能源與物理

【專家解說】：在現(xiàn)代社會進步的歷程中，基礎(chǔ)性很強的物理學和應(yīng)用性很強的工程技術(shù)扮演著不同的角色，但它們之間卻存在著緊密的聯(lián)系和相互作用。物理學對許多工程技術(shù)領(lǐng)域的開創(chuàng)起著先導(dǎo)、引領(lǐng)的作用，工程技術(shù)不僅直接創(chuàng)造生產(chǎn)力，反過來也開拓、深化了物理學研究的疆域。能源工程技術(shù)與物理學的關(guān)系就具有這方面典型的代表性。中國的可持續(xù)發(fā)展有賴于能源的可持續(xù)發(fā)展。我國能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思路已逐漸明朗，它包含以下4個要素，而在這4個方面，物理學與工程技術(shù)的結(jié)合都可以做出重要的貢獻。 首先，要大力節(jié)能，以控制能源的總量。這是我國能源可持續(xù)發(fā)展的必然戰(zhàn)略選擇。除經(jīng)濟結(jié)構(gòu)節(jié)能和管理節(jié)能外，技術(shù)節(jié)能的潛力也很大。比如建筑節(jié)能:建筑耗能是我國能源消耗的大戶，約占總量的30%，現(xiàn)有建筑的絕大多數(shù)是高耗能建筑。許多物理方法有助于建筑節(jié)能，通過改進建筑材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用太陽能發(fā)電、供暖(冷)，就是很有實效的節(jié)能辦法。再如交通節(jié)能:汽車在中國的能源消耗中占有相當?shù)谋壤?，且呈不斷增長勢頭，必須限制汽車總量，同時用先進的清潔、低耗能汽車取代高耗能的大排氣量汽車。為此，需要研究不同燃料的燃燒學，發(fā)展減排降污技術(shù)、燃料電池技術(shù)，開展氫能利用、摩擦學與磨損學等與物理學息息相關(guān)的有關(guān)研究。三如照明節(jié)能:全球電力約22%消耗在照明上，故照明節(jié)能是節(jié)能的一個重要方面。以化合物半導(dǎo)體材料為發(fā)光元件的半導(dǎo)體固態(tài)發(fā)光二極管(LED)是一種新型照明光源，正引發(fā)人類照明史上的一次革命。這其中需要研究解決的物理和技術(shù)問題主要有:提高半導(dǎo)體芯片的發(fā)光效率，提高單管最大可發(fā)光通量，延長發(fā)光二極管的使用壽命等。 第二，要大力發(fā)展?jié)崈粜履茉矗愿纳颇茉唇Y(jié)構(gòu)?？稍偕茉慈缢姟L能、太陽能和生物質(zhì)能是具有廣闊發(fā)展前景的潔凈新能源。愛因斯坦提出的光電效應(yīng)的概念，是光伏發(fā)電的理論基礎(chǔ)。中國的太陽能資源非常豐富，有必要且有可能大力發(fā)展，但需要在科學技術(shù)上取得重大突破，大幅度提高光熱和光電轉(zhuǎn)換效率，降低成本。薄片太陽能電池可能是一個出路，其中使用對光吸收性能更好的半導(dǎo)體材料，進一步提高光電效率的多種途徑也在探索中。中國的風電資源豐富，是最有希望實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的新型可再生能源。降低風能成本推進國產(chǎn)化，需要解決一系列物理上的和技術(shù)上的問題。中國生物質(zhì)能資源量極大，利用生物質(zhì)可生產(chǎn)氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的能源，如沼氣、生物乙醇和生物柴油、固化成型燃料等。在生物質(zhì)能的產(chǎn)業(yè)鏈條中，也有一系列物理問題需要解決，如生物質(zhì)燃燒過程中鍋爐受熱面的腐蝕性機理和防治措施的研究，垃圾燃燒發(fā)電過程中對不可燃物的處理及有害物的處理等。潔凈能源的另一個重要發(fā)展方向是核能。原子核物理的發(fā)現(xiàn)，奠定了裂變核能和聚變核能的基礎(chǔ)，目前已做出實際貢獻的核能是基于核裂變反應(yīng)堆的核電站。基于核聚變反應(yīng)堆的聚變電站是解決人類未來能源問題的一個希望，它既要實現(xiàn)熱核燃料的“點火”并有凈能量輸出，還必須控制熱核能聚變反應(yīng)的速率，其中高溫等離子體物理的研究具有重要意義。這是一項有難度的大科學工程，目前還處于前期實驗研究階段。 第三，推進煤的潔凈化技術(shù)，以減少污染。煤是我國能源中的大戶，今后相當長的時期內(nèi)仍將如此，但目前燃煤給環(huán)境帶來的污染已到了使人不能容忍的地步。因此，必須提高燃煤的效率，發(fā)展煤的潔凈化技術(shù)，加強超臨界發(fā)電技術(shù)，控制污染物的排放。多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是利用物理化學方法達到煤的高效、潔凈利用的途徑。它以煤氣化為中心，可以將95%以上的煤轉(zhuǎn)換成一種稱之為合成氣的可燃氣體。將合成氣用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，可以獲得比常規(guī)燃煤發(fā)電高的能源利用效率。多聯(lián)產(chǎn)、潔凈化技術(shù)是實現(xiàn)煤基潔凈能源的有競爭力的途徑。 第四，加強能源資源勘探，以開發(fā)潛在能源。地球物理勘探是尋找各種有用礦藏的。例如，石油、煤炭、天然氣水合物、鐵礦、重金屬礦、鈾礦等。精密的“三維地震勘探技術(shù)”就像“CT”一樣對地下各斷面做成解剖，因而成為尋找石油的有力武器。原子分子物理學方法對于探測開發(fā)能源資源(如利用痕量樣品通過高靈敏度的原子分子光譜分析探測海底石油等)也將發(fā)揮重要作用。 還有一些物理學的新成果將為未來的能源發(fā)展做出有分量的貢獻。如低溫物理的一個光輝篇章是超導(dǎo)體的研究，20世紀以來，從低溫超導(dǎo)到高溫超導(dǎo)都取得了迅速發(fā)展，并開始得到多方面的應(yīng)用。在能源領(lǐng)域，超導(dǎo)將在電能輸運、儲能等方面產(chǎn)生顯著的效益。 總之，中國能源可持續(xù)發(fā)展是有路可走的，但走好這條路并不容易，需要付出巨大的創(chuàng)造性的努力。物理學基礎(chǔ)研究與應(yīng)用的深入發(fā)展，可為能源可持續(xù)發(fā)展做出多方面的貢獻，也只有為可持續(xù)發(fā)展做出貢獻的物理學才更能顯現(xiàn)出它的價值和光輝。在這個歷史發(fā)展過程中，應(yīng)該在全民族大力提倡科學的發(fā)展觀和節(jié)約型社會的消費觀、文明觀。實際上，建設(shè)節(jié)約型社會是一場深刻的思想觀念和社會風氣的革命，樹立崇尚質(zhì)樸、適度的物質(zhì)生活消費觀和豐富的精神追求的人生觀、價值觀，不僅對能源的可持續(xù)發(fā)展具有實際意義，而且對建設(shè)和諧社會、實現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興同樣具有重要意義。