同時釋放出能量。
那位看官問，為什麼不用氘氚或者氫來當燃料？這些都可以從海水裏提取。原因是行星發動機的消耗量太大，地球上的海水都不夠燒的…… 所以，還是石頭好，遍地都是，取之不盡，用之不竭。
原著小説裏沒有細説行星發動機的結構，只提到它的高度達到了11公里，底部直徑達50公里。一輛輛卡車從進料口將石頭倒進去，發動機頂上的噴口會向上噴出巨大的等離子噴流。
電影《流浪地球》和《流浪地球2》卻在銀幕上再現了這些巨大的發動機，而且細節滿滿。筆者推測，行星發動機應該源自現在的磁約束可控核聚變裝置，即托克馬克。
即使是門檻較低的氘氚聚變，也需要苛刻的條件。這是因為原子核都帶正電，而想要引發聚變，需要讓它們靠近到10-15米的距離，比一根頭髮絲兒的千億分之一還要小。正所謂同性相斥，原子核所帶的電荷會在這麼短的距離上產生巨大的排斥力。
要想克服這種排斥力，需要極高的温度才行。在地球上實現氘氚聚變，需要大約1億℃的高温，甚至比太陽中心還要高。
太陽中心温度僅1500萬℃左右，它能實現聚變是因為核心的壓力特別高，質量還特別大，即使温度低導致聚變發生概率低，但其巨大的質量使得聚變總功率依舊很大。
在1億℃的高温下，沒有哪種物質還能保持固態，都變成了等離子體，也沒有哪種材料製成的容器能夠裝下這些等離子體，所以需要用磁場來約束，不讓等離子體直接接觸容器壁。
托克馬克裝置就將等離子體約束在環形的真空室內進行聚變。目前正在建設的國際熱核試驗堆ITER就是一個托克馬克，能夠實現聚變產生能量是輸入能量的10倍，但現在還沒有哪個可控核聚變裝置能實現核聚變能量的持續輸出。
假如行星發動機實現了持續而可控的硅核聚變，還需要克服一大難題，即如何把能量轉化為等離子噴流的動量。
現在的托克馬克裝置真空室內的燃料密度很低，即使温度達到上億度，壓力也不高，目前最高的也只有2.05個大氣壓。就這點兒壓力，想要產生行星發動機那樣的高速噴流，是不可能的。
所以行星發動機必須要實現極大密度和極高壓力下的核聚變，要想控制這樣的高密度等離子體，需要超乎想象的強大磁場，還不能讓進料和噴流破壞等離子體的穩定性。這個難度，以現有的科技能力是想都不敢想的，也許未來的人類能夠做到。
但這種硅核聚變，真的能在地球上實現嗎？
重核聚變
考慮到行星發動機燒的是石頭，也就是硅原子核的聚變，這種比較重的原子核聚變，要比氘氚聚變的條件更加苛刻，因為原子序數越大，攜帶的電荷越大，排斥力也就越強。
在太陽內部1500萬℃就可以發生氫核聚變，甚至還可以更低，但要發生氦閃，也就是從三個氦4聚變成一個碳12，則需要1億~2億℃，還得像恆星晚年那樣積累大量的氦4才行。
對於現實中的太陽來説，這一條件至少還需要幾十億年才能達成，所以不用擔心會像《流浪地球》的設定那樣，100年內就迎來太陽氦閃危機。
而要發生兩個硅原子核（14個質子+14箇中子）的聚變，電荷之間的排斥力要比氦聚變大得多，可以想象會有多難。
比硅的原子序數小得多的兩個氧原子核（8個質子+8箇中子）直接聚變，需要15億℃的高温和每立方米1000萬噸的高密度才行。
要實現兩個硅原子核的聚變需要多高的條件，這方面的文獻較少，有文章説需要30億℃，倒是一種合理的推測。
因此就算是在恆星內部，從硅原子核再向更重核的聚變也不是簡單地把兩個硅核加起來，而是要不斷地吸收氦4原子核，每吸收一次增加2個原子序數，一共進行7次加法，才能聚變到鎳56原子核。這個原子核很不穩定，會很快衰變成鈷56，再衰變成穩定的鐵56（26個質子+30箇中子）。
但這樣的過程我們的太陽是實現不了的，需要質量超過太陽8倍的恆星，才能最終產生鐵56。
也就是説，《流浪地球》中的行星發動機，需要模擬比太陽還要大幾倍的大質量恆星內部環境，才有可能燃燒“石頭”，實現硅的聚變。但問題是，地球上沒有那麼多氦，氦氣資源一直很稀缺的，可不像石頭那麼好找。
所以，行星發動機必須得實現15億~30億℃的高温和難以想象的高密度，使硅原子核和氧、鎂，或者它自身去聚變。
這個條件，你覺得在地球上能實現嗎？
就算假設它真能實現，接下來還會迎來一盆冷水，那就是——從硅聚變成鐵，並不能釋放出很多能量！
這是因為，原子核的比結合能不同。
比結合能是把一個原子核完全拆散成核子，平均每個核子需要的能量。比結合能越高，説明原子核越穩定。
從氫或者氘氚聚變成氦4，比結合能增長極快，因此釋放的能量非常多，但從氦4再一路向上聚變到鐵56，比結合能增長很慢，釋放的能量很有限。
為了這部分有限的能量去實現大質量恆星核心處那樣的極端條件，就算真能夠做到，恐怕也得不償失。
核爆月球
説完了“燒石頭”的行星發動機，再來聊聊《流浪地球2》中的炸燬月球。
這個腦洞開得實在是大，令人不得不佩服編劇的想象力，畢竟原著小説中只是推走了月球而沒有把它炸掉。
但要炸碎月球，僅靠3614枚核彈顯然是不夠的。電影中也提到，這些核彈爆炸產生的能量，只有摧毀月球所需能量的10億分之一。因為月球雖然比地球小得多，卻仍然很大，直徑達到3476公里。即使有上萬枚核彈，對月球來説也只是撓撓癢癢，激起一片塵埃而已。
所以電影中的設定是，把這些核彈佈置在一座巨大的環形山中組成陣列，通過精確引爆核彈陣列，引發月球核心的聚變，繼而炸燬月球。
這些核彈只起到一個“扳機”或“引信”的作用，有點兒像氫彈的原理：即用一顆原子彈來充當引信，引發氘氚的聚變。
但氫彈的引爆過程中，原子彈並不是直接靠高温來引發聚變，而是利用爆炸時產生的X射線來壓縮加熱聚變燃料，從而達到核聚變條件。
月球外殼主要也由石頭構成，不利於X射線的傳播，所以筆者推測可能是想用核爆產生的衝擊波，實現對月球中心點的瞬間壓縮，來引發月核聚變。
推理到這兒，一切都還算合理，但接下來就離譜了。因為月球和地球一樣，擁有一個鐵核，即月核的主要成分是鐵56。
前面説過月球的體積並不算小，比冥王星還大，所以它的內部會發生元素的分異。在月球誕生初期，內部物質處於熔融狀態，因此重的物質不斷下沉，輕的物質不斷上浮。由於鐵等金屬類物質比較重，它們會逐漸向中心“下沉”形成金屬內核，主要是鐵，還有少量的硫和鎳。
鐵56在宇宙中的名聲極為響亮，它的比結合能最高，結構比任何其它原子核都要穩定（氫除外）。從鐵56再向上聚變不會再釋放能量，而是需要吸收能量，並且需要難以想象的極端條件——例如，在超新星爆發瞬間大質量恆星外殼向內坍縮撞擊內核時，或者是兩顆中子星合併時。
地球上比鐵原子序數更高的元素，例如金、銀、鈾等，大都是在這種極端條件下形成的。
區區3000多枚核彈，能夠形成這樣的條件嗎？顯然不能！
即使真的陰差陽錯，以特別特別小的概率，使某個點上的一丟丟鐵56發生了聚變，由於這種聚變是吸能反應，也不會產生猛烈的爆炸，核爆衝擊波的能量直接就給吸收了。
有人説，月核聚變也可以看作是超新星爆發，因為超新星爆發前也有鐵核。這種想法是大錯特錯的。
超新星是大質量恆星在壽命末期的一次大爆炸，爆發原因並不是因為鐵核聚變，恰恰是由於大質量恆星把能聚變的東西都燒完了，剩下的鐵核不聚變了，失去了抵抗引力坍縮的力量，在巨大引力作用下，恆星外殼轟然墜落在內部的鐵核上，這才引發了大爆炸。
因此超新星爆發的能量來源是恆星本身的引力勢能，而不是鐵核的聚變。月球這麼小的星球，根本不需要靠聚變去抵抗引力收縮，也就不可能發生超新星爆發。
所以説，想要炸燬月球？就是把這3000多枚核彈交給上帝，他也只能雙手一攤：實在是做不到呀！
話又説回來，《流浪地球2》作為一部科幻電影，就是需要腦洞超大的想象力，科學上有一些不合理的地方在所難免。只要能滿足劇情需要，推動劇情發展，邏輯上講得通就行！
就好像筆者這樣，雖然挑了這麼多毛病，在電影院看電影時仍然興致盎然，看完了還意猶未盡，絕對稱得上是科幻電影的巔峯之作了。
不多説了，這就二刷去了！
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