物理與能源

1、物理學與中國能源可持續(xù)發(fā)展物理學與中國能源可持續(xù)發(fā)展杜祥琬院士在現(xiàn)代社會進步的歷程中基礎性很強的物理學和應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)系和深刻的相互作用。物理學對許多工程技術(shù)領(lǐng)域的開創(chuàng)起著先導、引領(lǐng)的作用而工程技術(shù)不僅直接地創(chuàng)造生產(chǎn)力而且反過來開拓、深化了物理學研究的領(lǐng)域。能源工程技術(shù)與物理學的關(guān)系具有典型的代表性。我國能源的可持續(xù)發(fā)展引起了廣泛的關(guān)注。面對我國的能源問題需要大力節(jié)能以控制能耗的總量；需

2、要大力發(fā)展?jié)崈粜履茉匆愿纳颇茉唇Y(jié)構(gòu)；需要積極推進傳統(tǒng)能源的潔凈化，以減少污染；需加強能源資源勘探以開發(fā)潛在能源。在所有這些方面物理學的應用都可以做出重要的貢獻。1原子核物理學與核能工程1905年愛因斯坦在“論動體的電動力學”一文中提出了高速運動下的相對性理論提出了四維時空的新概念；作為相對論的一個推論愛因斯坦又提出了質(zhì)能關(guān)系及著名表達式E=mc2開創(chuàng)了原子核物理和核能應用的新時代。在此之前19世紀末相繼發(fā)現(xiàn)了X射線、放射性和電子。在此之

3、后1911年盧瑟福提出了原子的核式模型；1913年玻爾完善了原子結(jié)構(gòu)理論；1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子；同年海森伯和伊凡寧柯分別獨立提出了原子核由質(zhì)子和中子組成的模型；1934年約里奧居里夫婦成功地用人工方法產(chǎn)生了放射性同位素。經(jīng)過科學家們幾年曲折的研究和嚴謹?shù)姆治?939年初宣布了哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)在中子轟擊下的鈾核裂變以及梅特納和弗里什的理論解釋。對核結(jié)構(gòu)和核質(zhì)量的研究導致了人們對原子核結(jié)合能隨原子量變化規(guī)律的認識:當一個重核分裂成

4、兩個中等質(zhì)量的核時會釋放能量；釋放能量的大小可由愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式估計E=Δmc2Δm即裂變或聚變反應時原子核質(zhì)量的變化稱作質(zhì)量虧損而一次核聚變時放出的能量要比核裂變時大4倍以上。這些原子核物理的發(fā)現(xiàn)奠定了裂變核能與聚變核能應用的基礎。而核能應用的實現(xiàn)還必須進一步解決一系列應用物理學和工程技術(shù)上的問題。在突破了核武器技術(shù)之后遂開始把核能引向和平利用的方向作為潔凈的能源為人類造福。目前已做出實際貢獻的核能是基于核裂變反應堆的核電站。在我

5、國目前主要是壓水堆(PWR)核電站。核電站由核島和常規(guī)島兩大部分組成在核島內(nèi)要使核能以可控的、安全的、長期持續(xù)的形電的2倍競爭力將顯著提高。另外太陽能的能量密度低集能面積大需要在科學技術(shù)上取得重大突破大幅度提高光電轉(zhuǎn)換效率降低成本。技術(shù)創(chuàng)新的方向之一是提高光電轉(zhuǎn)換效率。硅對光的吸收效率不高所以需用厚的吸收層耗費材料。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體材料。進一步提高光電效率的途徑也在探索中例如串列結(jié)構(gòu)的半導體材

6、料、半導體納米結(jié)構(gòu)迭成的量子阱系統(tǒng)使用復合材料或有機染料等。這些都有賴于物理上和技術(shù)上創(chuàng)造性的努力。我國將在天津建設一條銅銦硒薄膜太陽能電池中試線。太陽能發(fā)電事業(yè)前景廣闊。說得更長遠一些還有空間太陽能電站的設想。即在地球的靜止軌道上建太陽能電站然后將能量轉(zhuǎn)換成微波定向發(fā)送到地球上加以利用。與在地球上利用太陽能相比空間利用太陽能的優(yōu)點是:光強高光照時間更長環(huán)境比較潔凈。但在太空利用太陽能需要解決一些物理上和技術(shù)上的難題例如需要提高能量轉(zhuǎn)換

7、效率；要有低成本的地面接受；還有結(jié)構(gòu)、輕量化等很多難題。1997年美國宇航局提出兩個太陽能電站方案即電池陣由數(shù)百個圓盤形電站組成的太陽塔方案；用高效薄膜電池陣發(fā)電的太陽盤方案這樣一個電站大概需要400億美元?？臻g太陽能雖然比煤炭、核能、水電要貴但比地面利用太陽能要便宜。如果這個方案把造價降到100億美元以下它就具有可行性了；聯(lián)合國第三次外空會議號召加強空間太陽能電站技術(shù)與經(jīng)濟可行性的研究推動國際合作。預計到2030年第一個試驗性的空間太

8、陽能電站可望升空。2.2風能中國古代就有大量利用風能的風車。初步探明中國可開發(fā)利用的地表風電資源陸地約為215108kW海上數(shù)億kW如果擴展到50～60m以上高空風力資源更多如能開發(fā)其中的23就能提供約10108kW以上的電力再加上約5108kW的水電將能大幅度補充2050年所需電力的缺額。近20年來國際上風能發(fā)電發(fā)展迅速2002年全世界風電裝機容量達到3200104kW平均年增長速度超過30%近10年成本下降了一半。至2020年風力發(fā)

9、電可提供世界電力需求的12%創(chuàng)造180萬個就業(yè)機會并減少100108t以上的CO2排放。中國風力發(fā)電十幾年來迅速發(fā)展建成了43座大型風電場2004年并網(wǎng)風電裝機容量達到57104kW但總體規(guī)模仍不大對國家能源供應的貢獻很小。風力發(fā)電是目前中國最具有大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化前景的可再生能源2020年裝機容量有望超過3000104kW。目前國家正在推進大型風電設備的國產(chǎn)化以大幅降低風電成本提升產(chǎn)業(yè)競爭力。降低風能成本推進國產(chǎn)化需要解一系列物理和技術(shù)問題