物理與能源

1、物理學(xué)與中國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展物理學(xué)與中國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展杜祥琬院士在現(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)系和深刻的相互作用。物理學(xué)對(duì)許多工程技術(shù)領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)起著先導(dǎo)、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(guò)來(lái)開(kāi)拓、深化了物理學(xué)研究的領(lǐng)域。能源工程技術(shù)與物理學(xué)的關(guān)系具有典型的代表性。我國(guó)能源的可持續(xù)發(fā)展引起了廣泛的關(guān)注。面對(duì)我國(guó)的能源問(wèn)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(jìn)傳統(tǒng)能源的潔凈化，以減少污染；需加強(qiáng)能源資源勘探以開(kāi)發(fā)潛在能源。在所有這些方面物理學(xué)的應(yīng)用都可以做出重要的貢獻(xiàn)。1原子核物理學(xué)與核能工程1905年愛(ài)因斯坦在“論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)”一文中提出了高速運(yùn)動(dòng)下的相對(duì)性理論提出了四維時(shí)空的新概念；作為相對(duì)論的一個(gè)推論愛(ài)因斯坦又提出了質(zhì)能關(guān)系及著名表達(dá)式E=mc2開(kāi)創(chuàng)了原子核物理和核能應(yīng)用的新時(shí)代。在此之前19世紀(jì)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(dú)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(guò)科學(xué)家們幾年曲折的研究和嚴(yán)謹(jǐn)?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(duì)核結(jié)構(gòu)和核質(zhì)量的研究導(dǎo)致了人們對(duì)原子核結(jié)合能隨原子量變化規(guī)律的認(rèn)識(shí):當(dāng)一個(gè)重核分裂成

4、兩個(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)會(huì)釋放能量；釋放能量的大小可由愛(ài)因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式估計(jì)E=Δmc2Δm即裂變或聚變反應(yīng)時(shí)原子核質(zhì)量的變化稱作質(zhì)量虧損而一次核聚變時(shí)放出的能量要比核裂變時(shí)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(yīng)用的基礎(chǔ)。而核能應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)還必須進(jìn)一步解決一系列應(yīng)用物理學(xué)和工程技術(shù)上的問(wèn)題。在突破了核武器技術(shù)之后遂開(kāi)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(shí)際貢獻(xiàn)的核能是基于核裂變反應(yīng)堆的核電站。在我

5、國(guó)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(zhǎng)期持續(xù)的形電的2倍競(jìng)爭(zhēng)力將顯著提高。另外太陽(yáng)能的能量密度低集能面積大需要在科學(xué)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(duì)光的吸收效率不高所以需用厚的吸收層耗費(fèi)材料。薄片太陽(yáng)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途徑也在探索中例如串列結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材

6、料、半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)迭成的量子阱系統(tǒng)使用復(fù)合材料或有機(jī)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(guó)將在天津建設(shè)一條銅銦硒薄膜太陽(yáng)能電池中試線。太陽(yáng)能發(fā)電事業(yè)前景廣闊。說(shuō)得更長(zhǎng)遠(yuǎn)一些還有空間太陽(yáng)能電站的設(shè)想。即在地球的靜止軌道上建太陽(yáng)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(yáng)能相比空間利用太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)是:光強(qiáng)高光照時(shí)間更長(zhǎng)環(huán)境比較潔凈。但在太空利用太陽(yáng)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(guó)宇航局提出兩個(gè)太陽(yáng)能電站方案即電池陣由數(shù)百個(gè)圓盤形電站組成的太陽(yáng)塔方案；用高效薄膜電池陣發(fā)電的太陽(yáng)盤方案這樣一個(gè)電站大概需要400億美元。空間太陽(yáng)能雖然比煤炭、核能、水電要貴但比地面利用太陽(yáng)能要便宜。如果這個(gè)方案把造價(jià)降到100億美元以下它就具有可行性了；聯(lián)合國(guó)第三次外空會(huì)議號(hào)召加強(qiáng)空間太陽(yáng)能電站技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性的研究推動(dòng)國(guó)際合作。預(yù)計(jì)到2030年第一個(gè)試驗(yàn)性的空間太

8、陽(yáng)能電站可望升空。2.2風(fēng)能中國(guó)古代就有大量利用風(fēng)能的風(fēng)車。初步探明中國(guó)可開(kāi)發(fā)利用的地表風(fēng)電資源陸地約為215108kW海上數(shù)億kW如果擴(kuò)展到50～60m以上高空風(fēng)力資源更多如能開(kāi)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(bǔ)充2050年所需電力的缺額。近20年來(lái)國(guó)際上風(fēng)能發(fā)電發(fā)展迅速2002年全世界風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到3200104kW平均年增長(zhǎng)速度超過(guò)30%近10年成本下降了一半。至2020年風(fēng)力發(fā)

9、電可提供世界電力需求的12%創(chuàng)造180萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)并減少100108t以上的CO2排放。中國(guó)風(fēng)力發(fā)電十幾年來(lái)迅速發(fā)展建成了43座大型風(fēng)電場(chǎng)2004年并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到57104kW但總體規(guī)模仍不大對(duì)國(guó)家能源供應(yīng)的貢獻(xiàn)很小。風(fēng)力發(fā)電是目前中國(guó)最具有大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化前景的可再生能源2020年裝機(jī)容量有望超過(guò)3000104kW。目前國(guó)家正在推進(jìn)大型風(fēng)電設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化以大幅降低風(fēng)電成本提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。降低風(fēng)能成本推進(jìn)國(guó)產(chǎn)化需要解一系列物理和技術(shù)問(wèn)題