我们的塔洛娅前世28年的人生,毕竟只是一个普通人,而不是什么核物理专家,对于如何设计和运作一台裂变反应堆,塔洛娅对于核物理这方面的东西不能说是一知半解,也只能说是一窍不通了。
目前的她,对于核物理方面的理解,基本仅限于一些非常基础的东西,能分的清裂变和聚变,而一个快中子增殖裂变反应堆的具体原理,她只能说是两眼一抹黑,如同在听天书。
而正在一旁讲解着这个她设计出来的完全使用生物材料和生物原理制造出的快中子裂变增值反堆的海伦显然忘了这点。
“生物结构这种东西耐趁高质量中子辐射的能力是真的差,为了防止这玩意儿的DNA和细胞繁殖过程被过量的中子辐射搞得一团糟,我废了好大的力气才弄出了一套合适的能通过生物过程运转的慢化剂机制,防止中子辐射剂量过大。”
“它的体内有一个我专门设计的独立的液体循环系统,里面存储着大量高纯度的重水。重水既是中子慢化剂,也能当冷却剂用。反应堆产生的热量会先通过重水循环给带出来,然后在一系列热交换腔中把热量传递给体内其他流体系统,最终驱动一种基于化学渗透和热电效应的多级能量转换网络,把热能变成可供细胞直接使用的化学能,反正就是它把裂变产生的热量通过生物热电系统‘消化’掉了,再用这些能量合成高能化学分子,维持生命活动。”
“停停停停停………”听了大半天天书的她终于忍不住伸出两只手在面前疯狂地比划了一个“暂停”的手势,声音也不自觉地高了起来。
“海伦姐,海伦姐!能不能说的简单一点啊?我现在是真的一个字都听不懂啊!”
被突然喊停的海伦转过头,看着塔洛娅那张已经快要皱成包子褶的脸,愣了几秒,然后才后知后觉地“啊”了一声,这才想起自己的这位青梅竹马目前似乎是失忆的状态,让她回忆起快中子裂变增值堆的运行原理这种事情还是有点太难了。
“啊,抱歉,我忘了你现在是失忆状态了。”海伦有些不好意思地挠了挠自己那头柔顺的蓝色长发。
“抱歉抱歉,我一讲起来就停不住。不过你应该理解吧,快中子增殖堆这种东西,差不多就是那套比较基本的原理。我是说,你以前很熟的……”
“那什么……有没有可能现在的我压根就不懂这方面的东西?”塔洛娅十分诚实地打断了她。
“现在的我连这玩意儿为什么叫‘快中子’都搞不明白。核裂变的基本原理我倒是懂,但快中子增殖堆这种玩意儿的原理,还有那个什么铀-233,钍-232,都是些什么啊?”塔洛娅很无奈的抱着对此空空如也的脑袋,向海伦举手投降,没办法,她现在真的是一点都不记得这方面的东西了。
她现在的状态甚至可以说是带着一点破罐子破摔的洒脱。反正她已经认清现实了,在这个超级先进的社会里,自己目前的状态简直就就是个什么都不知道的文盲,那不如干脆把不懂的东西一个个问出来,不懂还要装懂,可是很累的。
海伦看着她这副完全两眼一摸黑,简直就是个文盲的状态,仔细思考了一番之后才重新坐回椅子上,把两条腿盘了起来,像个终于准备认真教书的小老师。
“嘶……让我想想该从哪里开始教你比较好呢?”
“算了……我从头给你捋一遍吧,说到底这些技术原理本身并不复杂,只是名字听起来吓人而已,只要能理解基本原理,就能听懂我接下来说的。”
塔洛娅松了一口气,在旁边的另一张椅子上坐下来,准备认认真真地听讲。西格丽卡不知什么时候已经自己找了个地方靠着,打算和自己的女朋友一起先听听海伦的科学基础科普。
“我们都知道裂变的原理,也就是一个很重的原子核,在吸收了一个中子之后会变得不稳定,然后分裂成两个或者几个更轻的原子核,同时释放出大量能量和几个新的中子。而这个过程就是核裂变,释放出来的那几个新中子,如果又撞上其他重原子核,就会引发新的裂变,像链子一样一环扣一环地传下去,也就是核裂变过程中的链式反应。”
“这个你还是能听懂的吧?为了方便你理解,我就先从核裂变的基本原理开始讲了。”
“嗯……这方面我还是能理解的。”
“好,那么,接下来我们继续,就像我上面所说的,核裂变的链式反应过程会持续的释放出中子,但是这些在裂变反应中释放出的中子并不是一样快的。有些中子飞得特别快,能量很高,就管它们叫快中子,有些因为和周围物质碰撞过,速度降下来了,自身携带的能量也更低,就叫慢中子,也就是热中子。快中子和慢中子碰到原子核的时候,引发裂变的效率是不一样的。”
“快中子引发裂变的效率会比较低,因为它飞得太快,和原子核‘擦肩而过’的几率更高,所以一般反应堆为了提升裂变的链式反应效率,都会在反应的过程中加入慢化剂,比如普通水、重水或者石墨,让飞行速度过快的快中子慢下来,变成热中子,这样就能大大提高裂变反应的效率。”海伦尽量从最基础的基本原理上讲起,以方便塔洛娅的理解。
“哦………怪不得你之前说要在生物反应堆里加入重水,是用来让那些中子减速的?”
“是的,作为慢化剂的重水和普通水不一样,它的是氘,作为质量更大的氢同位素,重水对中子的吸收很弱,慢化效果又很好,所以特别适合用在某些类型的反应堆里。”海伦看她没有露出跟不上的表情,才继续往下说,“然后我们了解一下增殖堆的基本原理。”
“增殖堆有一个特点,那就是能让内部的燃料越烧越多。”海伦耐心地解释。
“有些原子核本身其实不容易直接裂变,比如钍-232,但它可以吸收一个中子变成钍-233,钍-233会自己衰变成镤-233,再衰变成铀-233。而铀-233就是一种很好的裂变燃料。如果我们在反应堆里放入足够量的钍-232,它就能通过反应堆中的中子辐射转变成可以裂变的铀-233,另一边那些铀-233又参与裂变放出更多的中子,继续把剩下的钍-232转化为新的铀-233。只要条件合适,燃料在反应过程中甚至可能会越来越多,这就叫增殖。”
“说的简单直白一点,就是我们往反应堆里一开始放进去的是钍,烧着烧着变成了铀,新的铀还能继续烧,钍也在不停地变铀,反应堆中的可控裂变反应的燃料会越来越多。”
“增殖堆可以把相当一部分原本不适合直接用作裂变燃料的钍-232利用起来,通过中子捕获转化成新的裂变材料铀-233。而且很多类地行星上的钍的储量都比铀丰富不少,所以钍基增殖堆作为一种非常优秀的能量来源形式之一,在早期文明历史上很受重视。当然,在文明世界,这些东西早就被更先进的技术取代了,我们平时根本用不到它。但是………”
“谁让你在设计这个生物的时候提的要求和技术指标那么变态呢?”
“又不能用超技术直接往这玩意的体内塞个反物质电池,只能用标准模型物理学下的技术手段,那要给这么大的生物提供足够的能量,生物化学能的转化效率又太低,那么剩下的手段就只能是走核能路线啰,用天然存在的化学键材料和生物能够实现的结构去构建一个能在生物体内运行的微型核反应堆。”
“这条龙所处的生态圈内拥有着大量的天然钍资源,生物可以很轻易的从周围的环境中获取钍-232,然后再经过快中子增殖机制转化成铀233,靠裂变提供巨大的身躯运行所需要的能量。”
“虽然实际的生物实现过程要复杂得多,但基本原理就是这套东西。它体内有一个专门的器官负责富集从外界环境当中获取的钍元素,然后再把钍送入堆芯区。堆芯里有重水循环,既是慢化剂又是冷却剂。裂变反应产生的热量通过重水带出来,再经过多个热交换结构,把热量传给另一种流体,最终驱动细胞级的热电转换网络,把热能变成生命活动能用的化学能。”
“呃……虽然听上去还是有点复杂,但是差不多能明白意思了。”塔洛娅挠了挠头。
“不过,在生物体内塞一个不断释放出辐射的核反应堆真的没问题吗?”
“辐射损伤确实是当时最难解决的问题之一。生物细胞的遗传物质对电离辐射这有点太敏感了,尤其是不断分裂的细胞,一旦DNA被中子打断或者被伽马射线轰得支离破碎,轻则组织坏死,重则整个生物体会死于急性辐射病。为了解决辐射损伤这方面的问题,只能在反应堆的辐射屏蔽层上动刀子,只用化学线材料制的多层防辐射结构这个东西想塞进一个体积有限的生物体内是真的麻烦,又得能靠生物过程积累以及合成,又得扛住持续不断的中子轰击和伽马射线。”
她放大了全息投影上反应堆外周一圈颜色略深的组织:“最内层是一层高密度生物陶瓷,主要成分是含硼的碳化硅复合物,能吸收大量热中子和部分快中子。再往外的第二层是一层很厚的脂肪类物质,掺入了某些能吸收伽马射线的重元素化合物。然后外面还有一层特殊的结缔组织,里面密布着能高效修复DNA的合成酶系统。这些酶和这条龙的细胞分裂周期也是做过优化适配的,所以即便有极少量的辐射漏出来,它的身体也比普通生物更能扛。”
“而且,这条龙的整个身体结构是围绕着反应堆的散热需求来设计的。”海伦继续划动影像,展示出几条从反应堆向外延伸的管道系统,“这么一大堆遍布在龙身体四处的大大小小的管腔就是这条龙的散热装置,里面流动着冷却液,可以把堆芯附近的热量迅速带到全身各处。它的翅膀尤其重要,巨大的翼面就是天然的散热器。飞行的时候,空气高速流过翼面,能快速的把大量废热带走。所以它在地面上长时间静止的时候,代谢会主动降低,反应堆也进入低功率运行状态,以免过热。”
塔洛娅听得目瞪口呆,眼前这个生物已经远远超出了她记忆中“幻想生物”的范畴,完全变成了一个彻彻底底的浑身充满着科学这两个字的生物,各种意义上来说,这条龙身上的每一个细节都经得起深究。
“你当年要的就是这么个东西,我只不过是把你的要求一件一件做出来了而已,这个生物反应堆的设计我还顺带借用了你在12年前留下的一个关于生物组织自组织生长的思路,让反应堆的堆芯和屏蔽层在胚胎发育期以分层沉积的方式逐步形成,来解决这条龙的生长过程自发的产生足够厚的中子屏蔽层的问题。”
“等等……胚胎发育期?这种玩意儿还有胚胎发育期吗?”
“要不然你以为呢?这玩意儿在自然环境下的成规模繁殖可不是一两个用于克隆的生物培养罐就能搞定的。”
“还记得那些幻想作品里,龙这种生物通常是怎么出生的吗?”
“呃,卵生?”
“说对喽………这东西的繁殖模式我给改成卵生了,刚孵化出来的幼体大概只有两∽三米左右,在幼年期阶段,这种生物体的反应堆核心是还没有成型的,暂时靠卵黄里储存的高能化合物和体内的钍储备维持生命。随着幼体生长,反应堆会在它的胸腔后段慢慢发育,堆芯体积也逐渐增大,到成年期才会完全成熟并进入满功率运行状态。在那之前,它其实和普通动物差别不大,除了长着翅膀和鳞片之外。”
“在这条龙所在他生态圈中,地表沉积物和特定种类的变质岩当中富含钍元素。不过这些裂变燃料更多只是它摄入物质的一部分。它依然需要大量有机物来提供碳、氮、磷等基本元素。所以它的常规食物来源主要是生态圈里的大型植食动物,以及一种你设计的共生藤蔓。那种藤蔓会攀附在龙经常活动的岩壁上生长,依靠龙的体温维持恒定的热环境,而龙则在飞行和移动时把藤蔓的种子带向其他地方。种子外壳经过龙的消化道后更容易萌发。”
“而在繁殖期,这种生物会在产卵之后会把卵埋进一堆富含放射性矿物的土壤里,用尾巴把土拍实。然后它会守在巢穴附近,用自己的体温给蛋保持温度。孵化期间,母龙会非常具有攻击性,任何靠近巢穴的大型动物都会被驱赶。”
“不过,光有这些生物习性还不够,这类生物在能量输出和消耗方面的需求简直是大的吓人。这也是我在做这个设计时最头疼的问题之一。”
海伦伸出一根手指,在空中虚点了一下。模型的旁边弹出几个并列的数值面板,
“我们先来讲一下这类生物的基本参数,这种生物的成年个体的体长通常在150到400米之间,翼展和体长接近一比一点三到一点五。按平均体长三百米来算,翼展大约在四百米左右。体重方面,因为它的骨骼是中空的,体内又有大量气囊和空腔结构,整体密度比同体积的普通生物低不少,但即便如此,大部分体型在同类当中相对较小且比较轻的成年个体的体重也会轻松超过800到1000吨以上。”
“要推动这么重的东西能在空中一两百公里以上的时速飞行,可不是什么简单扑棱两下翅膀就能解决的事情,光是巡航飞行状态下的基础能耗就已经挺吓人的了,在标准的大气环境和重力环境下,再加上这条龙翼面的气动特征,以两百公里的时速做平飞巡航时,为了抵消重力和空气阻力,它必须持续输出大量的机械功,你不妨可以猜猜这个机械功有多大呢?”
全息界面上跳出了排又一排眼花缭乱的公式和曲线图,塔洛娅只看到一大堆符号和坐标轴在眼前闪动,明明每个字都认识,但这些东西组合在一起之后,愣是一个都看不懂。
“算了,反正你现在也看不懂基过程,我就直接和你说吧,哪怕只要求维持在低空区域平飞所需的功率,就要超过20兆瓦的输出。如果再加上起飞、爬升、加速和机动时的瞬时功率,峰值输出会达到三十到五十兆瓦之间。”
“如果你对这个数字没什么概念的话……大概相当于一个小型火力发电站的输出总率。”
塔洛娅愣住了,三十到五十兆瓦这个数字在她的脑子里转了一圈,最终找到了一个可供参照的锚点:她记忆中自己前世所居住的那座城市,附近好像有个中小型火力发电厂的装机容量就是这个量级。而眼前这个用生物材料做的、会飞会吃东西会下蛋的东西,居然能在飞的时候输出同样的能量?
“这东西这么厉害的吗?”塔洛娅惊叹于这个巨大的人造生物居然有着堪比一座中小型火电站的能量输出能力。
“其实倒还好,这个输出功率虽然相较于有机生物而言确实大的吓人,但是对于机器而言,也就那样,不过毕竟你当年给我的要求是不能用机械技术。”
海伦似乎很满意她的反应,脸上露出一副“终于有人听懂了”的表情,
“以生物化学能为基础的氧化代谢,无论在怎么强化和改造都不可能提供不了这种级别的持续功率输出。一个正常生物体通过燃烧碳氢化合物和氧气来产生ATP,再由ATP驱动肌肉收缩,整个过程的能量转化效率虽然不算太低,但绝对功率密度非常有限。如果这条龙只靠吃东西和呼吸来供能,那这玩意连正常站立都做不到。”
“只有铀-233裂变释放的能量才能以足够高的功率密度支撑这种体量的生物进行高速飞行。 举个例子吧,一公斤铀-233裂变所释放的能量,至少相当于燃烧两千多吨标准煤,如果这条龙只用脂肪和糖来供能,那我们再把当前这个人造生态圈中的生物密度提升1000倍也没用。”
“另外,为了让这玩意能正常飞起来……我这边可是也颇为头疼啊……”
“普通肌肉纤维的收缩功率完全不够,这条龙的飞行肌群只能用一种复合型生物纤维结构。纤维内部密布着由化学能直接驱动的高频收缩单元,每个收缩单元都包裹在类似线粒体的能量工厂结构里。这种肌肉组织能够像高效伺服电机一样工作,可以把反应堆输送过来的化学能更高效地转变为机械功。它的收缩速度和峰值功率,肌肉本身的产热也被纳入了全身散热系统的考虑范围。”
我还顺便在这条龙的口腔后部和颈部以及胸部上方设计了一套完整的燃料合成储存与雾化喷射系统。它吃进去的绝大部分普通有机物质和体内合成系统产生的余料,会在几个专门的腺体中被转化成一系列高能液体,包括低分子量的环状烃、高张力笼状烃、某些轻质硅烷衍生物,以及少量液氧前体。液态燃料被高度压缩后储存在颈侧两排弹性极高的储腔中,喷射时会在龙的口腔处与氧化剂混合后点燃。再加上龙鼻腔和口腔里经过我专门改进出的可以收缩的生物喷管结构,喷出来的火柱还可以有多种不同的模式,包括针对大片目标的扩散模式和针对单个目标的聚焦模式。”
“这东西会不会在各方面都太离谱了点?又是核反应堆的,又是几百米的体型,我当年提出的设计指标未免也太疯了吧?”塔洛娅听着这些复杂至极的生物学原理,虽然还是一知半解,但是听着海伦的说法,这玩意身上所应用的东西感觉是越来越离谱了。
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注:在创作一个生物的时候,我们不应当拍脑袋,而是应该详细的思考一下有关于这个生物的生物学,材料学,物理学甚至是几何学,就比如类似上述提到的这种这条龙为什么能长到这么大体型,如此大的体型,又是如何获取能量的?