「鋼鐵俠」真能造出來嗎？

不靠天賦異稟的超能力，不靠飛來橫禍的基因突變，鋼鐵俠Tony Stark僅憑科技的力量：一身炫酷的機甲就拯救了世界，贏得了無數粉絲。鋼鐵俠的一身機甲究竟距離現實有多遠？其實，防禦、武器系統是很常規的事情不必多說；智能對話系統Javis也已經有了現實版：Siri和Google Now；飛行推進系統也有現實中的對應版本：離子推力器；而唯有最核心最重要的能源系統，方舟反應堆（Arc Reactor），現實中從未有人真正實現過。方舟反應堆究竟是何物？現實中的人類距離實現有多遙遠？

鋼鐵俠的方舟反應堆，不需要補充煤炭汽油等燃料，不需要放射性重金屬也不需要光照，而且提供的能量密度高得驚人，這樣的能源在世界上有且僅有一種：受控核聚變。聚變的原材料是氘和氚，如果技術發展的足夠好那麼只用氘也可以，而氘在自然界中極其豐富：水中就有足夠的氘！因此我們可以推測，鋼鐵俠利用身體中的水作為原料，用小型離心機分離出氘，然後供給方舟反應堆用來聚變以獲得能源的。

方舟反應堆的具體實現方式是什麼呢？我們先看兩張圖：

圖1

圖2（來自 https://www.euro-fusion.org/2011/09/tokamak-principle-2）

圖1是《鋼鐵俠1》中方舟反應堆的大號原型截圖，圖2則是現實中真正的受控核聚變方案之一：托卡馬克（Tokamak）的設計圖。相似度99%有木有！可見，鋼鐵俠的方舟反應堆，正是根據現實中的托卡馬克改編而來。下面就先收收腦洞，談談現實中的托卡馬克的現況。

受控核聚變之所以困難，是因為早在半個世紀前，人們就從物理上得到了一個聚變能量輸出大於輸入的條件，勞森判據：溫度、密度與能量約束時間這三者之積，必須大於一個特定的數值。通過生爐子的類比可以更容易的理解這一條件：想要讓爐子持續燃燒給我們供暖，那麼必須要首先用高溫的火苗去點燃，其次要有足夠的燃料在爐子里以燃燒，最後就是爐子要有壁否則熱量太快就散失掉了爐子就被熄滅了。根據氘氚的特性，最適合聚變的溫度大約為一億攝氏度…想要一瞬間達到這樣的溫度是容易的，但問題是如何同時保證一個不是特別短的能量約束時間呢？顯然普通的爐子壁是行不通的，因為任何一種固體材料都無法經受住一億攝氏度高溫等離子體的轟擊。為此，一種最主流的解決方案就是使用磁場來約束內部的等離子體，托卡馬克就是其中一種設計。托卡馬克是一個輪胎的形狀，磁場方向見圖2的黑色箭頭，這種磁場方向的設計保證了最基本的等離子體穩定性。然而，磁場並不像爐子壁那麼聽話，等離子體在高溫情況下即使有磁場約束也仍然會產生各種各樣的不穩定性，導致系統很難維持和控制，這也就是半個世紀以來受控核聚變研究方向的人們正在努力搞定的事情。

公眾可能很容易對受控核聚變有一個印象，似乎是好幾十年了也做不出什麼來。有一種說法是：1950年代，科學家說，50年後人類就可以用上聚變能了；2000年代，科學家說，50年後人類就可以用上聚變能了；現在科學家仍然在說50年後就可以了...其實，受控核聚變在過去幾十年間的進展也是穩步提高的。實際上幾十年前托卡馬克上就有聚變能釋放出來，但是能量輸出還小於能量輸入。1997年JET裝置上實現了能量增益（輸出與輸入能量之比）為0.7；1998年JT-60裝置宣稱能量增益已經達到1.25，但是其實那是拿氘-氘反應間接推算出來的並不是真正的氘氚聚變。目前正在建設當中的ITER裝置（國際熱核聚變實驗反應堆）目標是能量增益為10，預計可以在2027年建設、測試完畢開始做氘氚聚變實驗。因此鋼鐵俠公司里的大號方舟反應堆並非遙不可及，也許10幾年後世界上就真的有這樣的裝置存在了！

另外一個有意思的問題是，鋼鐵俠自己身上那個小型的方舟反應堆容易實現嗎，離現實有多遠？目前我們在托卡馬克裝置上所積累的經驗告訴我們，小型化裝置的情況並不樂觀。通過幾十年間製造出的上百個托卡馬克的數據，人們總結出來了一個能量約束時間滿足的經驗規律：

其中等式左邊表示的是能量約束時間，R是托卡馬克的大半徑，可見半徑越大能量約束性能越好。因此想要把裝置尺寸縮小几個數量級還能讓聚變發生是個相當困難的事情，這也就是為什麼越新越好的托卡馬克就做的越大，為了達到聚變發生條件不得不如此啊…公式里還有其他幾項，例如電流I、密度n、磁場B等，可以通過提高這些量來實現小型化托卡馬克嗎？問題是，電流I、密度n越大，托卡馬克內部的等離子體不穩定性越強，電流太大則整個燃料可能完全失去約束然後炸壞裝置。磁場B如果可以增大倒是最好不過了，可是還是做不到啊！現在人類能實現的最大穩態磁場也就是10特斯拉這個數量級，ITER裝置已經設計用這最大的磁場來做了，而其尺寸還必須得做成10米高那麼大。。。因此鋼鐵俠如果想要真的做出來一個如此小型的托卡馬克的話，他一定是發現了什麼不得了的物理突破，當今世界上還從未有人發現過！不過鑒於等離子體理論研究的不給力現況，全新的物理現象的發現完全是有可能的，比如說80年代就在實驗上首先發現了所謂的H-mode（高約束模式），一下子把聚變難度降低了不少。所以說鋼鐵俠如果是個物理實驗狂人，搞出來這種新突破也不是不可能呢！

《鋼鐵俠》作為一個超級英雄科幻電影，距離現實卻並非遙不可及，這也是我最喜歡它的地方之一吧。

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