【废土科学指南】F代表辐射,A代表原子

  热点, 物理

战争,战争永不改变。
世界末日的来临和我们预言的没有多少差异:太多的人,太少的资源。细节已经无关紧要;原因纯粹起自于人。向来如此。
人类之手点燃的原子火花燎尽了原野。群星从天空中掷下烈火的长矛,焰如雨下。大陆被炽炎吞噬,落入沸腾的海水之中。我们的灵魂融入了背景辐射里,覆满大地。寂静的黑暗笼罩整个星球,年复一年。
然而这并非人类历史的最后一页,而只不过是又一部血腥篇章的序幕而已。那些在地下掩蔽所里的人正在等待冬天的结束,那些在地面上幸存的生命正在学习世界的新规则。从旧世界的废墟上,从核毁灭的灰烬中,新的村庄、新的部落、新的社会形态、新的文明体系正在挣扎着爬起,重拾旧日的怨毒或者铸造全新的仇恨。虽然人类已经成功地毁灭了一个世界——可是战争,战争永不改变。

辐射4概念图。来源:Bethesda

《辐射4》(Fallout 4)终于面世了。

十二年前那些为黑岛工作室之死而痛哭流涕的辐射粉丝们,估计没有想到能看见这一天吧。

虽然辐射系列被B社接手之后很多风格都改变了,但最重要的那件事情始终未改——废土。永不改变的战争留下的废土。既是舞台也是演员的废土。沉默地记录下无数故事的废土。继承了从《荒原》到《莱博维茨的赞歌》到《疯狂麦克斯》到《废土》(1988)的美学传统的废土。但当然最重要的,是承载了整个20世纪50年代对原子世界的希望和恐惧的那个废土。

是的,《辐射》系列的世界背景是2077年核战争毁灭世界之后的两百年;但是许多老玩家可能都没有意识到的是,这个世界并非我们的未来。辐射的宇宙早在1947年就和我们分道扬镳,进入了永不结束的原子黄金时代,有着不同的历史、不同的科技发展、甚至不同的物理和生物定律。即便如此,这个时代诞生自现实中的想象——50年代媒体和大众对未来的预想,50年代毫无理由的乐观与濒临毁灭的绝望的交织,50年代人类初窥原子之力时的真实梦境

在这个意义上,《辐射》是真的。因此,讨论它所在的那个世界,也是有真实的意义的。作为这个系列的开篇,本文涉及的是能源问题。

自发衰变核电池:早已熄灭的战前余晖

辐射的世界里,化石燃料在21世纪中叶耗竭。虽然还有少量的水电(胡佛水坝)、太阳能(Helios One)、地热能(13号掩蔽所),但核能已经是毫无疑问的主导能源。不过,在现实社会中发生在电子产品上的微型化进程,在辐射的世界里却发生在了核反应堆上,让核能成为足以取代内燃机和涡轮机的动力源。一个容纳几千人的掩蔽所就可以有自己独立的核电站,一辆汽车可以有单独的核能发动机,甚至连一支高斯步枪都能用微型核电池作为能源,打出它致命的2mm EC子弹。

辐射2中Gecko city的核反应堆,这是战前留下的遗物。如果你足够熟悉战前工程知识,可以好心帮忙,优化它的运行——但会导致这个核电厂变成战略目标,原先和平居住在这里的居民们将被附近的强权势力Vault city强行赶走。欢迎来到废土。图片来源:Fallout 2 截图

但在现实世界的物理定律下,这个场景是不会诞生的。

原子核自发衰变,或者遭到其它粒子击打而裂变时,都会放出热量;核电站的基本原理就是把这些热量用水流带走,转化成水蒸气,推动蒸汽轮机发电。从这一点上讲,核电站和其它传统火电站的“发电”过程并无本质区别——都是在烧锅炉而已,核电站工作人员大概是最高级的锅炉工人。

不过只靠放射性物质自然衰变,效率太低。这也是当然:自发衰变效率太高的,早就衰变完了,哪里会富集成矿等你来用。皮埃尔·居里当年的实验结果是,一块镭的辐射能在一小时之内融化同等质量的一块冰,这虽然也挺了不起,但用来当热能发电机还差些火候

自发衰变目前只有一种可行的使用方式:核电池。我们可以用各种热电转化元件把热量转变成电流,也可以直接利用核反应释放出来的带电粒子制造电流。现实中的核电池有一个关键用途:为太空探测器提供电力——能量密度高,持续时间长,不但供电而且产热,再合适不过了。好奇号火星车使用的就是钚238核电池。

一块因为产热而发红的二氧化钚。图片来源:wikipedia

不过,在废土上这样做有两个问题:

(1)自发衰变是完全不可控制的,所以电源的能量输出也不能做到收放自如。一枚核电池会稳定地在几年到几十年里走完它的有效生命历程,不管电池有没有插在电池槽里。也因此,就算电池的能量密度再高,平均到几十年的尺度之下,它的瞬时功率也很低。这样的电池很适合那些需要常年稳定不间断、但是功率又很低的电源需求,比如给人造卫星和外太空探测器上的电脑供电。可是用这样的电源来开车、发射子弹、供应能量装甲的运行?太难了,并且也不可能出现“打一枪消耗一颗核电池”的情景。

(2)衰变太慢的同位素,功率低到不能用;衰变太快的同位素,又不会有天然矿产。目前实用的核电池,全都是靠人工生产的——从核反应堆废料中提纯那些半衰期在几年到几十年之间的适当同位素。废土上的大战已经过了两百年,战前残余的电池一定早就过期了,拾荒者不可能捡到还能用的;而还在正常运作的核电站也屈指可数,作为核电池的唯一来源肯定控制了废土经济命脉;但这两者都没有发生。

因此,自发衰变并不能支持废土上的军事和经济;看起来,他们一定拥有了某种真正的微型反应堆。

好奇号使用的RTG核电池,能稳定输出110W的电功率长达数年,还附带产热。但用来驱动汽车的话……图片来源: Idaho National Laboratory

裂变:原子时代的遗产

除了自发衰变之外,我们还有裂变:譬如说,一个U-235原子被中子轰击时不但自己裂开放热,还能再放出平均2.4个中子。如果我们让大量U-235集中在一起,每一个新中子都能找到下家,最后指数增长的结果就是核弹。如果让U-235分散开来,设法保证平均每裂变一次只有一个中子能撞击到另一个U-235,而其它中子要么飞走要么被别的原子吸收,让核反应稳定地、平缓地持续下去,就是核反应堆了。

辐射的世界里,那些小型核能源只能是稳定的核反应堆。可是真正的核反应堆要想运行起来,绝不是把一堆核燃料扔到一块就能成的,还需要很多其它条件。

首先要确保新中子确实能被核燃料吸收。中子不带电荷,穿透力相当强,要足够“厚”的核燃料聚在一起才能保证核反应的持续;一个正常的核电站反应堆需要起码几十吨低浓度核燃料,而原子弹里极高纯度的U235也需要一千克左右才能炸得起来。何况新产生的中子速度太快了,不容易被原子核捕获,需要用水或者是石墨作为“减速剂”,让它们的速度慢下来。

其次就是控制中子不要太多。把一堆足够驱动核电站的核燃料堆在一起,不管不问,它们的中子再生率将会大于1,因此链式反应将会慢慢地变快,最后把核燃料熔化成一团高温液体,四处流动,同时释放出各种裂变产物和放射线——不过因为纯度太低,还不能炸开。现实中我们的办法是加入“控制棒”,这些控制棒很容易吸收中子,但自身不会发生核反应,用它们来控制中子的数量,防止反应过快冷却系统跟不上。

最后当然还有其它的外围设施:安全保护层,冷却系统,蒸气涡轮发电机,等等。当然,对于一个敢于把锶90加到可乐里(Nuka-Cola Quantum)的世界来说,大概一切保护都是浮云……而且他们还有处理核辐射的特效药Radaway 和Rad-X,而我们的世界里只有碘片能部分地模拟Rad-X的功能。

可是,辐射里设定一颗小型能量电池(SEC)的重量只有0.078磅(约35克),而200个SEC就能让二代里那辆克莱斯勒在废土跑上几十天,如此高的效率除了核能无人能及,但35克的电池又是怎么装下一个核反应堆这么多设施的呢……

F3里面的能量电池,这输出电压1040.8V直流电是不是有点儿高……图片来源:Fallout wikia

聚变:现实中的能源之梦

比SEC更进一步的,那就是微型核融合电池(MFC)。(实际上F代表Fusion——核聚变,但因为辐射最早汉化是繁体版,所以玩家之间通用的是台湾译法“核融合”。)不过可控核聚变的难度更大,因为核聚变要求两个原子核直接相撞,而原子核是带正电的,这比用中性的中子去撞原子核的难度大得多。现实中的氢弹是先引爆一颗小原子弹,用它产生的高温高压来促成核聚变的诞生,显然这一招不能用来民用发电。

目前尝试可控核聚变的思路是用外界力量(磁场或者激光)把原子核控制在一个小范围内,推到一起去,这是能行的;问题是按现在的技术,聚变产生的能量还不如推到一起所花的能量多……

曝光率最高的聚变装置可能是所谓的静电约束聚变器(Fusor),只是它现身的主要场合是“美国少年天才14岁打造核聚变反应堆”这样的新闻宣传……其实静电约束聚变器早在20世纪60年代就已经诞生,近年来作为一种简单易行低成本的聚变堆而很受DIY爱好者青睐,造出这样一台机器可以说明有很强的动手能力,但除此之外也就没什么了。这种设计的能量效率极低,聚变产生的能量不到消耗能量的万分之一,除了好看和作为一种简易中子源之外,没有别的用场。

但是运行中的Fusor是真好看啊……图片来源:wikipedia

核聚变研究中一般用字母Q代表输出能量和维持等离子体稳定花费的能量之间的比值,目前世界纪录保持者是日本的JT-60,它的理论Q值达到了1.25。然而一个反应堆整体要到Q=5才算收支平衡,到Q=20左右才算成为一个合格的核电站;任重道远。对比一下,辐射世界2060年陷入全面石油危机,2066年就开发出了聚变电池的原型机,到2077年大战时自重仅45克的量产机型MFC已经能配发给一般的保安机器人,效率实在不是一般的高。

在《辐射·新维加斯》中还隆重登场了一种新电池:微聚变增殖电池(Microfusion Breeder Cell)。这个名字显然来自现实中的裂变增殖堆。

自然界的铀矿石几乎绝大部分是铀238,这些铀无法作为核燃料使用,过去也没有什么特别好的用场,往往作为核废料掩埋。但是通过控制条件,可以让一部分铀238在反应堆中转化为钚239,把这些钚提纯出来又可以作为核燃料使用,于是燃料一定程度上是越用越多了,故名“增殖反应堆”。由于铀的储量有限,使用这样的燃料应是大势所趋。当然游戏里的聚变反应堆是怎么个增殖法,又是怎么塞进总重不过7磅的充能手枪里,就没人知道了……大概得去问英克雷或者宅先生(Mr. House)吧。

微聚变增殖电池在游戏里的用法就更加匪夷所思了……相当于是一种可以缓慢自动补充子弹的枪,呃。图片来源:fallout wikia

也许敏感的玩家早已注意到了,这些技术的原型大都不是真正的50年代产物,而是后续的发展;与之类似的是,游戏中的枪械等等细节都以现实中今天的枪械为原型,只是为了维持架空世界的表象而抹去了名字。50年代的未来想象,和任何时代一样,是不需要细节的,因而无论是希望还是绝望都是如此极端。那个时候通用电气可以去拍摄动画片“原子传奇(A is for Atom)”、DC漫画可以推出超级英雄“原子队长(Captain Atom)”,反过来小沃尔特·米勒也可以写出末世毁灭的《莱博维茨的赞歌》,他们的世界只有硬币的两面。

而现实的魔鬼隐藏于繁琐的灰色细节中。50年代的核电站宣传极其乐观,反核宣传也极其恐怖,但今天残酷的现实是,虽然核电站总数据比所有其他电力都更安全,但许多地方核电的成本也比火电还高。如果说科学能带来奇迹的话,那也是一个被物理、技术、经济和法律所约束的奇迹,它几乎总是和一开始那个远大理想相差甚远,甚至令人幻灭。

但是说到底,它又是唯一能真正带来奇迹的方式。(编辑:Calo)

LEAVE A COMMENT

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.