光炮与死星(6)
死星所需的能量
要制造出像《星球大战》中描述的那种能摧毁整个星球、威震银河系的死星激光炮,我们需要创造出有史以来最具威力的激光。现在,地球上某些最具威力的激光能释放只有在恒星中心才存在的温度。它们或许会在某一天以聚变反应堆的形式在地球上操控恒星所具有的力量。
熔样机(fusion machine)尝试模仿一颗星体最初形成的时候在太空中发生的事情。一颗恒星开始时是一团无确定形状的巨大氢气球体,直到万有引力压缩气体,从而将它加热,温度最终达到天文水平。比如,在一颗星体的内核深处,温度可以猛窜至5 000万至1亿摄氏度之间,热到足以使氢的原子核相互猛烈撞击,制造出氦核子,并造成能量的突然爆发。借助氢成为氦的聚变,少量团块通过爱因斯坦的著名等式E=mc2转变为一颗星体的爆炸能量,成为星体的能量之源。
科学家目前正在尝试的操控地球聚变的方式有两种,它们都已经被证明远比预想中的难以发展。
聚变的惯性约束
第一种方式被称作“惯性约束”(inertial confinement)。它使用地球上最具威力的激光器在实验室里创造出太阳的一角。钕玻璃固体激光器适用于模仿只有星体内核才具有的极端温度,非常理想。这些激光器系统有一个大型工厂大小,包括向一条长长的隧道射出一组平行激光束的激光器,这些高能量激光束随即击中排列在一个球状物周围的一组小镜子上,镜子将激光束细致地统一聚焦到一个微型的、富含大量氢气的小球上(由诸如氘化锂——氢弹的活跃成分之类的材料制成)。小球通常是针头大小,仅重10毫克。
激光的爆炸烧毁小球的表面,导致球表面汽化并压缩小球。当小球被摧毁,一股冲击波产生,直达小球的内核,使温度猛地达到数百万度,足够将氢核聚变为氦核。温度和压力都是天文数字,劳森判据(Lawson’s criterion)得到满足,这就是氢弹和星体的内核中所满足的标准(劳森判据陈述了在氢弹中、星体中或者聚变仪器中引发聚变反应必须达到温度、密度和约束时间的详细范围)。
在惯性约束过程中,巨大的能量被释放,包括中子(氘化锂可以达到1亿摄氏度的温度,以及20倍于铅的密度)。中子随即爆发,从小球中放射出来。中子撞击围绕容器的球形毡垫材料,毡垫被加热。随即,被加热后的毡垫使水沸腾,所产生的蒸汽可用于为一台涡轮机提供动力,并产生电力。
然而,将这样高强度的能量均匀地集中于一个微型小球上是个问题。湿婆激光器(Shiva laser)是首个创造激光聚变的认真尝试,这是一个在加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)制造、于1978年开始运行的20路光束激光器系统(湿婆是有许多手臂的印度女神,是这一激光器系统设计所效仿的对象)。湿婆激光器系统的表现令人失望,但它足以证明激光聚变在技术上可行。湿婆激光器系统后来被能量10倍于它的诺瓦激光器系统(Nova laser)所取代。但诺瓦激光器也未能实现小球的正确点火。不过,它为现在的国家点火装置(National Ignition Facility,NIF)的研究铺平了道路,这一工程于1997年在LLNL开始建设。
NIF应当在2009年投入使用,是一台令人震惊的机器,由一组192路光束组成、拥有700万亿瓦特输出功率(相当于约70万个核电厂集中一次性爆发的能量输出)。它是最尖端的激光器系统,目的是实现富氢小球的完全点火。(批评者还指出了它明显的军事用途,因为它能模仿一颗氢弹的爆炸,或许会使一种新型核武器——纯氢弹[pure fusion bomb]的产生成为可能。纯氢弹不需要铀或者钚原子弹发动聚变程序。)
但即使是拥有地球上最强大的激光器的NIF激光核聚变机器,也无法接近《星球大战》中死星的毁灭性力量。要制造这样一个装置,我们必须留意其他的能量来源。