能源是人类生活不可或缺的东西。现代人类比较成熟有效而又大量使用的能源,主要是含碳化石矿物质,如煤、石油、天然气以及生物质能源,此外是核能、水力、风力、太阳光、地热能等。随着油页岩采炼技术的突破,人类很快会大量使用油页岩提供的(叶岩气、页岩油)能源。而蕴藏于深海的可燃冰,相信也会在不久的将来成为人类大量使用的能源。人造汽油、酒精这些含碳燃料或许以后人类也会制造,但是广阔海洋蕴藏的海洋能(海洋能是海洋特有运动过程生产的能,包括潮汐能、波浪能、海流能、海洋温差能和海水盐差能等。)肯定会随着科技的发展慢慢成为人类利用的能源。
水力、风力、太阳光、地热、海洋能、生物质能等是可再生的非矿物能源。对这些能源,不管已经成熟应用或正在研发,相信人类都会一直开发、应用下去。至于地球上的煤、石油、天然气、油页岩、可燃冰等含碳化合物能源,以至核能都不是可再生的,是有限的。据专家估计地球上石油储量可用约40年,天然气约60年,煤在200年以上。油页岩、可燃冰尤其核燃料,如计算月球上的氦-3,可用时间就更长了。
现在人们已经开始开发、利用与石油、天然气类同的矿物能源——页岩气与页岩油。它们都从油页岩提炼,油页岩是一种含有黑色有机化合物“油母质(kerogen)”的石头,经高温裂解、氢化、热解可提炼出类同原油与天然气的物体,“页岩油(Shale Oil)”与“页岩气(Shale Gas)”。科学家估算,把世界油页岩已知可开采储量折算成页岩油的话,其总量要超过世界石油的总可采储量。
页岩气具蕴藏丰富、分布广、埋藏浅(目前最浅仅8公尺)、可供开采寿命长(30~50年)的特点,全球页岩气存量据估计约460兆立方公尺,是传统天然气存量的2.55倍。中国的页岩气可采储量居世界首位,中国陆域页岩气已获工业气流或有页岩气发现的地质资源为93.01万亿立方米。
现在仅美国页岩气的开采技术已经进入制造业的流程,其他国家尚未突破有关技术。过去十年内,页岩气已成为美国日益重要的天然气资源。 2010年,美国石油气中页岩气所占比重已超过20%。根据美国能源资讯署预测,到2035年时,美国46%的天然气供给将来自页岩气。可以预计今后页岩气将大幅度增加全球能源供给。
与页岩气连带开采出的原油是“页岩油”。未来页岩油的开发会比气体更重要。全世界页岩油总储量估计约3450亿桶,其中俄罗斯750亿桶,美国580亿桶,中国320亿桶,
此外我们不能忘了在深海的含碳能源——可燃冰,它的储量也等于油气的两倍。这样看来人类利用含碳能源的日子还长得很!
不过再长始终有枯竭的一天。但是矿物能源最大弊病不是枯竭的问题,而是在它提供能量的同时,产生大量二氧化碳,这种气体会使地球大气层温度上升,产生温室效应。温室效应现在已经开始对人类生活产生不利影响,两极万年冰山在融化,海水上涨,淹没低洼小岛及海岸。温室效应更使气候异常,天气不正常的冷、热,可怕的飓风、海啸,而沙尘暴、雾霾大面积沾污着适合人类生存的空间。人们有理由相信,在各式各样含碳能源未被全部用完之前,地球可能已经被糟蹋得不成样子了!如果不改变目前大量采用矿物能源的状况,不需要太长时间,人类会面对更为难堪的气候,地球会更快成为不适合人类居住的星球!
现在已开始的上述趋势不是整天只想指点江山的政治家、逞强好斗的军事家、操弄财富的经济学家们可以扭转的。只有默默耕耘的科学家才能出奇制胜,寻找出延续人类正常生存发展的能源。
水力发电,是个清洁、便宜又可再生的能源,水电站对江河水量可适当控制,以利灌溉调节旱涝。但是水力资源毕竟有限,不一定能满足人类对能源不断增长的要求。而且即使不考虑庞大的水力发电站在军事战略上、在国家安全上的隐患,在自然环境方面,也会造成难以预测的影响和破坏。如高坝储蓄浩大水量,造成上游江河两边巨大压力,产生不可预测的地质变化。上游大量存水也对局部气候增加新的影响因素,效果莫测。随水而行的沙石因水流速度减慢,不能自然畅流疏导,必然大量沉积,长久以后其后果真是难以预测。同样下游自然环境也会有许多难以预测的不良效果。总的来说,人类对大自然搞太大改动,把大自然变为“非自然”,逆天道而行之,总不是件好事。
至于风力能源、太阳能,这些能源类同水力,更有水力之优点,无水力之缺陷。不过最大问题是这些能源受气候、地理位置等限制,且其量更为有限,只能作为特殊地区对能源需求的一种补充。至于可能的可燃冰、海洋能……等等那是以后的事,即使掌握了应用办法,可以预料对人类帮助终究有限,绝不能负起人类不断发展对能源需求之责任。
近代人类对能源需求之探索,最大成果是核能,人类已经相当成熟掌握使用铀235裂变进行发电的技术。国际原子能机构的数字显示,世界目前已有用于发电的核反应堆约450座,大概生产3800亿瓦电,占全球电需要量约15%。
以铀(uranium)进行核能发电有大量优点,最主要就是没有二氧化碳逸出,人类免除了对温室效应的担忧。但是铀235发电也有它致命的弱点。
1),地球铀矿仅可用80年。
2),可用于发电的铀235,只占天然铀矿提炼出的铀的0•7%,其余都是铀238,所以必须进行同位素分离,把它的浓度最少提升至2-5%才能使用,这是个很困难的过程。
3),铀235核电非常安全,但又不是绝对不出事故的。一旦核燃料棒链式反应失去控制,裂变则继续,就会酿成事故,对人类造成巨大伤害。因此民众恐慌很大,如切尔诺贝利和福岛核电站就是,故此铀核电安全始终是个问题。
4),核能电厂会产生放射线的废料,废料的有害放射性百万年不会减至人类可接受范围,故废料是极大隐患。
俗语说“车到山前必有路”,聪明的科学家早就发现了能获得核能的更理想管道,那就是上世纪四十年代就已知的“钍”(thorium)核能发电。只是当年由于以铀235发电能产生超过90% 的铀238,铀238随后会变成钸(plutonium)239,钸是制造原子弹的原料。冷战期间需要大量的钸制作大量的原子弹,所以就发展以铀235的核发电,而把发展钍核电丢弃一边了。
以钍(thorium)取代铀的核电,有极大优点。
1),除了与铀核能发电不会排出二氧化碳,不会造成温室效应以外,科学家估计世界钍蕴藏量够人类使用千年。钍是开采稀土金属的副产品,像铅一样普通,且没有同位素分离,几乎全可用作燃料。不但美国、澳洲、挪威等储量多,中国也有400年的钍蕴藏量。
2),钍核电很安全,因为钍必须用中子“轰炸”才能启动分裂放出能量,如果切断中子束,钍便会立即停止分裂,停止连锁反应(工业上已掌握这一办法)。另外反应堆内的气压与大气压力一样,因此不会发生氢气爆炸,释出辐射。
3),危险废料少,用钍发电产生的废料比用铀少一万倍,也就是十吨与一公斤之比。而且废料放射性一百年左右就减到可接受值!
4),以钍发电不产生钸,这正是钍的好处。钍可以烧掉旧反应堆里的有毒废料,减少辐射毒性,因而充当了生态清洁剂。
5),以钍发电的分裂效率、燃料持续时间优于铀,成本大大优于铀235。
在费米实验室工作的杰出华裔台籍科学家叶恭平教授指出:“以前的核能就是为了得到原子弹的原料--钸,因此也留下了一百万年都无法解决的巨毒核废料问题,以及意外时无法停止的连锁反应,造成可怕的核灾。”叶教授说:“现在的核电厂,人类不能再用了,但是我们可以使用更安全,不会产生巨毒核废料的“钍能源”来替代核能。”
钍核电研究已比较成熟,除美、日等国,中、印等国也已积极发展。中国科学院目前已启动“钍基熔盐堆核能系统”专题项目,目标是在20年内,研发出新一代以钍作基础的核能系统。据说其先进程度或有望带领世界走出核能危机呢,是耶非耶让我们拭目而待吧。
除了以钍代铀235,人类还正在研究原料用之不尽,更安全、更清洁的能源。
如核融合能源,“核融合反应”是太阳发光、发热的原因。它是使质量较小的原子核融合在一起成为质量较大的原子核,在过程中部分质量转变成能量而加以发电。其中,氢核子同位素氘(deuterium)与氚(tritium)的核融合反应是最容易实现的核融合反应。
“核融合”发电的优点:
1),燃料(氘和氚)很容易取得,几乎取之不尽,氘可以从海水提炼,每公升海水中含三十毫克氘。氚不存在于自然界,可以从中子与锂元素的核反应提炼。
2),核融合的燃料以及反应后的产物都是非放射性物质,不会产生二氧化碳或造成空气污染,不会有大量核能废料,故没有核废料处理难题与政治问题。
3),核融合反应无需大量集中燃料。只要减少燃料供给,核融合反应可以随时终止,控制性容易,融合反应炉不会熔毁。
在地球资源短缺的今天,人类现在向地球外寻找新的能源。
氦-3(Helium - 3)是氦的同位素,可以与一种氢的同位素氘结合,发生裂变反应,产生巨大的能量。氦-3是一种高效的核聚变燃料,10吨氦-3就能满足中国1年的能源需求,美国一年也只需25吨。一百吨氦-3能提供全世界一年的能源需求。
地球上氦-3储量稀少,月球上的氦-3含量却很丰富,在100万吨以上,相当于地球所有矿物燃料(石油、煤、天然气)能量总和10倍以上。所以月亮上的氦可满足地球数千年能源需求。登月其中一个目的就是计划以后开拓氦-3。
氦-3是一种目前已被世界公认的高效、清洁、安全、廉价的核聚变燃料。氦-3的热核反应只会产生没有放射性的质子(而非中子),因此不会对环境有害。如在月球上建造核电站,巨大电力通过镭射或微波输送到中继卫星,再由中继卫星传送到地球。这样对地球就更安全了。台湾如果那天在月球建了此类电站(始终有一天会),最无聊的核电白痴议员也都说不出话来了。
如在地球建厂,到月球单程运费约为4000万美元/顿,加上其他费用,似乎成本很高。其实是划算的,因为在发电量相同的情况下,使用月球能源氦—3的花费只是目前核电站发电成本的10%!如以石油价格为标准,则每吨氦—3价值约40亿—100亿美元。
目前氦-3的核电技术处于研究开发阶段,可能最少需要30-50年,但对人类历史发展来说那算什么呢?
笔者知识浅薄,班门弄斧,错漏之处在所难免,诚请批评指正。