地球上那些库存原子弹,有更好的出路吗? | 目的地Destination

地球上那些库存原子弹,有更好的出路吗?

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早在20世纪初,得知居里夫人提炼出放射性元素镭之后,俄国航天之父齐奥尔科夫斯基就预言:“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。”为了实现齐奥尔科夫斯基的预言,向更遥远的宇宙深处进发,科学家一直都潜心研制一种能长时间高速运行的航天运载工具——核火箭。

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俄国航天之父齐奥尔科夫斯基(Google)

20世纪30年代,物理学家认识到,原子核是由质子和中子组成的,强大的核力把质子和中子紧密地结合在一起。由于核力异常强大,要分裂原子核或把原子核融合到一起是极其困难的。但是,只要能让原子核分裂或结合,就会释放出巨大的能量。这种能量就是核能。有两种方法获取核能:裂变和聚变。质量较大的原子核分裂成质量较小的原子核时会释放出巨大的能量,即核裂变;质量较小的原子核聚合成质量较大的原子核,也会释放出巨大的能量,即核聚变。

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核裂变与核聚变

煤、石油、天然气等矿物燃料燃烧时释放的能量,来自碳、氢、氧的化合反应。一般化学炸药如TNT爆炸时释放的能量,来自化合物的分解反应。无论哪种化学反应,碳、氢、氧、氮等原子核都没有变化,只是各个原子之间的组合状态有了变化。核反应与化学反应则不一样。在核裂变或核聚变反应里,参与反应的原子核都转变成其他原子核,原子也发生了变化。过去,人们把利用核反应产出能量的武器称为原子武器。但实质上是原子核的反应与转变,所以叫核武器更为确切。核武器爆炸时释放的能量,比只采用化学炸药的常规武器要大得多。例如,1千克铀全部裂变释放的能量为8×1013焦耳,比1千克TNT炸药爆炸释放的能量4.19×106焦耳大2000万倍。

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最右侧的蘑菇云是“沙皇炸弹”,它是冷战期间苏联所制造的氢弹,总共制造两枚,其中一枚于1961年10月30日在新地岛试爆,另一枚作为研究与备用。它是人类至今所引爆过所有种类的炸弹中,体积、重量和威力上均为最强大的炸弹,ft代表英尺。(youtube)

自从科学家在1938年发现了核裂变的秘密后,一个毁灭的梦魇就在人类头上挥之不去。由于第二次世界大战的需要,核裂变被首先用于制造威力巨大的核武器——原子弹。广岛与长崎的毁灭加速了战争的结束,新的更大威力的核聚变武器——氢弹——又登上历史舞台,有识之士开始担心人类未来的命运。掌握了如此巨大力量的人类将走上自我毁灭之路还是继续发展下去?科学家通过开发核技术的和平运用给出了自己的答案。

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这是上图左侧两个最小的原子弹:胖子和小男孩,它们是第二次世界大战时美国在日本广岛和长崎投掷的原子弹的名称,作为参照物左侧两个建筑物分别是帝国大厦和世界上最高的建筑迪拜的哈利法塔,ft代表英尺。(youtube)

核火箭的设想最早由美国核科学家乌拉姆提出。其原理是使一颗颗小型原子弹在飞船尾部相继爆炸而产生推力。如果每颗原子弹的爆炸当量为1000吨TNT,估计爆炸50颗原子弹后飞船速度可达12千米/秒。1958年,美国核科学家泰勒在此基础上提出了“猎户座”计划。安装泰勒的设想,每颗原子弹的爆炸当量为2000吨TNT,爆炸50颗这样的原子弹后,飞船的最大速度可达70千米/秒。该计划被用于发射大型载人行星际探索船,可以用125天飞到火星,用3年时间飞到土星。

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猎户座火箭外形的想象图(NASA)

猎户座火箭采用核裂变脉冲推进的方式前进。简单来说,就是用一连串原子弹爆炸来推动飞船。因为原子弹是彼此分开的个体,所以发动机采用脉冲的方式工作,而不是连续运转。类似于汽车发动机,虽然燃烧的最高温度远大于气缸和活塞的熔点,但是发动机仍然保持完好。这是因为气缸内部达到最高温度的时间,同整个循环工作周期相比仅仅是很短的一瞬间。

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猎户座升空的想象图

猎户座计划几乎没有任何明显的技术缺陷。然而,它却有一个最大的弱点,那就是它依赖于原子弹爆炸做动力。当它在大气层内飞行时,必将释放出核辐射尘污染地球环境。这也正是猎户座计划最终没能实现的原因之一。

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代达罗斯和土星五号运载火箭的对比

20世纪70年代,英国星际学会提出了“代达罗斯计划”,计划使用核聚变火箭推进的无人飞船对太阳系以外的恒星系统进行快速探测。根据这个计划,飞到距地球6光年的巴纳德星只需要50年时间。遗憾的是,直到今天,代达罗斯计划所需要的大量核心技术仍是纸上谈兵。可控核聚变尚未达到成熟的地步。

时间进入了21世纪,美国宇航局从2003年初开始研制一种核动力推进无人火星探测器。它采用成熟的可控核裂变技术,加载固体堆芯式核裂变火箭发动机,发射时先用化学燃料火箭将它送入800千米以上的绕地轨道后,核火箭才开始工作,避免了核废料对大气层的污染。核火箭将推动飞船冲出地球引力范围,高速驶向火星。

人类曾经的梦魇,经过几十年的改造,走上了另一条路:就像是曾经参与猎户座计划的科学家戴森说的那,“我们第一次想到如何使用一大堆库存原子弹,但不是用来杀人,而是有更好的出路。我们的目标与信仰,是用那些曾在广岛和长崎沾满血腥的原子弹,为人类敲开一扇通往苍穹的门窗。”

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