“海水变汽油”­——离我们并不遥远

浙工大职技院 杨崎勋

     最近，各大报纸、电视台均报导了动植物油脂、煎炸废油、餐饮废油、泔水油等能生产出生物柴油，引起我对“海水变汽油”这一科题的极大兴趣。实际上，能源一直与人类的生存及社会的进步息息相关。20世纪中叶以来，世界又面临传统能源逐步枯竭的问题，而新能源和可再生能源科学技术有可能比较彻底地解决这一难题，将会对世界的发展和国际政治产生巨大的影响。

    (一)传统能源的回顾

    史前人类就开始钻木取火，用以取暖和煮熟食物。与制造工具和使用语言成为人类脱离猿人的重要标志一样，能源的利用在史前也对人类进步起了重大作用。

    人类真正在生产上比较大规模地利用能源是从公元前2000年巴比伦人用木炭炼铁开始的，这时人类利用能源已不仅仅是为了生活：煮熟食物和取得温暖，而且是为了生产。当时使用的是植物能源：杂草和木柴。

    公元前2世纪，在中国的汉朝有人类用煤炼铁的最早记载。人类开始利用固体矿物能源，并利用这种最先进的能源开发了当时的高技术——炼铁术，由于当时的造纸技术、机织技术和炼铁技术等的发展，使中国成为当时世界上最强盛的国家。

    过了1000年，到公元1092年，在中国开始给液体矿物能源“石油”命名，开始了石油的研究和使用，但由于各种历史原因这次能源的开发没有在中国得到发展。而是到700多年后的1854年，石油才由美国的B．西利曼(B．Silliman)第一次进行分馏，1859年在美国的宾夕法尼亚州打了世界上第一口油井。石油新能源的真正利用大大促进了当时的高技术——内燃机技术和汽车制造技术的发展，使人类步入机械化时代。随之使用的新能源还有天然气。

    人类在几千年前就开始以水车和风车的形式小规模、低效率地利用水力能源和风力能源，直到电力技术——19世纪末的高技术发展以后，水力才能以发电的形式作为一种新能源来使用，这也说明技术发展是和新能源开发互相影响、互相促进的。

    (二)新能源和可再生能源的开发

    高科技中的新能源，比较全面地讲应该称为新能源和可再生能源(new and renewable energy resources)，因为严格地说，太阳能、风能和水力能等能源都不是新能源，人类使用历史已很久远，但是以前的利用技术与规模和在高技术条件下的利用是不可比拟的，高技术是用全新的手段来利用传统能源，而这些能源又多有可再生的特性，因此，将这些能源与新能源一起统称为新能源和可再生能源。

从高科技的角度来讲，目前新能源和可再生能源主要包括核能，其中又分裂变能和受控热核聚变能、太阳能、潮汐能、风能、地热能和生物能等，而受控热核聚变与“海水变汽油”有直接关系，通过高技术利用这一新能源是如何演变，目前的现状又如何呢？据有关资料的介绍。   

人类首先利用的核能是核裂变能，也就是重元素，例如铀和钚的原子核分裂所释放出的能量。第一次铀核裂变反应是于1940年分别在法国由I．约里奥一居里(I. Joliot Curie)小组和在美国由E．费米(E．Fermi)小组几乎同时实现的。第一个核裂变的实验反应堆是由美国的费米实验室在伊利诺州的芝加哥研制成功的，第一座裂变核电站由前苏联在1954年建成。由于这项技术主要是在50～60年代开发的，而新技术革命一般认为在60年代末才开始，因此，国际上一般不把早期裂变反应堆技术称为高技术。但是自80年代后裂变反应堆在燃料、反应方式、冷却剂和防护方面都有重大改进，这些改进利用的都是高技术，所以新型裂变反应堆技术又被称为高技术。

    受控热核聚变利用的是轻元素，例如氢(H)，核聚变所释放的能量。目前实验反应利用的是氢的同位素氘(D)和氚(T)在特定的高温和约束条件下进行的可以控制的核聚变反应，聚合成较重的He原子核并释放出巨大的能量，反应简式如下：

    D十T＝He十能量

    1千克氘和氚的混合物进行热核聚变反应可以释放出相当于9000吨汽油燃烧的能量，是同重量铀进行核裂变反应释放能量的大约5倍。氘和氚与铀等稀有重金属不同，可以取自海水，1千克海水中可以提取34毫克氘，也就是说1升海水可以顶300升汽油，就是所谓的“海水变汽油”。世界上的海水至少可以提取23万亿吨氘，以1993年世界能源的消耗来计算，可供人类使用100亿年以上。因此，可以说人类找到了取之不尽、用之不竭的能源。同时，热核聚变又不产生放射性污染，所以，它还是一种清洁能源。

    受控热核聚变的实验研究始自本世纪60年代，由于耗资很大和技术困难，在很长时期内被认为是基础研究，变为高技术的前景渺茫。因此，发达国家对于人、物和财力的投入长期举棋不定，时起时落，使人们对这项研究的应用前景产生了悲观的论调。

    自90年代以来受控热核聚变的研究取得了突破性的进展。1991年11月9日建在英国牛津郡卡拉姆实验室的欧洲受控核聚变研究中心的欧洲大环(JET)在实验中获得了功率输出，从实验上证明了热核聚变能量可控、可利用的可能性。这次反应的温度达到了2x108℃，为太阳表面温度的10倍，并且首次获得了2兆瓦(2X106瓦)的功率输出。1993年12月10日美国普林斯顿大学等离子体物理实验室又创造了5．6兆瓦的可控热核聚变反应功率输出的新世界纪录。1994年1月5日普林斯顿实验室再次创造了功率输出10．7兆瓦的纪录，这一输出相当于一个小型电站的功率，输出功率与输入功率之比为28％，而且仅用了4亿美元就达到了原来预计耗费18亿美元才能达到的指标。

1997年10月31日夜在欧洲受控核聚变研究中心的环状受控核聚变实验器——欧洲大环(JET)_E做出了16．1兆瓦输出功率的世界纪录，更为重要的是输出功率与输入功率之比达到65％，也创造了世界纪录，在不到4年的时间内把世界纪录翻了一番。因此完全有理由估计，在21世纪初可以达到正功率输出，也就是输出功率与输入功率之比大于100％。就目前看来，原来估计受控热核聚变于2050年商用，完全有可能提前到2020～2030年。   

1997年8月日本科学技术厅发表《技术预测调查报告》估计聚变发电站可望在2025年建成，1997年由美国45位著名科学家组成的新兴技术预测委员会预测2026年核聚变能将能商用。

    这一系列的成功，不仅大大鼓舞了科学家，也鼓舞了政府，日本政府决定在土岐市建造新的大型装置，地上高度40米，地下深度13米，长75米，壁厚达2米。美国政府也决定在著名的芬伦斯·利弗莫尔实验室建设另一种约束方式——激光器的受控热核聚变点火装置，预计2002年交付使用，全部工程费用达9亿美元。建成后15年的运行费用达180亿美元，还不包括每年0．6亿美元的维修费。

    为了获得新能源、占领受控热核聚变技术的制高点，各主要国家之间展开了激烈的竞争，从下表中可以看出。这种竞争正在愈演愈烈。

    各国受控热核聚变技术研究的竞争图表

    (三) 国际能源的眺望

    在国际能源中产生的新变化，主要是从资源能源观变化为高技术能源观。自工业革命以来，一个国家是否富裕，是否发达，是否强大都和对能源的占有密切相关。工业革命能够在英国起源和发展，英国有丰富的煤矿是一个重要的因素；美国后来发展成为世界上最强大的国家，和它的巨大石油储量也是分不开的。甚至在当代，沙特阿拉伯和科威特等海湾国家也由于石油，在短短的几年之中从穷国一跃为富国。然而，自新技术革命以来，尤其是70年代以后高科技迅猛发展以来，这种观念已经随着事实的变化而改变。

    1、新能源科学技术对综合国力的作用

    1770年工业革命以前，人类利用的能源主要是杂草和木柴，1770年以后煤取代柴草成为第一能源，到1965年石油超过煤而成为第一能源。估计到2030年前后，核能(包括核裂变能和核聚变能)、太阳能、生物能、地热能、潮汐能和风能等新能源和可再生能源在世界能源利用份额的总和将会超过石油、煤、天然气和水利等传统能源的总和。从某个国家来看，其传统能源蕴藏量对综合国力的影响将会相对降低，其新能源科学技术的水平将会起到日益重要的作用。换句话说，一个国家仅仅依靠传统能源储量的开发，非但不会强大，连富足都很困难；“有了能源，就有了一切的时代”将会过去。日本、新加坡、香港和韩国都是传统能源匮乏的国家和地区，但恰恰是60年代以来经济发展最迅速，国力增强最快的国家和地区，能源匮乏也越来越不成为制约他们发展的重要因素。

    50年代，甚至到60年代都有一些西方著名经济学家认为，日本受其能源极端匮乏的制约不可能实现经济持续高速发展，综合国力不可能非常强大，始终是“贫血儿”。仅仅过了20年，事实已经证明用这种能源观分析国际问题是错误的，其错误的根源就在于不了解或不认识高科技的作用。

    2、对“世界能源危机”的看法

    工业革命以来的国际和世界战争，甚至是大战中的一个战役，许多都与能源密切相关。1870年普法战争和第一次世界大战都与争夺德国鲁尔和法国里尔的煤密切相关；第二次世界大战中，希特勒在进攻前苏联莫斯科的战役中转而南下高加索，担心能源危机，去夺取石油是重要原因之一；一直到90年代，海湾战争也与石油密切相关。

    今天，世界面临着全球性的传统能源危机(水利能除外)，联合国1994年1月24日公布的报告估计，按1991年的采量，按当时探明的储量加上可能增加的储量，石油还能开采75年，天然气只能维持56年，如果我们把没有开采价值的煤储量不算在内，煤大约也只够用180年。1997年1月的最新统计，石油还能开采42年。由此看来，半个世纪以后，人类将面临全面的传统能源危机。