前情回顧:
《三體》航天考(一):太空電梯、階梯計劃
1、核聚變推進
核聚變火箭發動機
進入三體危機紀元後,為儘早造出核聚變火箭發動機,人類的可控核聚變項目設立了四個研究分支,分別按不同的研究方向進行。在現實中,受控核聚變的常用方式有兩種,對應這兩種方式,工程師提出了兩種核聚變火箭發動機方案,它們各有優劣:
(1)、磁約束聚變發動機
磁約束聚變也叫做持續性聚變,是將核燃料變成數百萬度的高溫等離子體,使原子核活躍到能相互碰撞。由於等離子是帶電的,所以可以用強磁場來束縛它們,否則高溫離子體會熔化任何束縛它們的容器。
《三體2》這樣描述了磁約束聚變發動機試驗失敗的場景:
在人類太空艦隊的發展方向確定為無工質輻射推進後,大功率反應堆開始進行太空實驗。這時地面上的人們常常能看到三萬公裡的高空發出炫目的光芒。這被稱作「核星」的光芒是失控的聚變堆失控產生的。核星爆發並不是聚變堆發生爆炸,只是反應器的外殼被核聚變產生的高溫燒熔了,把聚變核心暴露出來。聚變核心像一個小太陽,地球上最耐高溫的材料在它面前就像蠟一般熔化,所以只能用電磁場來約束它。(《三體2》242頁)
磁約束聚變或許是核能發電的最佳方式,但未必適用於用於太空飛行。要約束住高溫等離子體,必須安裝一個磁場發生裝置。這種裝置由永久磁鐵和電磁線圈組成,體積龐大,重量驚人。這意味著火箭發動機必須造得很大。
大劉的態度很明確:小說中,首次實現可控核聚變發電後,物理學家丁儀對章北海說:「我早就感覺到託卡馬克方式是一條死路,方向對了,突破肯定會產生。」(《三體2》220頁)
這裡的託卡馬克方式就是磁約束聚變。
(2)、慣性約束聚變發動機
慣性約束聚變也被稱作脈衝性聚變,利用雷射或者粒子束來照射核燃料球產生超高溫,生成比磁約束聚變時密度更高的離子體,從而引發聚變反應。
由於此時反應時間非常快,小燃料球自身的慣性就可以維持熱度足夠長的時間來進行反應,所以無需強磁場束縛。
在太空的真空環境中使用粒子束比在地球上具有明顯的優勢,可以不受大氣分子的幹擾。從這一點來說,此方案更為可行。
不過,採用慣性約束還需安裝雷射器或粒子束髮生器,並且需要給它們提供能量。太空飛行器的尺寸、結構與功能也得在現有基礎上有很大提升。雖然如此,此方案很可能比磁約束聚變發動機要輕。
穩定功率輸出的可控核聚變雖然還未實現,但其原理是明確的,障礙只存在與技術領域。假以時日,定能取得突破。
目前的聚變反應堆容器非常大而且重,這使得其並不好用於星際旅行,在未來如磁約束或慣性約束和等離子不穩定性等技術問題解決後,小型的聚變反應堆有可能被設計製造出來。
在探測三體艦隊虛實的「階梯計劃」進行的同時,人類開始研究太陽系防禦事宜。首當其衝的問題就是,用什麼動力推進龐大的太空戰艦?核聚變是當時人類最有可能掌握的高密度能源,該怎樣使用核聚變能呢?
固守化學燃料火箭思路的航天界實力派主張研發工質推進飛船,以核聚變能推動有質量的工質,產生反推力推進飛船。而太空軍則力主研發不需要工質的輻射驅動飛船。
要理解二者的分歧所在,需要考察核火箭的發展歷程。
一種核聚變發動機設計圖