方舟反应炉 今天来聊聊方舟反应炉

大概是因为看了蜘蛛侠，这几天晚上又花了很多时间看美国队，钢铁侠，复仇者联盟，雷神，绿巨人，蜘蛛侠，还有很多漫威电影。当然，再看一遍也不会像电影里或者第二次回家的时候那么严重。

在电影里，我很喜欢钢铁侠。

这种爱比漫画里更深，可能是因为RDJ在成为钢铁侠之前是我最喜欢的演员，电影里的钢铁侠有时候很让人心疼。

当然，这里不是说感受，而是说一个大屎靠的东西——方舟反应堆。

大家都很熟悉。这是他维持生命的虚拟设备。也是维持钢甲运转的能源，类似于现实生活中的冷核反应堆。

《钢铁1》中，托尼被恐怖分子袭击后，体内残留了大量弹片，危及生命。虽然伊森尽可能帮他取出一些弹片，但是他的身体里还是有鱼的。为了防止弹片进入重要器官，他安装了一个圆柱形电磁铁，由汽车电池供电，将弹片吸入体内，而不移动到心脏的隔膜。然而，他不得不带着汽车电池四处移动，为了完成他的逃跑计划，他决定在他的工厂里建造一个小型的、仿制的大型电弧发生器来为他吸取弹片。在伊森的帮助下，用1.6克钯建造了一个小型方舟反应堆，能量输出为每秒30亿焦耳。当MARK-1最终建成时，它是用来维持能量输出的，并从恐怖分子手中逃脱。

出于对这件事非同寻常的兴趣，我查了一些资料。当然，最后我觉得我是一脸懵懂的看着它，看完之后更是如此。

关于现实生活中能否建造方舟反应堆，有一条信息。

钢铁侠方舟反应堆不需要补充煤、汽油等燃料、放射性重金属和照明，提供的能量密度高得惊人。世界上只有一种这样的能量:可控核聚变。聚变的原料是氘和氚。如果技术足够发达，只能用氘，自然界氘极其丰富:水中有足够的氘！所以我们可以推测，钢铁侠是以他体内的水为原料，用小型离心机分离氘，然后供给方舟反应堆聚变获得能量。

钢铁侠方舟反应堆改编自真实的托卡马克。

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钢铁侠托尼·斯塔克拯救世界，赢得无数粉丝，只靠科技的力量:一台酷炫的机甲。钢铁侠的机甲离现实还有多远？其实防御和武器系统都是很常规的东西，不用说；智能对话系统Javis也有真实版:Siri和Google Now；飞行推进系统在现实中也有相应的版本:离子推进器；只有核心也是最重要的能源系统——电弧反应堆，在现实中从未实现过。方舟反应堆是什么？人类距离现实中的实现还有多远？

钢铁侠方舟反应堆不需要补充煤、汽油等燃料、放射性重金属和照明，提供的能量密度高得惊人。世界上只有一种这样的能量:可控核聚变。聚变的原料是氘和氚。如果技术足够发达，只能用氘，自然界氘极其丰富:水中有足够的氘！所以我们可以推测，钢铁侠是以他体内的水为原料，用小型离心机分离氘，然后供给方舟反应堆聚变获得能量。

方舟反应堆的具体实现是怎样的？先看两张图:

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图1是钢铁侠1中方舟反应堆的大型原型截图，图2是现实中真正的可控核聚变方案之一托卡马克的设计图。相似度99%！可见钢铁侠方舟反应堆是根据真实的托卡马克改编的。大家闭上脑子，说说现实中托卡马克的现状。

可控核聚变之所以难，是因为早在半个世纪前，人们就在物理上得到了聚变能量输出大于输入的条件。劳森准则:温度、密度和能量约束时间的乘积必须大于一个特定值。这个条件可以通过炉子的类比更容易理解:要想让炉子持续燃烧给我们加热，首先要用高温火焰点燃，其次要有足够的燃料让炉子燃烧，最后炉子必须有墙，否则热量散失太快，炉子就会熄灭。根据氘和氚的特性，最适合聚变的温度约为1亿摄氏度...瞬间达到这个温度很容易，但问题是如何同时保证一个不是特别短的能量约束时间？显然，普通的炉墙是不可行的，因为没有任何固体材料能经受住1亿摄氏度高温等离子体的轰击。为此，最流行的解决方案之一是使用磁场来抑制内部等离子体，托卡马克就是其中的一种设计。托卡马克呈轮胎状，磁场方向如图2中黑色箭头所示。该磁场方向的设计确保了最基本的等离子体稳定性。但是磁场并不像炉壁那么顺从，即使等离子体在高温下受到磁场的约束，仍然会产生各种不稳定性，使得系统难以维持和控制，这也是控制核聚变研究方向的人在过去半个世纪里一直在努力做的事情。

公众很容易对可控核聚变产生印象，似乎几十年都做不了什么。有一句话:20世纪50年代，科学家说50年后，人类可以使用聚变能；2000年代，科学家说50年后，人类可以使用聚变能；现在科学家们仍在说50年后有可能...事实上，在过去的几十年里，可控核聚变的进展一直在稳步改善。事实上，聚变能是几十年前从托卡马克释放出来的，但能量输出小于能量输入。1997年，能量增益为0.7。1998年JT-60声称能量增益达到了1.25，但实际上是从氘-氘反应间接计算出来的，并不是真正的氘-氚聚变。目前正在建造的ITER装置的目标是获得10的能量增益。预计氘氚聚变实验经过建造和测试后，可于2027年开始。所以钢铁侠公司的大型方舟反应堆也不是遥不可及。也许10多年后世界上会有这样的装置！

另一个有趣的问题是，钢铁侠自己的小方舟反应堆容易实现吗，离现实有多远？目前，我们在托卡马克装置上积累的经验告诉我们，小型化装置的情况并不乐观。通过几十年来产生的数百个托卡马克的数据，人们总结出一条能量约束时间满足的经验规律:

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方程左边代表能量约束时间，R是托卡马克的大半径。可见半径越大，能量约束性能越好。因此，要将装置的尺寸缩小几个数量级并实现聚变是相当困难的，这就是为什么托卡马克越新越好，它就越大，所以它必须满足聚变条件...公式中还有其他项目，如电流I、密度N、磁场B等。增加这些量能实现托卡马克小型化吗？问题是电流I和密度N越大，托卡马克中的等离子体不稳定性越强。如果电流过大，整个燃料可能会完全失去约束，然后引爆装置。磁场b能加大最好，但是做不到！目前人类能达到的最大稳态磁场是10特斯拉。ITER装置被设计成使用这个最大磁场，它的尺寸必须高达10米。。。所以钢铁侠如果真的要做这么小的托卡马克，一定是发现了一些不可思议的物理突破，这是世界上从未发现过的！然而，鉴于等离子体理论研究的无效性，完全有可能发现新的物理现象。比如80年代，实验上首次发现所谓的H模，一下子就把聚变难度降低了不少。所以如果钢铁侠是个物理实验狂人，也不是不可能有这个新的突破！

作为一部超级英雄科幻电影，《钢铁侠》离现实很远，这是我最喜欢的地方之一。