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走,带着“人造太阳”逛太空

时间:2016年11月17日 信息来源:中国科技网-科技日报 点击: 【字体:

中科院合肥物质科学研究院近日宣布,该院承建的“人造太阳”实验装置EAST(全超导托卡马克装置东方超环),获得超过60秒的稳态高约束模等离子体放电。

为了更快、更远地探索宇宙,人类一直对核动力飞船倾注心血。科幻世界中,核动力飞船与太空探索之间更是渊源颇深。今天我们不妨聊聊核动力与太空探索的前世与未来——

“宇宙,人类最后的边疆。”1957年,在苏联第一颗人造卫星升空后,这句话被写在美国白宫发行的宣传册上,也永远地铭刻在人类的太空冒险史上,它代表了人类无穷的想象力和不倦的探索精神。它还被经典科幻影片《星际迷航》用作片头台词,后者将开疆拓土、敢于冒险的美国西部牛仔精神谱写成了一部气势恢宏的太空史诗:“这是星舰‘企业号’的航程。它继续的任务,是去探索未知的新世界,找寻新的生命和新的文明,勇敢地航向前人所未至的领域。”

目前为止,人类仍基本借助化学燃料来发射太空探测器,由于助力太小,最后往往必须利用行星的引力来加速。这无疑限制了飞行航线,也面临耗时长、外部牵制过多等不利因素。因此,上个世纪以来,核动力成为新能源的热门备选项。实际上,早在曼哈顿计划研制首颗原子弹之前,英国科幻小说家赫伯特·乔治·威尔斯便在1914年出版的小说《解放世界》中,首次预言了核武器战争。此后,随着对核能研究的进一步深入,尤其在1938年科学家发现了核裂变的秘密后,核动力便与太空探测结下了不解之缘。

前世:核动力实验的两座高峰

俄罗斯“航天之父”齐奥尔科夫斯基曾预言:“一吨重的火箭只要用一小撮镭,就足以挣断与太阳系的一切引力联系。”上世纪除了“阿波罗登月计划”外,最为著名的事件,莫过于利用核弹爆炸产生的冲击波来推进航行的系列实验,以“猎户座计划”与“代达罗斯计划”为代表。

1955年,美国政府推出一个宏大的核火箭计划即“猎户座计划”。他们设想把推进物和核弹组合在一起,成为一个脉冲单元,那么在原子弹束,或原子弹簇的集中爆炸后,火箭速度可达每秒70千米,假设用它来发射大型星际飞船,飞到火星就只需要125天,耗时3年就能飞到土星。这一宏志在当时雄心勃勃的口号中可见一斑:“1965年到达火星,1970年到达土星”,而1959年的一次小型飞行实验也证明了其可行性。然而,核裂变爆炸必将释放出核辐射尘,过度依赖爆炸性脉冲显然意味着对环境的极大污染。因此,在1963年美苏签订禁止大气层核试验条约之后,“猎户座计划”研究于1965年终止。

时间轴移行至20世纪70年代,核聚变的相对环保性,稍稍解除了核爆带来的环境危机。这使得英国星际学会得以重新回顾“猎户座计划”,并在1973至1978年之间提出“代达罗斯计划”。该计划的推进系统是核聚变脉冲火箭,通过火箭内部的发动机,依靠磁场的限制和导向,向核燃料发射电子束从而产生离子。这将比“猎户座计划”的核裂变更高效、更环保,据此,研究者设想在50年内抵达距离我们6光年之远的巴纳德星。有意思的是,该计划给出了有史以来第一份详细的核动力飞船设计图,旨在论证其可能性。但与“猎户座计划”的实践性品格相反,直到今天,“代达罗斯计划”所需要的大量核心技术仍止于纸上谈兵。但这却毫不妨碍许多科幻创造者从中受到启发。

科幻迷广为知晓“巴萨德冲压发动机”概念,首次出现在美国科幻大师拉里·尼文的系列科幻小说里,《已知宇宙》《环形世界》都用这种核聚变发动机做为主要驱力。《三体》中三体第一舰队也是使用了巴萨德冲压发动机,才能以十分之一光速飞行,而“自然选择”号飞船也拥有最新一代的无工质聚变推进系统,利用核聚变产生的辐射反冲前进。在《星际迷航》系列影片中,一种名为“巴萨德氢收集器”的装置作为“正反物质推进系统”的一部分出现在星舰上,它可以使星舰加速到超光速。经典科幻影片如《异形》《机器人总动员》《冲出宁静号》等,都把核聚变发动机作为星际航行的基础驱动。

未来:“人造太阳”为太空探索加足马力

核能驱动成为未来太空探测的“常规”选项,时间不足百年,但却经历了前所未有的波折。核动力固然高效持久,但在这枚硬币的另一面,核辐射、核污染则意味着巨大的危险。

这与核反应堆的安全问题不同,在核火箭发动机内部,放射性排气射流过于强劲,人类不可能在地球上进行实地测试。暂且不论核辐射泄露将对宇航员健康造成的威胁,回顾历史,因核动力卫星失灵而导致的核污染事件比比皆是:1978年1月,苏联的“宇宙-954”卫星坠落在加拿大,其所携带的核反应堆装置的辐射污染波及大约10万平方公里的土地;1983年,核动力的苏联卫星“宇宙-1402”坠落在南大西洋;2009年,美国“铱-33”通信卫星和已经停止工作的核动力“宇宙-2251”卫星在北西伯利亚上空发生碰撞,产生了极具危险性的太空碎片……这些都是未来核动力航空器的前车之鉴。

鉴于核动力装置存在巨大安全隐患,曾参与“猎户座计划”的物理学家弗里曼-戴森深感不安:“一想到我做的事是在现有(放射性)落尘量上增加百分之一,我(对核火箭)的热情便不由得冷却下来。”而联合国会员大会也在1992年通过了相关决议,严格限制在外太空使用核动力电源。

实际上,相比较而言,核聚变比核裂变的环境友好系数更高,聚变所需材料氘和氚也更为丰富,与太阳帆动力飞船相比,核聚变驱力无异是将“人造太阳”带在了身上。因此,虽然技术难度系数更高,但人们对核聚变动力仍持有较大的期望。《三体Ⅱ》中,首次实现可控核聚变发电后,物理学家丁仪对章北海说:“我早就感觉到托卡马克方式是一条死路,方向对了,突破肯定会产生。”

毋庸置疑,与浩渺无际的太空相比,人类的探索尚处于孩提时代,但我们屡败屡战,表现出坚如磐石的信念和巍巍不屈的气魄。这使人不禁联想,在不到百年前的英国,诗人狄兰·托马斯在父亲病榻前写下的那句诗:“不要温和地走入那个良夜。”诗人怒斥死亡带走了光明,这一沉思又被鬼才导演克里斯托弗·诺兰融入影片《星际穿越》中。这句诗反复被流浪在太空中的人类吟诵,震撼了每一位观影者。它告诉我们:不仅要疯狂地抗拒光的湮灭,而且要承担起制造光的责任。而近日国家大科学工程“人造太阳”实验装置EAST所取得的突破性进展,无疑迈出了重要一步。


(作者:陈 丹)
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