7大顛覆性技術(shù)破解能源危機(jī)

　　能源技術(shù)：

　　科學(xué)家和工程師們正在開發(fā)一系列看起來渺茫，卻有望徹底解決能源危機(jī)的新技術(shù)。

　　利用原本危險(xiǎn)的核廢料作燃料，建成一個(gè)核裂變反應(yīng)堆——它先由激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生核聚變爆炸，再由爆炸觸發(fā)裂變反應(yīng)，于是產(chǎn)生出一種新能量；而一種新的設(shè)備能將陽光和二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料，取代汽油。

　　一種將為制冷機(jī)帶來革命的磁體，以及能降低汽車油耗的記憶合金，將使能源利用率大幅提高。

　　也許這些新技術(shù)最終成功的可能性只有10%，但如果其中任何一種成為現(xiàn)實(shí)，能源利用率和安全水平就會(huì)得到極大提高。

　　許多人都在研究如何更有效地利用可再生能源及如何提高能源效率，這固然很好，然而，大多數(shù)研究成果可能只是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的一些有限改進(jìn)。我們需要從根本上徹底改變能源開發(fā)和利用的現(xiàn)狀。

　　多年來，科學(xué)家和工程師為我們構(gòu)想了一幅幅美妙畫面：太空中，衛(wèi)星吸收太陽光的能量，再將能量束傳導(dǎo)回地面上的接收站；飄浮在大氣層中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)……然而，幻想總要落實(shí)到現(xiàn)實(shí)。最近一些可觀的政府或私人資金投入了這些研究，來幫助關(guān)鍵領(lǐng)域中各種各樣的長遠(yuǎn)技術(shù)研發(fā)。接下來介紹的這些項(xiàng)目，都是最有可能得到回報(bào)的范例。當(dāng)然，前提是它們的發(fā)明者能跨過重重障礙，并最終使科學(xué)成果投入大規(guī)模生產(chǎn)。

　　新反應(yīng)堆

　　以聚變觸發(fā)裂變

　　利用激光從核廢料中榨取電能

　　新反應(yīng)堆以聚變觸發(fā)裂變

　　自然界中，太陽的光和熱源自核聚變；氫彈的能量也來自核聚變。物理學(xué)家和工程師數(shù)十年來也一直在努力研究如何通過核聚變發(fā)電。現(xiàn)在，研究人員能夠輕松制造出可控核聚變反應(yīng)——只要讓氫原子核足夠猛烈地碰撞壓縮到一起，它們就會(huì)融合，并釋放出中子和能量。然而，要讓核聚變用于發(fā)電，就必須做到更高效，以使反應(yīng)所釋放的能量大于觸發(fā)反應(yīng)（被稱為“點(diǎn)火”）所需的能量，這是科學(xué)界的一道難題。

　　因此，美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室國家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility）的科學(xué)家設(shè)計(jì)出一套新方案：用核聚變來驅(qū)動(dòng)裂變，利用原子分裂產(chǎn)生的能量來驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)核反應(yīng)堆。該實(shí)驗(yàn)室主任愛德華·摩西（Edward Moses）聲稱，利用這一機(jī)制運(yùn)作的實(shí)驗(yàn)性核電站有望在20年內(nèi)建成。

　　根據(jù)利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)想，要先在一個(gè)反應(yīng)室的內(nèi)壁上排放一厚層鈾或其他核燃料，然后利用激光脈沖在反應(yīng)室內(nèi)觸發(fā)核聚變爆炸，放射出的中子轟擊到內(nèi)壁上的核燃料后，會(huì)使其中的原子分裂。這可以將反應(yīng)室的能量輸出提升3倍，甚至更多。

　　和平利用核聚變驅(qū)動(dòng)裂變概念的提出，要追溯到上世紀(jì)50年代。當(dāng)時(shí)，蘇聯(lián)的氫彈之父安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）首次提出了這個(gè)設(shè)想。

　　既然大部分能量仍來自裂變，為什么不繼續(xù)使用傳統(tǒng)核電站，卻非要不厭其煩地研究由聚變來觸發(fā)呢？原因在于，裂變反應(yīng)堆要依賴于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，即裂變的原子釋放出的中子會(huì)觸發(fā)更多原子發(fā)生裂變。想要維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，就必須用钚或濃縮鈾作為燃料，這兩種材料都能用于生產(chǎn)核武器。

　　而聚變—裂變混合反應(yīng)堆是由聚變爆炸產(chǎn)生的中子觸發(fā)裂變反應(yīng)，不再需要維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行。這樣的設(shè)計(jì)擴(kuò)大了核燃料的選擇范圍，可以使用的燃料包括未濃縮的鈾、貧化鈾（來源豐富，濃縮鈾使用后的廢料），甚至其他核反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢料——否則，這些廢料必須得貯存數(shù)千年，或者需要進(jìn)行復(fù)雜和危險(xiǎn)的再處理后，重新作為裂變電站的燃料。

　　另一個(gè)原因是燃耗。對(duì)傳統(tǒng)核反應(yīng)堆而言，燃料使用到必須被更換之前，可裂變?cè)又袃H有一小部分發(fā)生了裂變。摩西介紹說，而聚變—裂變反應(yīng)堆能消耗掉核燃料的90%。因此，它的燃料需求量或許只是普通裂變反應(yīng)堆的1/20。這種反應(yīng)堆的使用壽命約為50年，其中最后十年被稱為“焚化”階段，在這一階段里，輸出電能逐漸減少，即使如此，它也能將約2 500千克的長半衰期核廢料消耗到只剩約100千克。

　　與此同時(shí)，研究人員也在進(jìn)行基于磁控核聚變的聚變—裂變?cè)O(shè)計(jì)，這是可控核聚變的另一種方式，利用超強(qiáng)磁場(chǎng)來約束聚變反應(yīng)。2009年，美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家提出了一個(gè)帶有緊湊型磁控核聚變觸發(fā)裝置的混合反應(yīng)堆設(shè)計(jì)方案。中國的研究人員也正在評(píng)估關(guān)于優(yōu)化能量產(chǎn)生、傳統(tǒng)核反應(yīng)堆燃料生產(chǎn)，以及利用核廢料發(fā)電的設(shè)計(jì)方案。

　　以任何形式利用核聚變產(chǎn)生能量，都是很超前的設(shè)想。即便是摩西的實(shí)驗(yàn)室于今年成功實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，這種混合核電站的一些主要技術(shù)障礙依然存在。例如，微小的、精細(xì)加工制成的聚變靶丸要能以可接受的成本量產(chǎn)；還需要一系列未經(jīng)檢驗(yàn)的新技術(shù)，來保證點(diǎn)火頻率達(dá)到每秒10次（目前“國家點(diǎn)火裝置”在一天內(nèi)命中靶丸的次數(shù)也沒幾次）。

　　制造混合反應(yīng)堆，還需要一些在純聚變裝置中用不到的技術(shù)。具體來說，就是裂變?nèi)剂蠈樱渲械娜剂弦芙?jīng)受得住比傳統(tǒng)核反應(yīng)堆中高得多的溫度，以及猛烈得多的中子轟擊。候選設(shè)計(jì)包括從固態(tài)的多層“卵石”狀核燃料，到液態(tài)的、含釷、鈾或钚的熔融鹽。

　　這無疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但摩西已經(jīng)設(shè)想好了一條雄心勃勃的研發(fā)路線來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。雖然，他們實(shí)驗(yàn)室的首要任務(wù)還是必須證明激光核聚變能夠點(diǎn)火成功。

　　液體太陽能燃料

　　用太陽光和二氧化碳來驅(qū)動(dòng)汽車

　　液體燃料太陽能燃料

　　太陽每一個(gè)小時(shí)照射到地球上的能量，就比人類一年消耗的能量還多。如果科學(xué)家能夠?qū)⑦^剩太陽能轉(zhuǎn)化為液體燃料，哪怕只是一小部分，就能解決我們對(duì)化石燃料的依賴，以及由此帶來的種種問題。“如果能有效、經(jīng)濟(jì)地利用太陽能來制造化學(xué)燃料，就能徹底改變能源現(xiàn)狀，”美國加州理工學(xué)院人工光合作用聯(lián)合研究中心主任內(nèi)森？ 劉易斯（Nathan Lewis）評(píng)論說。

　　其中美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）開展的一項(xiàng)嘗試非常吸引人。他們?cè)谛履鞲缰莸纳衬邪惭b了一些直徑6米的圓盤狀鏡面，能將太陽光聚集到安放在盤面前方的一個(gè)半米長、形狀像啤酒桶的圓柱形儀器上。太陽光被這些鏡面聚焦后，從儀器表面的一個(gè)窗口射入，照射到里面12個(gè)以每分鐘一圈的速度旋轉(zhuǎn)的同軸圓環(huán)上。圓環(huán)的邊緣是以齒狀排列的氧化鐵（鐵銹）或氧化鈰，它們依次旋轉(zhuǎn)進(jìn)光束，并被加熱到1 500℃，如此高的溫度能驅(qū)出鐵銹里的氧。當(dāng)轉(zhuǎn)到反應(yīng)室較冷的暗處時(shí)，它們又能從注入反應(yīng)室里的水蒸氣或二氧化碳中把氧吸回去，剩下富含能量的氫氣和一氧化碳。

　　這樣產(chǎn)生的氫氣—一氧化碳混合氣體被稱為合成氣（syngas），它是化石燃料、化工原料甚至塑料在分子層面的基本原料。燃燒生成的合成氣所釋放的二氧化碳，還能被該過程全部吸收。美國高級(jí)研究計(jì)劃局能源項(xiàng)目部主任阿倫·麥琴達(dá)爾（Arun Majumdar）評(píng)論說，這種太陽能燃料系統(tǒng)“可謂一石四鳥”，即帶給我們更清潔的能源供應(yīng)，更高的能源保障，更低的二氧化碳排放和更小的氣候變化影響。

　　在其他地方，例如瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（Swiss Federal Institute of Technology）和美國明尼蘇達(dá)大學(xué)，研究人員也在研發(fā)生產(chǎn)合成氣的設(shè)備。還有一些新興公司同時(shí)在尋求其他途徑來達(dá)到類似目標(biāo)，例如位于馬薩諸塞州的Sun Catalytix公司將一種廉價(jià)催化劑泡入水中，并利用太陽能電池板產(chǎn)生的電力，來制備氫和氧，新澤西州Liquid Light公司將二氧化碳?xì)怏w導(dǎo)入一種電化學(xué)反應(yīng)池來產(chǎn)生甲醇。此外，劉易斯本人也正在研制一種“人造樹葉”（參見《環(huán)球科學(xué)》2010年第11期《人造樹葉：陽光變?nèi)剂稀罚?，它由一種半導(dǎo)體納米線制成，能利用陽光將水分解成氫和氧。

　　當(dāng)然，主要困難還是在實(shí)際應(yīng)用上。在桑迪亞實(shí)驗(yàn)室，齒狀氧化物總是破裂，阻礙了反應(yīng)進(jìn)行。“你讓（氧化物）材料在1 500℃和900℃之間來回轉(zhuǎn)，這對(duì)它們的要求很高，”亞利桑那州立大學(xué)LightWorks計(jì)劃主任、未參與該項(xiàng)研究的化學(xué)家加里·德克斯（Gary Dirks）評(píng)論說。下一步計(jì)劃是，在納米尺度上加固氧化物的結(jié)構(gòu)，或找到更合適的材料；圓盤狀鏡面的高昂造價(jià)也需要降低。根據(jù)桑迪亞實(shí)驗(yàn)室研究人員的計(jì)劃，他們的合成氣制造機(jī)能夠生產(chǎn)出成本為10美元/加侖（約2.65美元/升）的燃料?！拔覀儾⒎亲霾坏竭@一點(diǎn)，但我們還有很長的路