“钢铁侠”真的能拍出来吗？
钢铁侠方舟反应堆不需要补充煤和汽油等燃料、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源:可控核聚变。聚变的原料是氘和氚。如果技术发展得足够好，只能使用氘，氘在自然界极其丰富:水中有足够的氘！因此，我们可以推测，钢铁侠是以体内的水为原料，用小型离心机分离出氘，然后供给方舟反应堆进行聚变，获得能量。
方舟反应堆的具体实现是怎样的？先来看两张图:
图1是钢铁侠1中方舟反应堆的大原型截图，图2是现实中真正受控核聚变方案之一的托卡马克的设计图。相似度99%！可以看出钢铁侠的方舟反应堆是由真正的托卡马克改装而成的。先闭上脑洞，说说现实中托卡马克的现状。
受控核聚变之所以困难，是因为早在半个世纪前，人们就得到了一个条件，即聚变能量的输出大于输入。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。通过生炉子的类比更容易理解这个条件:如果我们想让炉子持续燃烧为我们提供热量，首先要用高温的火焰将其点燃，其次，炉子里必须有足够的燃料可以燃烧，最后，炉子必须有墙壁，否则热量流失太快，炉子就会熄灭。根据氘和氚的特性，最适合聚变的温度是1亿摄氏度左右……瞬间达到这样的温度很容易，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，普通的炉壁是不可行的，因为没有任何固体材料能够经受住1亿摄氏度高温等离子体的轰击。为此，最主流的解决方案之一是利用磁场来约束内部等离子体，托卡马克就是其中一种设计。托卡马克外形为轮胎，磁场方向如图2中黑色箭头所示。这个磁场方向的设计保证了最基本的等离子体稳定性。但是磁场没有炉壁那么听话。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，使得系统难以维护和控制。这是控制了核聚变研究方向的人半个世纪以来一直试图解决的问题。
可能很容易让大众产生可控核聚变的印象，好像几十年都做不了什么。有一种说法:1950年代，科学家说50年后，人类可以使用聚变能；2000年，科学家说50年后，人类可以使用聚变能源；现在科学家们仍然说这将是50年后...事实上，在过去的几十年里，受控核聚变的进展一直在稳步提高。其实几十年前托卡马克上就释放了聚变能量，只是能量输出小于能量输入。在1997喷射装置上，能量增益(输出与输入能量之比)为0.7。1998中的JT-60装置声称能量增益达到了1.25，但实际上是通过氘氘反应间接计算的，并不是真正的氘氚聚变。目前在建的ITER装置(国际热核聚变实验堆)以10的能量增益为目标，预计在建造和测试后可于2027年开始氘氚聚变实验。所以钢铁侠公司里的大方舟反应堆并不是遥不可及。也许10年后世界上会有这样的装置！
另一个有趣的问题是，小方舟反应堆在钢铁侠本人身上实现容易吗，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，小型化装置的形势不容乐观。通过几十年来产生的数百台托卡马克的数据，人们总结出一条能量约束时间满足的经验规律:
方程左侧代表能量约束时间，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，将装置的尺寸缩小几个数量级是相当困难的，这就是为什么越新越好的托卡马克会越大，这是实现聚变所必需的条件...公式中还有其他项，如电流I、密度N、磁场B等。增加这些量可以实现托卡马克的小型化吗？问题是电流I和密度n越大，托卡马克内部的等离子体不稳定性越强。如果电流太大，可能整个燃料完全失控，然后炸掉装置。如果能加大磁场b就最好了，但还是做不到！目前人类能达到的最大稳态磁场是10特斯拉量级。ITER装置被设计成使用这种最大磁场，它的尺寸必须高达10米。。。所以，如果钢铁侠真的要做这么小的托卡马克，那他一定是找到了某种非凡的物理突破，是当今世界上从未发现的！但以等离子体理论研究的现状来看，完全有可能发现新的物理现象。比如80年代，在实验中首次发现了所谓的H模式(高禁闭模式)，一下子降低了聚变的难度。所以，如果钢铁侠是物理实验狂人的话，这个新突破也不是没有可能！
钢铁侠作为一部超级英雄科幻电影，离现实并不远，这也是我最喜欢的地方之一。