能源與物理

【專家解說】：在現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)步的歷程中，基礎(chǔ)性很強(qiáng)的物理學(xué)和應(yīng)用性很強(qiáng)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(xué)對(duì)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(xué)研究的疆域。能源工程技術(shù)與物理學(xué)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(gè)要素，而在這4個(gè)方面，物理學(xué)與工程技術(shù)的結(jié)合都可以做出重要的貢獻(xiàn)。 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(jì)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(jìn)建筑材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用太陽能發(fā)電、供暖(冷)，就是很有實(shí)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(dāng)?shù)谋壤页什粩嘣鲩L勢(shì)頭，必須限制汽車總量，同時(shí)用先進(jìn)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(xué)，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(xué)與磨損學(xué)等與物理學(xué)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(gè)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?，以改善能源結(jié)構(gòu)?？稍偕茉慈缢?、風(fēng)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(xué)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(gè)出路，其中使用對(duì)光吸收性能更好的半導(dǎo)體材料，進(jìn)一步提高光電效率的多種途徑也在探索中。中國的風(fēng)電資源豐富，是最有希望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的新型可再生能源。降低風(fēng)能成本推進(jìn)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(jī)理和防治措施的研究，垃圾燃燒發(fā)電過程中對(duì)不可燃物的處理及有害物的處理等。潔凈能源的另一個(gè)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(shí)際貢獻(xiàn)的核能是基于核裂變反應(yīng)堆的核電站?；诤司圩兎磻?yīng)堆的聚變電站是解決人類未來能源問題的一個(gè)希望，它既要實(shí)現(xiàn)熱核燃料的“點(diǎn)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(xiàng)有難度的大科學(xué)工程，目前還處于前期實(shí)驗(yàn)研究階段。 第三，推進(jìn)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(dāng)長的時(shí)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(qiáng)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(xué)方法達(dá)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?xì)怏w。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(shí)現(xiàn)煤基潔凈能源的有競(jìng)爭(zhēng)力的途徑。 第四，加強(qiáng)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(duì)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(xué)方法對(duì)于探測(cè)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(cè)海底石油等)也將發(fā)揮重要作用。 還有一些物理學(xué)的新成果將為未來的能源發(fā)展做出有分量的貢獻(xiàn)。如低溫物理的一個(gè)光輝篇章是超導(dǎo)體的研究，20世紀(jì)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(yùn)、儲(chǔ)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(xué)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(xiàn)，也只有為可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)的物理學(xué)才更能顯現(xiàn)出它的價(jià)值和光輝。在這個(gè)歷史發(fā)展過程中，應(yīng)該在全民族大力提倡科學(xué)的發(fā)展觀和節(jié)約型社會(huì)的消費(fèi)觀、文明觀。實(shí)際上，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)是一場(chǎng)深刻的思想觀念和社會(huì)風(fēng)氣的革命，樹立崇尚質(zhì)樸、適度的物質(zhì)生活消費(fèi)觀和豐富的精神追求的人生觀、價(jià)值觀，不僅對(duì)能源的可持續(xù)發(fā)展具有實(shí)際意義，而且對(duì)建設(shè)和諧社會(huì)、實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興同樣具有重要意義。