能源與人類(lèi)文明

1、譚國(guó)武邱建忠在 文 明 出 現(xiàn) 之 前 , 人類(lèi)就一直在不自覺(jué)地利用 能源 。文 明 的 出 現(xiàn) , 更 是 得益于人類(lèi)對(duì)能源有意識(shí)的利用 。而文明發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力之一 ,正是人類(lèi)對(duì)能源利用能力的逐步提高 。可以說(shuō) ,人類(lèi)文明的發(fā) 展史就是一部能源利用史 。一 、能源利用的歷史回顧人類(lèi)對(duì)于能源的利用存在著明顯的階段性 ,能 源與人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展有密切的聯(lián)系 。文明前階段 人類(lèi)在創(chuàng)造文明之前 ,就在不自 覺(jué)地利用能源 。例如 ,原始人類(lèi)最基本的需求 吃 ,就是利用蘊(yùn)涵在食物中的生物能 ; 在陽(yáng)光下取 暖 ,就是利用太陽(yáng)能 。在這一階段 ,人類(lèi)對(duì)能源的利 用是被動(dòng)的 ,利用程度也是很低下的 。柴草能源

2、時(shí)代人類(lèi)發(fā)展史上的一大飛躍 ,是 對(duì)火的利用 。自從學(xué)會(huì)利用火 ,人類(lèi)就慢慢結(jié)束了 茹毛飲血 、采摘野果的生活 。開(kāi)始 ,原始人從天然火 中保存火種 , 以草木取暖 , 吃熟食 , 抵御猛獸侵害 。 利用可燃物燃燒釋放出的化學(xué)能 ,人類(lèi)加快了進(jìn)化步伐 ,使原始人壽命更長(zhǎng) 、對(duì)自然的適應(yīng)能力更強(qiáng) 。 后來(lái) ,人類(lèi)掌握了取火的方法 ,使得人類(lèi)的活動(dòng)范圍 進(jìn)一步擴(kuò)大 。同時(shí) ,人類(lèi)還靠人力 、畜力以及來(lái)自太 陽(yáng) 、風(fēng)和水的動(dòng)力從事生產(chǎn)活動(dòng) ,逐步發(fā)展了農(nóng)業(yè)文 明 。當(dāng)然 , 這一階段能源的利用形式也是低級(jí)的 。例如依靠畜力拉磨 ,用水車(chē) 、風(fēng)車(chē)提水 ,在太陽(yáng)下干 燥谷物等 。礦物能源時(shí)代 對(duì)礦物能源

3、的使用 ,早在公元 前幾百年前就開(kāi)始了 。在中國(guó)漢朝時(shí)期 ,就有用煤 煉鐵的記載 。人們用這種先進(jìn)的能源開(kāi)發(fā)了煉鐵技術(shù) ,使人類(lèi)在制造工具方面又大大地前進(jìn)了一步 ,結(jié) 合紡織 、造紙等技術(shù)的興起 ,極大促進(jìn)了農(nóng)業(yè)文明的 發(fā)展 。在中國(guó)古代 ,人們還發(fā)明了火藥 ,隨后傳到西 方 ,煤炭煉鐵和火藥的利用 ,促進(jìn)了手工業(yè)的初步發(fā) 展 ,為工業(yè)文明吹響了前奏 。礦物能源的第二次大規(guī)模利用 ,有三個(gè)重要事 件 。一是蒸氣機(jī)的發(fā)明與使用 。蒸氣機(jī)大量使用煤 炭 ,推動(dòng)各種機(jī)械做功 ,促進(jìn)了第一次工業(yè)革命的興19 卷 2 期 (總 110 期)起 ,為人類(lèi)跨入工業(yè)社會(huì)做出了重要貢獻(xiàn) 。二是石油的發(fā)現(xiàn)和內(nèi)燃機(jī)

4、的發(fā)明與使用 ,使工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模 極大地?cái)U(kuò)大 。三是電力的出現(xiàn) 。以大量煤炭和石油 為燃料的電廠 ,向各個(gè)生活和生產(chǎn)領(lǐng)域提供電能 ,極 大地提高了人類(lèi)的生活和工業(yè)生產(chǎn)水平 ,同時(shí)也促進(jìn)了科技進(jìn)步 。19 世紀(jì)末期 ,水利發(fā)電技術(shù)也得到 應(yīng)用 。電能的大規(guī)模使用 ,促進(jìn)了第二次工業(yè)文明 的蓬勃發(fā)展 。多能源時(shí)代20 世紀(jì) ,隨著礦物能源使用的負(fù) 面影響越來(lái)越大 ,人們更加重視通過(guò)不同途徑尋求能源 。首先是各國(guó)紛紛加大水利發(fā)電的開(kāi)發(fā)力度 , 其次是核能的利用 。利用核能是人類(lèi)發(fā)展史上的大 事 。核能的軍事利用 ,使人類(lèi)面臨著毀滅的潛在危 險(xiǎn) 。核能的和平利用 ,使人類(lèi)找到了一種潛力巨大 的能源 。這

5、一時(shí)期人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用的新能源還有太陽(yáng)能 、風(fēng)力發(fā)電 、地?zé)崮?、海洋能 、生物質(zhì)能 、氫能等 。 其中對(duì)風(fēng)能 、水能 、生物質(zhì)能的利用已經(jīng)大大超越了 古時(shí)候效率低下的利用形式 。第三次科技革命以 來(lái) ,尤其是信息技術(shù)的發(fā)展 ,極大地提高了能源利用 和管理的效率 ,促進(jìn)了人類(lèi)文明的繁榮與發(fā)展 。二 、能源危機(jī)每一種文明都有其能源基礎(chǔ) 。農(nóng)業(yè)文明的能源 基礎(chǔ)是柴草能源 ,輔之以畜力 、風(fēng)力 、水力 、煤炭等 。 開(kāi)拓耕地和燒炭煉鐵都要砍伐森林 。隨著人口的增 長(zhǎng)和農(nóng)田的擴(kuò)展以及手工業(yè)的發(fā)展 ,森林大量消失 ,終于超過(guò)了大自然的再生補(bǔ)償能力 ,發(fā)生了木材燃 料短缺的能源危機(jī) 。于是化石礦物燃料 ,首先

6、是煤 , 成了緩解這場(chǎng)危機(jī)的新能源 。工業(yè)文明的能源基礎(chǔ)先期主要是煤 、石油 、天然 氣等化石礦物能源 , 近幾十年來(lái)還有核能與水電 。隨著工業(yè)文明的迅猛發(fā)展 ,能源問(wèn)題逐步突出 。 首先是能源短缺問(wèn)題 。隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng) 、生活水平的提高 、人口的增加 ,人類(lèi)對(duì)能源的需求越來(lái)越 大 ,也越來(lái)越依賴(lài)它來(lái)維持經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng) 。而化石礦 物能源和核裂變材料都是不可再生能源 。一個(gè)國(guó)家要發(fā)展農(nóng)業(yè) 、工業(yè) 、國(guó)防 、科學(xué)技術(shù)和提高人民生活 水平 ,都離不開(kāi)能源 。進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái) ,能源的國(guó) 際市場(chǎng)價(jià)格持續(xù)走高 。能源的日益緊缺也造成了國(guó)67 際局勢(shì)的緊張 。大國(guó)紛紛加強(qiáng)對(duì)能源產(chǎn)地的控制 ,以?shī)Z得未來(lái)競(jìng)

7、爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì) 。根據(jù)世界能源的消費(fèi)趨 勢(shì) ,半個(gè)世紀(jì)后 ,人類(lèi)將面臨全面的傳統(tǒng)能源短缺問(wèn)題 (水能除外) 。 其次是大量使用化石礦物能源造成的環(huán)境污染問(wèn)題 ,包括水污染 、固體廢棄物污染 、大氣污染 、全球 氣候變暖等世界性問(wèn)題 。到目前為止 ,人類(lèi)植樹(shù)造 林 、排污處理等各種環(huán)境保護(hù)措施遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法補(bǔ)償對(duì) 環(huán)境造成的污染 。人類(lèi)要保持經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展 ,維持生態(tài)平衡 , 使工業(yè)文明不致于衰落 ,就必須徹底解決能源問(wèn)題 , 尋找新的能源 。三 、新能源利用人類(lèi)要擺脫能源危機(jī) ,出路在于轉(zhuǎn)向新的能源 構(gòu)成 、減少對(duì)礦物能源的依賴(lài) 、加強(qiáng)可再生能源和清潔能源的開(kāi)發(fā)利用 、轉(zhuǎn)變能源消費(fèi)方式 、大力推廣新能源

8、技術(shù)和節(jié)能技術(shù) 。(1) 加強(qiáng)可再生清潔能源的利用 。利用科技進(jìn) 步的力量 ,不斷提高水能 、風(fēng)能 、太陽(yáng)能 、海洋能 、地 熱能 、生物質(zhì)能和氫能的利用效率 。利用法律 、政策 大規(guī)模推廣可再生清潔能源的利用 。(2) 進(jìn)一步改進(jìn)高效燃燒技術(shù)和清潔煤技術(shù)的 同時(shí) ,盡量少用礦物能源 ,爭(zhēng)取把更多的礦物能源作 為化工原材料留給未來(lái) ,逐步減少對(duì)礦物能源的依 賴(lài) 。(3) 改變能源的消費(fèi)方式 ,加強(qiáng)節(jié)能 。要減少人 類(lèi)無(wú)止境的物質(zhì)享受對(duì)能源的浪費(fèi) 。市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律 推動(dòng)人類(lèi)的奢侈生活 ,造成對(duì)能源和資源的鋪張浪 費(fèi) 。因此 ,要利用國(guó)家調(diào)控的力量 ,加強(qiáng)對(duì)奢侈品的 生產(chǎn)管理 。利用科技的力量 ,大

9、力發(fā)展節(jié)能技術(shù) ,并 利用法律 、政策宣傳推廣節(jié)能技術(shù) 。(4) 發(fā)展高效發(fā)電技術(shù) ,包括磁流體發(fā)電 、燃料 電池 、超導(dǎo)輸電技術(shù)等 。大力發(fā)展“第四代核能系 統(tǒng)”。“第四代核能系統(tǒng)”是一種安全 、清潔高效的核 裂變發(fā)電技術(shù) 。其首要要求就是在任何情況下都不 發(fā)生事故 ,至少是不能發(fā)生嚴(yán)重事故 。目前國(guó)際上 比較一致的看法是 ,高溫氣冷堆是惟一滿(mǎn)足“第四代 核能系統(tǒng)”要求的裝置 。我國(guó)清華大學(xué)主持研發(fā) ,于2000 年年底正式建成的“10m w 高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆”,是世界上第七座高溫氣冷堆 ,同時(shí)也是世界上具有 最高水平的高溫氣冷堆 。這意味著在國(guó)際核能界 , 我們已由原來(lái)的相對(duì)落后躍居領(lǐng)先位置

10、 。68 在擺脫能源危機(jī) 、利用新能源方面 ,各國(guó)要在立法 、貿(mào)易 、科技和國(guó)際援助等領(lǐng)域加強(qiáng)合作 。為了人 類(lèi)文明的持續(xù)健康發(fā)展 ,為了人與自然的和諧 ,必須從使用傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂眯履茉?。四 、人類(lèi)未來(lái)的希望 核聚變能新能源的廣泛使用 ,必然能使人類(lèi)的能源危機(jī) 得以緩解 ,使工業(yè)文明更具有生態(tài)文明的特點(diǎn) 。但 由于各自的局限性 ,許多新能源都不能全天候 、全空 間使用 。礦產(chǎn)資源是人類(lèi)文明重要的物質(zhì)基礎(chǔ) 。地球上的一次能源和礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量是有限的 ,隨著人 類(lèi)社會(huì)的發(fā)展 ,資源將越來(lái)越少 ,即使部分資源的回 收利用也必定難以彌補(bǔ)需求 。因此 ,人類(lèi)終究有一 天要走出地球搖籃 ,邁向宇宙文明

11、 。在這個(gè)過(guò)程中 , 地球上許多能源 ,都難以滿(mǎn)足人類(lèi)文明發(fā)展的需要 。不過(guò) ,也許核聚變可以擔(dān)當(dāng)重任 。 核聚變能利用的是輕元素核聚變所釋放的能量 。目前實(shí)驗(yàn)反應(yīng)利用的是氫的同位素氘 ( d) 和氚( t) 在特定的高溫和約束條件下進(jìn)行的可以控制的 核聚變反應(yīng) ,聚合成新的原子核氦并釋放出巨大的 能量 。1 千克氘和氚的混合物進(jìn)行熱核聚變反應(yīng)釋 放的能量相當(dāng)于 9000 噸汽油燃燒的能量 ,是同等重 量鈾核裂變反應(yīng)所釋放能量的大約 5 倍 。核燃料氘 和氚等可從海水中提取 。1 千克海水中提取的核燃 料聚變釋放的能量相當(dāng)于 300 升汽油燃燒釋放的能 量 。人類(lèi)若能掌握成熟的提煉技術(shù) ,就等

12、于找到了 取之不盡 、用之不竭的能源 。若人類(lèi)能夠開(kāi)發(fā)月球 資源 ,月球上還有豐富的核聚變材料氦 3 。核聚變能的軍事應(yīng)用 ,早已通過(guò)氫彈得以實(shí)現(xiàn) 。 但核聚變能的和平利用 ,目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn) 。受控核聚變的實(shí)驗(yàn)研究始于 20 世紀(jì) 60 年代 ,由于困難太 大 ,人們?cè)欢葘?duì)其失去信心 。到 90 年代 ,受控核 聚變的研究取得了突破性進(jìn)展 。歐洲和美國(guó)都建成 了輸出功率大于輸入功率的實(shí)驗(yàn)裝置 。這一成功鼓 舞了人們的士氣 ,相關(guān)國(guó)家紛紛加大受控核聚變研究的投入 。全球大約有 40 多個(gè)國(guó)家開(kāi)展了受控核 聚變的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究 。同時(shí) ,由于受控核聚 變研究需要耗費(fèi)巨大的人力 、財(cái)力 ,促使

13、國(guó)際間進(jìn)一 步合作 。目前 ,歐盟 、中國(guó) 、美國(guó) 、日本 、韓國(guó) 、俄羅斯 和印度共同參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆 ( i t er)計(jì)劃 。值得一提的是 ,中國(guó)耗時(shí) 8 年 、耗資 2 億元人民 幣自主設(shè)計(jì)建造的新一代熱核聚變裝置 ( ea s t) 于現(xiàn)代物理知識(shí) 1994-2015 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 細(xì)推物理須行樂(lè)何用浮名絆此生漫談物理學(xué)家的體育愛(ài)好胡保革王洪鵬有一些教師在介紹物理學(xué)家的奇聞逸事時(shí) ,往往過(guò)分強(qiáng)調(diào)他們對(duì)科學(xué)研究

14、的態(tài)度 ,把他們研究的 內(nèi)容描繪得高深莫測(cè) ,使很多初學(xué)物理的學(xué)生認(rèn)為物理學(xué)家都是一些“書(shū)呆子”。這種認(rèn)識(shí)當(dāng)然是片面 。物以類(lèi)聚 、人以群分 ,物理學(xué)家無(wú)疑具有一些共 同的特征 ,但這種特征更多地表現(xiàn)在科學(xué)研究工作 中 。而在日常生活中 ,他們也是普通人 ,也有業(yè)余愛(ài)好 。如此看來(lái) ,要全方位地介紹物理學(xué)家 、使學(xué)生正 確理解物理學(xué)家 、培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)樂(lè)趣 ,也需 要向?qū)W生介紹物理學(xué)家作為“人”的一面 。實(shí)際上 ,大多數(shù)物理學(xué)家都是既懂工作 、又會(huì)生 活的精英 。在他們的業(yè)余愛(ài)好中 ,體育 、音樂(lè) 、文學(xué) 、戲劇占了很大比例 ,散步 、旅行也很受歡迎 ,少數(shù)的 還對(duì)美術(shù) 、文學(xué)創(chuàng)作 、收

15、藏等有興趣 ,很多人甚至有 多種愛(ài)好 。在音樂(lè)方面 ,例如牛頓喜歡六弦提琴 ,愛(ài) 因斯坦喜歡小提琴 、鋼琴 ,普朗克喜歡鋼琴 。愛(ài)因斯 坦在 6 歲時(shí)就學(xué)拉小提琴 ,曾經(jīng)夢(mèng)想成為一名小提琴演奏員 ,后來(lái)雖然放棄了這一夢(mèng)想 ,但是對(duì)小提琴 的感情卻始終如一 。在談及音樂(lè)和科學(xué)的關(guān)系時(shí) ,愛(ài)因 斯 坦 認(rèn) 為 世 界 可 以“由 音 樂(lè) 的 音 符 組 成 , 也 可以 由 數(shù) 學(xué) 公 式 組 成 ?！倍砹_斯第 一 位 全 能 型 科 學(xué) 家 羅 蒙 諾 索 夫 ( m . v .lo mno sov ,1711 1765) 寫(xiě) 有 長(zhǎng) 詩(shī) 、贈(zèng) 詩(shī) 、悲 劇 及 諷 刺文章 ,創(chuàng)造了富有哲理和崇

16、尚激情的頌詩(shī)等 ,以致 很多人認(rèn)為有兩個(gè)羅蒙諾索夫 。馮卡門(mén)在科學(xué) 、技術(shù)及教育等方面都有卓越貢獻(xiàn) ,是“航空航天時(shí)代的 科學(xué)奇才”,被譽(yù)為“火箭之父”。他喜歡收藏東方的 珍玩器物 ?？茖W(xué)雜志對(duì)馮卡門(mén) 1929 年的中國(guó)之 行做了報(bào)道 ,稱(chēng) “: 馮卡門(mén)平生酷愛(ài)東方文物 ,言及 在家中 ,辟有精室 ,專(zhuān)為陳列中國(guó)及日本珍玩器物之用 。飲食亦嗜中國(guó)之調(diào)味 ?！?物理學(xué)家的體育愛(ài)好可以說(shuō)多種多樣 ,本文僅做簡(jiǎn)要介紹 。富蘭克林喜歡游泳 、騎馬 、舉重 ,普朗 克熱愛(ài)登山和散步 ,盧瑟福喜歡足球 、登山 ,玻爾喜 歡足球 、乒乓球 、帆船 、滑雪 ,愛(ài)因斯坦喜歡登山 、劃船 、自行車(chē) ,居里夫人喜歡

17、滑雪 、游泳 、騎自行車(chē) ,費(fèi) 米喜歡網(wǎng)球 、登山 、跑步 ,布勞恩幾乎是全能運(yùn)動(dòng)員 。2006 年 9 月 28 日首次成功完成放電實(shí)驗(yàn) 。這次試驗(yàn)是由中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 ea s t 國(guó)家 大科學(xué)工程實(shí)施 ,獲得電流 200 千安 、時(shí)間接近 3 秒 的高溫等離子體放電 。ea s t 集全超導(dǎo)和非圓截面 兩大特點(diǎn)于一身 ( 全超導(dǎo)表示約束等離子體的磁體為全超導(dǎo)磁體 ,非圓截面是指等離子體截面為非圓 截面 ,這是一種比圓截面更先進(jìn)的等離子體位形) , 且具有主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu) ,能產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的 、具有先進(jìn)運(yùn)行 模式的等離子體 。ea s t 成為世界上第一個(gè)建成并 正式投入運(yùn)行的全超導(dǎo)非

18、圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置 , 標(biāo)志著我國(guó)核聚變研究已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平 。據(jù)新 華網(wǎng)北京 07 年 1 月 22 日?qǐng)?bào)道 ,不久前 ,我國(guó)科學(xué)家 通過(guò)給位于成都附近的中國(guó)環(huán)流器二號(hào) a 核聚變 實(shí)驗(yàn)裝置不斷加熱 ,使其內(nèi)的等離子體電子溫度“躍 升”到 5500 萬(wàn)攝氏度 ,朝聚變裝置“點(diǎn)火”所需的上 億攝氏度高溫邁進(jìn)了一大步 ,成為迄今為止我國(guó)磁 約束核聚變裝置達(dá)到的最高等離子體溫度 ,標(biāo)志著19 卷 2 期 (總 110 期)我國(guó)磁約束核聚變研究再上一個(gè)新臺(tái)階 。ea s t 和中國(guó)環(huán)流器二號(hào) a 核聚變裝置是我國(guó)目前擁有的 兩個(gè)較為著名的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置 ,它們必將為人類(lèi) 的能源事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn) 。若未來(lái)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的熱核聚變反應(yīng)堆能夠投入商業(yè)運(yùn)行 ,就能提供無(wú)限的 、潔凈的 、安全的能源 ,將使 人類(lèi)未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間的能源問(wèn)題得到徹底解決 。 核能除了發(fā)電 ,還可供熱 ,以及作為動(dòng)力能源 。由于 核動(dòng)力不需要空氣