中流击水 2016年02月17日 21:23

化石能源用完了,拿什么来建设社会主义?

文/太平洋的风

十八世纪末的工业革命让人类社会进入工业时代。工业时代在生产力方面不同于农业时代的突出特点之一,是大量使用化石能源。煤、石油、天然气等化石能源,驱动了现代的工农交通系统。但是,化石能源是有限的,随着工业化在全世界扩散,对能源的需求越来越大,化石能源面临着耗尽的前景。据BP2015年能源报告,截止2014年底,世界石油探明储量为2398亿吨,仅可满足52.5年的全球生产需要。天然气探明储量187.1万亿立方米,可满足54.1年的生产需要。世界煤炭探明储量8915亿吨,可满足110年的全球生产需要。尤其是中国,由于人口众多和工业的快速发展,主要能源的储存比更小,能源问题的紧迫性更高。

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联合国报告显示,2014年全世界的城市化率达到54%,也就是说,仍有将近一半的人生活在农村,这些人主要分布在非洲和亚洲。目前,城市率低的国家能源消耗比较少,如果这些地区也完成工业化和城市化,可以预期,能源消耗的需求会大大增加。

2014年全球一次能源消费量

2014年全球一次能源消费量

据估计,石油和天然气未探明的资源量不大,但全球煤炭资源量有十几万亿吨(其中中国煤炭资源量达5.9万亿吨),远远超过八九千亿吨的储量,可以使用几百年。不过,科学界普遍认为,由于化石能源燃烧造成的温室效应问题,人类将面临全球气候变暖所带来的生态灾难。为避免这种情况,各国政府都在积极发展新能源,期望逐渐降低化石能源在能源消费结构中的比重,在2050年以前将温室气体排放减少60%。

但是,可再生能源能够替代传统的化石能源吗?这个问题没有一个简单的答案。支持可再生能源和反对可再生能源的人士都有理由认为自己正确的,但是,多数人都是凭感觉泛泛而谈,而且往往是基于不准确的事实在讨论。英国剑桥大学教授、英国能源与气候变化部首席科学顾问戴维·麦凯(David J.C Mackay)的著作《可持续能源:事实与真相》(Sustainable Energy: without the hot air)则是从实际情况出发,用数字说话,通过大量科学分析和计算,澄清了很多存在广泛争论的问题。作者估算正常的人均能源消费量为195千瓦时/天(这高于英国军人均每天能源消费量125千瓦时),同时对各种新能源(风能、太阳能、潮汐能、核能等)可供60亿人在一千年内每日消费的量做了分析和估计,看各种新能源能否取代化石能源,满足人类的需要。作者没有给出肯定或者否定的回答,而是让读者自己去判断。

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在化石能源危机的大背景下,社会主义者们也有必要估计一下,如果人类在不远的将来(比如2070年)想要建立环境友好的可持续发展的社会主义社会,新能源能否支撑这样的计划呢?化石能源用完了,拿什么来建设社会主义呢?乐观派相信,未来在于实验室里的可控核聚变,但悲观主义者却认为,化石能源枯竭之前,人类还发展不出可控核聚变技术。而化石能源将在近二三百年内耗尽,工业社会将会崩溃,许多人会死亡,一些人退回到农业社会,也许还有一些科学家和精英人士用剩余的裂变能源和化石能源来维持一个小型的工业核心,保存人类的科学和文化。如果真是这样,资本主义的大工业生产都灭亡了,社会主义社会当然更无从谈起。

当然,谁都不情愿相信人类历史会这样结束,但反驳这种说法得用数字说话。本文就准备粗略的估计一下,目前的主要新能源即太阳能、风能、水能、核裂变能以及在研发中的核聚变能等,能否满足相对丰裕的社会主义社会的能源需求。为了讨论方便,文章有四个假定。1)未来社会主义社会中的人每天的能源消耗为戴维·麦凯所估算的人均消费量195千瓦时/天。2)在500年后,人类已经征服了完全掌握了可控核聚变技术乃至更先进的技术(考虑到工业革命爆发至今近200年,这种预期并不算离谱)。因此,目前人类在使用的或者科学界基本认为50年内可实现的技术,只用于支撑近500年内人类的能源需要。3)社会主义在全世界范围内实现,因此不必单独估计某一个国家的能源消费和资源储量。4)社会主义社会的全世界人口稳定在100亿以内。

需要说明一点,文章中只是使用《可持续能源:事实与真相》一书中的数据进行大致估算,而不是精确计算(当然,作为外行,也没有能力做精确计算)。对于初步设想下社会主义社会的能源工业构成来说,这样的计算应该足够了。为了讨论简便,本文只讨论太阳能发电、风电、水电和核电,不考虑潮汐能地热能等占比很小的能源。

可再生能源

首先,看看太阳能。

太阳能发电有两种形式,一种是光伏发电,另一种是光热发电。目前,光伏发电成本更低,是太阳能发电的主流。为了讨论方便,我们只考虑光伏发电。

之前有人认为,制造太阳能电池板消耗的能量大于其生产的能量。这种说法并不符合事实。实际上,太阳能电池板的能源回收期目前已经缩短至2-3年,随着技术的进步,这个时间还会继续缩短。

欧洲光伏板能源回收期 (来源:Mariska de Wild-Scholten, “Energy payback time and carbon footprint of commercial photovoltaic systems,” Solar Energy Materials & Solar Cells, 119 (2013)296-305.)

欧洲光伏板能源回收期 (来源:Mariska de Wild-Scholten, “Energy payback time and carbon footprint of commercial photovoltaic systems,” Solar Energy Materials & Solar Cells, 119 (2013)296-305.)

每平方米电池板可以发多少电呢?《可持续能源:事实与真相》做过一番推算:

在晴天无云的情况下,地面中午太阳垂直照射能量约为1000瓦/平方米。为了估算英国陆上太阳能,必须作些修正。我们必须考虑入射角,非垂直入射时,太阳能减少至赤道地区的60%。我们还要考虑处于中午时分的太阳时间很短。在无云情况下,在3月或9月,平均太阳能强度与中午太阳能强度比约为32%。最后,还要考虑云雾的覆盖降低了太阳能。典型的英国光照时间仅占白天的34%。上面三种因素的综合影响加上季节变化和昼夜变化,使英国朝南屋顶平均太阳能强度为110瓦/平方米,水平地面太阳能强度为100瓦/平方米。

光伏电池板将太阳光转换为电。普通太阳电池板转换效率大约为10%,贵的面板效率可达20%。(基本物理原则限制了光伏系统的效率,采用完美的聚光反射镜或透镜最高也只能达到60%,无聚光系统则只能达到45%。如果效率超过30%的光伏系统能够大量生产,意义会十分重大。)在英国的南向屋顶使用效率20%的光伏电池的平均功率为:20% X 110(瓦/平方米)= 22 (瓦/平方米)(《可持续能源:事实与真相》中文版 第39-42页)

英国的纬度为51度,全世界大多数太阳能资源丰富的地区,纬度都比英国低。因此可以用书中给出的数据作为估算的参考。

除此之外,还要考虑发电站的能量损耗。一般太阳能光伏电站在设计的时候,都会根据一个理论值计算的,需要减去光伏阵列损耗、最大功率跟踪损耗、直流线缆线损、逆变器损耗变压器损耗等各种损耗,还有光伏组件的表面清洁度,以及所选用的无功补偿的效率等等。一般全站效率范围在70%~90%。考虑到科技进步的因素,我们按照80%进行估计。

综合上面的数据,可估算:每平米太阳能电池板发电为0.020千瓦*80%=0.016千瓦。每天发电0.016千瓦*24小时=0.384千瓦时。(按照24小时算是因为已经考虑了昼夜交替)

按照全球100亿人计算,每人每天都获取50千瓦时电力(考虑到各种成本,可以按80%折算,即40千瓦时),一共需要约130万平方公里土地。全球现有耕地面积约1500万平方米左右,130万平方公里占比不到10%。如果考虑沙漠发电,亚洲,非洲和美洲都有大片沙漠,用于发电的土地是足够的。

但是,把接近新疆自治区总面积这么大的地方铺满电池板,这个工程实在是令人难以想象。但由于硅资源很丰富(硅的地壳丰度为27%),所以技术上是可以办到的。每100万人口建设一个太阳能电站,一百亿人口建造1万个太阳能电站,每个电站平均占地130平方公里。尽管不一定这么做,但至少可以作为一种选项。

随着科学的发展,太阳能电池板的转化效率一直在提高,最新的电池板的转换率已经达到24%左右,有科学家正在研究转换率达到30%的电池板。但是,太阳能发电的转换效率存在物理限制:

标准的“单结”无聚光太阳电池板的理论极限,即所谓肖克莱-奎赛尔极限(S-Q极限),认为光的能量最多只有31%可转换为电能(Shockley and Queisser,1961)(主要原因是太阳能材料有一种称为“能隙”的特性,这种特性规定了能最有效转换的光子的能量谱段。太阳光包含不同能量的光子,能量低于“能隙”的光子一点都没用,超过能隙的光子可能被捕获,其超出的能量全部损失掉。)聚光镜(平面镜或透镜)既可以减低光伏太阳能系统的单位成本,也可以提高其效率。带聚光镜的太阳能电池板的S-Q极限为41%。打破S-Q极限的唯一办法是采用某种设备按波长分离光线,然后按照相应的能隙处理。这被称为多结光伏。近期,有报道带聚光镜的多结光伏系统效率在40%左右。(《可持续能源:事实与真相》 第50页)

如果在不远的将来,可以廉价生产转换效率30%的太阳能电池板,那么,所需土地面积将会减少二分之一。但即便如此,仍然需要数十万平方公里的土地放置电池板。

再看看风能

地球上的风能资源是很丰富的,比水电丰富得多,但风能资源受地形的影响较大,世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带,如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家。由于各国都在发展可再生能源,近年来风电发展很迅速。2013年,世界风电装机容量为3.2亿千瓦,约占发电总装机容量的5.6%;风电发电量约6400亿千瓦时,约占总发电量的2.9%。2000~2013年,世界风电装机容量和发电量均增长了17倍,年均增长25.0%。在美国一些风力资源丰富的州如德克萨斯州,已经有13%的电力来自风电。全球风能理事会发布的《全球风电发展展望2014》中预测,全球风电行业到2030年超前情况全球装机将达2000GW,占电力能源结构的17-19%,到2050年风能将占约25-30%的发电比重。

尽管风电很丰富,风电成本在持续下降,但是风能并不适合成为主要能源。因为风电跟太阳能一样不稳定,而且跟太阳能一样占地方。《可持续能源》一书中提到一个实例:

“苏格兰格拉斯哥附近怀特里风电场安装有140座风力发电机,峰值装机容量为322兆瓦,占地面积为55平方千米。单位面积峰值功率为6瓦/平方米、平均发电功率要小一些,因为风力发电机不能一直以峰值功率工作。平均功率和峰值功率之间之比叫负荷因子或容量因子,不同地点的负荷因子不同,不同设备负荷因子也不同,典型数值是30%,单位平均面积电能实际功率为2瓦/平方米,恰好等于我们假设的功率密度。”

如果每平方米风电实际功率为2瓦/平方米,那么即使建设占地100万平方千米的风电场,也只能为100亿人每天提供4千瓦时的电力。

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虽然风能本身的能量密度决定了它需要很大的面积,但随着风机高度的增高和风电技术的进步,风电的效率会提高,风电作为一种可再生能源的确应该尽量予以开发。如果我们把拥有最优质风能的500万平方公里土地用于风力发电,按照6m/s的风速计算,每平米平均功率为2瓦,即使考虑到各种成本,也至少应该可以为100亿人每天提供10千瓦时的电力。

水电如何?

前段时间雾霾严重的时候,许多网友都呼吁关闭火电站,但用电缺口怎么补,大家异口同声地说:水电站。一说起水电,就想到三峡水电站。一个三峡水电站一年的发电量虽然接近1000亿千瓦时,但分到中国人每天也就0.22度。那是不是多修一些大型水电站就可以而解决问题呢?并不是。

全球水能资源理论蕴藏量约43.6万亿千瓦时,技术可开发量约15.8万亿千瓦时,经济可开发量约9.3万亿千瓦时,目前全球水电年发电量超过3.7万亿千瓦时。全球技术可开发水能都用起来,按照全球100亿人计算,每人每天可获得:15.8万亿千瓦时/365/100亿=4.33千瓦时。即使理论蕴藏量都得到开发,也只能增加不到两倍的电力,每人每天可获得约12度的电。

虽然水能资源只有风能的十分之一,但水电相比风电要稳定得多。人类可以把水电充分利用起来,这样可以减少铀等裂变资源的消耗。

关键是核能

由于太阳能发电和风电不稳定且非常占地方,水电总量比较小,最后的希望就寄托在核能上了。那么,核能可以承担起这个责任吗?我们知道,核能分两种,一种是裂变能,一种是聚变能。前者已经被人类掌握,而后者仍是科学家们一直希望摘取的科学桂冠。我们分别看看,这两种能源潜力和现实性有多大。

裂变能

目前的商用核反应堆都是以铀为燃料的反应堆。装机容量1GW的一次通过核电站每年需要用铀162吨。根据国际原子能机构2015年出版的报告“Uranium 2014 Report”,全球已探明铀资源量为700多万吨,另外估计还有约700万到1千万吨的未探明的铀资源。

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(来源:http://www.oecd-nea.org/ndd/pubs/2014/7209-uranium-2014.pdf)

假如全球陆地实际铀资源为1500万吨,这些铀能用多久?截至2015年2月,全球可运行核电机组为438台,总装机为378.9吉瓦;在建69台,装机容量72.2吉瓦;计划建设核电机组184台,装机容量202.4吉瓦。2014年,天然铀需求为6.5万吨铀,需求与生产之前的缺口由库存和二次铀源补充。根据俄美之前的浓缩铀稀释协议,每年约有1500吨MOX燃料。预计到2020年世界天然铀需求约为7.7万吨铀,2025年天然铀需求约为9万吨铀,2030年天然铀需求约为11万吨。当前的有储量根本不够人类使用200年。而当前的核电还只占到电力的17%左右,比例不高,在一次能源消费中的比重更是不足5%。另一方面,当前的核反应堆会产生大量的安全性和核废料都使公众对核电非常警惕,乃至全世界左派大都反核,比如日本共产党。目前看,解决问题的希望在于新的核反应堆技术:快堆。

快堆,是“快中子反应堆”的简称,是世界上第四代先进核能系统的首选堆型,代表了第四代核能系统的发展方向。其形成的核燃料闭合式循环,可使铀资源利用率提高至60%以上,也可使核废料产生量得到最大程度的降低,实现放射性废物最小化。国际社会普遍认为,发展和推广快堆,可以从根本上解决世界能源的可持续发展和绿色发展问题。

“热中子反应堆铀资源利用率一般仅为1%,最高的理论值为1.52%,而快中子反应堆由于没有慢化剂,以及堆冷却剂和结构材料对快中子吸收的概率很小,加上钚-239核裂变放出的中子多,铀-238核裂变的概率大,所以每次核裂变放出的中子除了维持自持的链式反应之外,还可以剩余1.2~1.3个中子用来使铀-238转变为铀-239,因而可以实现核燃料的增值。快中子增值反应堆铀资源使用率可达60%~70%。1GW压水堆40年寿命中共需用6040吨天然铀,而1GW快堆40年寿命中仅需64吨铀-238。”(马栩泉 《核能开发与利用》第二版第431页)

目前,美国、俄罗斯、法国、英国、日本、德国、印度共建成不少于20座不同规模的快堆。世界总计已积累了约350堆年(一个反应堆运行一年称为一个堆年)的快堆运行经验。中国是从20世纪60年代中期开始对快堆进行研发工作的。2010年,中核集团中国原子能科学研究院自主研发的中国第一座快中子反应堆——中国实验快堆(CEFR)达到首次临界。由此,我国成为继美、英、法等国之后,世界上第八个拥有快堆技术的国家之一。2011年7月21日10时,我国第一个由快中子引起核裂变反应的中国实验快堆成功实现并网发电。福建霞浦快堆核电示范工程项目计划在2017年年底投入建设。可以预见,快堆将在不远的将来实现商用。

中核集团实验快堆

中核集团实验快堆

装机容量1GW的一次性通过核电站每年需用铀162吨。(《可持续能源:事实与真相》第179页)而快堆的铀利用率高60倍,同样装机容量的快堆每年需要用铀2.7吨。按1GW的快堆每年消耗3吨铀计算,1500万吨铀资源,可供1万个1GW的核电站运行五百年。按照每年发电时间7000小时算,1GW电站每年发电量为70亿千瓦时,一万个1GW电站年发电量为70万亿千瓦时,每天发电量约为1918亿千瓦时。按照全球100亿人口算,相当于每人每天可获得19.18千瓦时的电力。

在常规铀矿之外,还有2200万吨磷酸盐中的铀可以提取,而在技术上是已经实现过的,其成本虽然比从常规铀矿提取高,但相比从海水中提取铀要便宜很多。在快堆普及的情况下,如果把这些铀用起来,可以在500年之内为100亿人每天提供28千瓦时的电力。加上之前常规铀矿中的铀提供的19千瓦时电力,陆地铀资源一共可以在500年之内为100亿人每人每天提供47千瓦时的电力。

海水中的铀有45亿吨。但是,这些铀不是一次性就能提取出来的。海洋循环过程是缓慢的:地球上一半海水在太平洋中,太平洋深海的水循环到表面需要1600年。假设在这1600年里我们可提取10%的铀,每年可以提取28万吨。(《可持续能源:事实与真相》第180页)如果使用快堆,每年从海洋中提取的铀(28万吨)可为100亿人每天提供179千瓦时电力,仅此一项基本可以满足正常能源需要了。

可是,就目前的技术而言,从海水中提铀并不是很可取。提取这么多铀,需要很大面积的吸收材料。据《可持续能源:事实与真相》一书作者介绍,1GW核电站需要的铀如从海水中提取,需要用横截面面积达4.8平方千米、含有35万吨吸收材料(这比核电站用的钢材还要重)的笼子来提取。如果要供应几十万GW的核发电设施,则需要数百万平方公里的吸收材料,几百亿吨钢材,这个是很难想象的数字。这是比建设占地100多万平方公里的光伏电站还要浩大的工程。

不过,可以用钍发电

钍和铀一样也是一种放射性元素,钍在地壳中的丰度大约是铀的3倍。土壤中含钍量大约为百万分之六,有些矿物中含有12%的氧化钍。海水中钍的含量很低,因为氧化钍不溶于水。钍在反应堆中能够被完全利用(标准铀反应堆中仅能利用1%的天然铀)。印度在核反应堆中利用钍。如果铀资源缺乏,钍很可能会成为主要的核燃料。

钍燃料反应堆技术并不是科幻。实际上,在上世纪50年代至70年代中,美国橡树岭国家实验室的科学家,就研究利用液态氟化钍为主要燃料建造钍基熔盐核反应堆,做了很多非常重要的工作,这种反应堆还成功运行了5年之久。钍基熔盐堆是第四代反应堆核能系统的六种候选堆型之一。中科院的重大科技项目“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统”也于2011年启动。计划在2020年建成10MW钍基熔盐堆并达到临界,2030年建成示范性100MW(e)钍基熔盐堆核能系统并达到临界。据中科院微信平台的相关报道,该项目进展顺利。

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“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统项目”时间表

在钍反应堆中,每吨钍能够释放36亿千万时能量,也就是说,假设钍反应堆的效率为40%,那么1吉瓦核反应堆每年需要6吨钍。全球钍资源估计总量为600万吨,是已探明储量的4倍。与铀资源类似,这个估计可能比实际的要低,就目前而言,钍还不是高价值的矿物。和铀资源一样,假设这些资源要让60亿人用1000年,那么“可持续”的能量为人均每天4千瓦时。(《可持续能源:事实与真相》第181-182页)

如果把60亿人1000年换成100 亿人500年,得到的数字将是人均每天4.8千瓦时。这并不多。

实际上,600万吨只是目前探明的钍储量,按照地壳中钍储量是铀储量的3-4倍估计,将来还会有更多的钍矿被勘探出来。诺贝尔奖获得者卡洛·鲁比亚(Carlo Rubbia)就认为,可经济开采的钍储量比目前探明的600多万吨多300倍。如果这个数字正确,那么未来一千年里,每天可为100亿人提供人均720千瓦时的电力,或者在未来的两千年里,每天提供人均360千万时的电力,而这已经高于目前美国的人均能源消耗了。

当然,这个数字目前尚未证实。但即使我们按照当前估计的陆地铀储量3700万吨(探明常规铀+未探明预计的铀+磷酸盐矿中的铀)的3倍来推测钍的储量,也能达到11100万吨,为当前储量600吨的18.5倍。这些钍资源能在500年里,给100亿人每天提供4.8*18.5千瓦时=88.8千瓦时的电力。这些电力加上使用陆地铀资源的快堆提供的电力,一共达到88.8千瓦时+47千瓦时=135.8千瓦时。

聚变能

由从海水中提取铀的成本高和难度大,而陆地上的钍铀资源终究是有限的。人们自然会担心,在五百年之后甚至没到五百年,铀和钍可能都告急了。人类必须寻找更强大的能源,这就是聚变能。读者们对可控核聚变不太了解(笔者查阅相关资料前也一样),这里可以稍微多介绍一点。

就可控核聚变而言,有两种反应最有希望。一种是氘氚(DT)反应,氘原子和氚原子聚合形成氦原子;氘氘(DD)反应,氘原子和氘原子聚合。就人类目前的技术而言,氘氚反应优于氘氘反应,因为它能够释放出更多的能量,同时反应温度仅需1亿摄氏度,而氘氘反应则需要3亿度。

对受控核聚变的主要要求

(引自《核能开发与应用》第469页)

(引自《核能开发与应用》第469页)

近几十年来,世界大国政府和科学家们都试图掌握氘氚聚变。但由于可控核聚变技术难度很大,到目前为止,仍处于摸索和试验阶段。技术路线有惯性约束和磁约束。磁约束是目前可控核聚变研究的主流,其主要形式有托克马克和仿星器,多数实验装置都是托克马克。

近几十年来,人类虽然仍未掌握这项技术,但一直在进步。世界研究受控核聚变的装置中最好的实验结果距离实现受控核聚变(例如发电)的条件,即氘氚等离子体的三重积在5*10^22次方以上,在1969年差25000倍,在1986年差25倍,在20世界80年代差10余倍。20世纪90年代以后,国际受控核聚变取得突破性进展。1998年在日本的JT-60U托克马克装置上进行的氘氚反应实验,其等效氘氚的能量增益因子(成为Q值,即聚变反应的输出功率与输入功率之比)达到1.25。2006年日本对临界等离子体实验装置JT-60进行改良,成功地使核聚变等离子体维持了28.6秒,刷新了16.5秒的世界纪录。中国也建造了多个托克马克装置,其中最先进的是EAST(先进实验超导托卡马克)。2016年2月,EAST物理实验获重大突破,成功实现电子温度超过5000万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电。这也是目前国际托卡马克实验装置上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。之前,国际上只有欧盟和日本科学家曾获得最长为60秒的高参数偏滤器等离子体。目前,世界大国正联合建造“国际热核聚变实验堆”(ITER)。ITER装置的建造是受控热核聚变研究的新阶段,也是人类更接近实现受控聚变能的标志。

ITER主要指标

ITER主要指标

ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克。 ITER运行第一阶段的主要目标是建设一个能产生50万千瓦聚变功率、有能力维持大于400秒氘氚燃烧的托卡马克聚变堆。在ITER装置中将产生与未来商用聚变反应堆相近的氘氚燃烧等离子体,供科学家和工程师研究其性质和控制方法,这是实现聚变能必经的关键一步。在ITER装置上得到的所有结果都将直接为设计托卡马克型商用聚变堆提供依据。ITER运行的第二阶段将探索实现具有持续、稳定、高约束的高性能燃烧等离子体。这种高性能的“先进燃烧等离子体”是建造托卡马克型商用聚变堆所必要的。ITER计划在后期还将探索实现高增益的燃烧等离子体。ITER计划科学目标的实现将为商用聚变堆的建造奠定可靠的科学和工程技术基础。如果ITER进展顺利,本世纪中叶人类将可建造商用聚变堆。

由于各国的扯皮,加上可能出现的各种工程上技术上的问题,ITER计划不一定能按期完成。但在本世纪内,人类应该可以征服氘氚核聚变。但是,氚在自然界中存在极微,一般从核反应制得,用中子轰击锂可产生氚。 锂主要有锂-6和锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后,可以变成氚并放出能量。制造氚需要用锂-6。在自然界的锂中,锂-6和锂-7的比例分别是7.5% 和92.5%。根据美国地质调查局2015年发布的数据,全球已探明的锂资源储量约为3978万吨。也就是说,锂-6的储量为298.35万吨。据称,目前储量统计的是高品位锂,如果把低品位锂(每吨含20~50g)制成氚转变成聚变能,可供给全世界几百万年的能源消耗。(引自《核能开发与应用》一书第466页。)

如果我们只考虑当前的锂6储量即298.35万吨,用这些锂能发多少电呢?按照核聚变反应堆每克锂可产生2300千瓦时(《可持续能源:事实与真相》第189页)计算,一共可发电6862.05万亿千瓦时。如果为100亿人供电500年,则每人每天可得约3.7千瓦时,接近技术可开发水力资源提供的电力了。

海水中也有大量的锂,浓度为0.17ppm。按每年10万吨的提取速度,提取每克锂需要耗能2.5千瓦时。核聚变反应堆每可锂可以产生2300千瓦时,则人均每天为63千瓦时(按100亿人计算)。按照这个速度,海洋中的锂可以使用100多万年。当然,就和从海水中提取铀一样,海水中提取锂不一定经济,只能说这是一种潜在可开发的资源,如果需要,可以在这方面投入力量研发,发明廉价的海水提锂技术。

掌握氘氚反应只是第一步,下一步是掌握氘氘反应聚变。如果科学家解决了这种可控核聚变技术,那么人类真的算是找到了一个算得上是“取之不尽”的能量来源。每吨水中有33可氘,每可氘能释放10万千瓦时能量。假定全世界人口为60亿,海洋中的水平均到每个人是2.3亿吨,可以推算,即使世界人口增加10倍,人均每天能用30000千瓦时(这是美国人均能耗的100倍),也能持续使用100万年。(《可持续能源:事实与真相》第189页)如果可持续使用(每人每天195千瓦时),可以用上亿年。当然,就人类目前的科学水平而言,还估计不出来要多少年才能掌握氘氘聚变。假如本世纪内全世界建成了社会主义社会中,那人类还有500年时间可以研发这项技术。尽管这项技术现在看来遥不可及,但是,在社会主义制度取代资本主义制度之后,经济发展将以人们的需要而不是利润为导向,包括科研工作者在内的全体劳动人民将以主人翁的态度来从事创新工作,而目前阻碍着科技进步的社会障碍都会被扫除。相信未来的人们能够找到人类社会的长远出路。

新能源如何支撑社会主义社会?

我们在前面已经假定过,一个丰裕的社会主义社会的人均能耗应该是每天195千瓦时,一年71175千瓦时,相当于6.2吨标准油。据BP2015能源报告,2014年全球人均一次能源消费量约为130亿吨标准油/70亿=1.85吨标准油。中国的人均一次能源消耗为2.17吨标准油,日本为3.59吨,德国为3.84吨,英国为2.91吨,美国为7.2吨。人均每天195千瓦时的能源消耗是目前全球人均一次能源消耗的3.3倍,中国的2.85倍,高于绝大多数发达国家水平,比美国略低。人均能耗达到这个水平的社会,应该可算是比较丰裕的社会。而且,参照历史经验,社会主义社会往往会在公共交通等方面大力投入,工作和居住的计划也会减少不必要的交通能耗,这也就意味着,相比资本主义社会中来说,可以有更多能源用于其他享受。

由于不考虑化石能源,这195千瓦时的电力,全部要靠可再生能源(太阳能发电、风电、水电)和核电提供。

原则上讲,太阳能能够提供全部所需电力,但由于光伏发电对土地的消耗太大,而且它跟风能一样,不够稳定。即使未来大力发展太阳能,最多也就能够发展到100多万平方公里的太阳能电站,每天可提供人均40千瓦时电力,占195千瓦时的20%左右。

风电每天能提供人均10千瓦时的电力,占195千瓦时的5%。

水电每天能提供人均4.33千瓦时的电力,占195千瓦时的2.2%。

这些电力加在一起,达到54.33千瓦时,不足195千瓦时的三分之一。因此,光是靠可再生能源是不够的,除非我们用更多的土地建造太阳能电场和风电场,否则就必须靠核能来补充。

前面已经算过,陆地的铀资源和(预计的)钍资源,可在500年内为100亿人每天提供135.8千瓦时的电力,占到195千瓦时的百分之七十。由于核裂变的稳定性和能量密度远远高于风电和水电,技术可行性比可控核聚变技术高得多,所以在可控核聚变技术完全成熟之前(即掌握氘氘反应聚变之前),以快堆和钍堆为主的核裂变发电站是社会主义社会能源工业的基干。

未来500年内,可再生能源和核裂变反应堆可以为100亿人每人每天提供190千瓦时的电力,只要稍微增加太阳能电场和风电场的面积,即可达到195千瓦时的目标。如果ITER计划成功,人类可以利用锂来发电,保守估计每年可提供的电力与水电相当。

太阳能发电、风电、水电都是已经得到广泛应用的技术,而且科技进步还将进一步提高可再生能源的发电效率。快堆和钍熔盐堆也是各大国正在大力研发的第四代核反应堆堆型,有很大的可能在未来30年内商用。这也就意味着,即使人类在一两百年掌握不了可控核聚变技术,依然可以建成共产主义第一阶段即社会主义,而且是丰裕的社会主义。只要人类在五百年的时间里能够发展出(氘氘反应的)可控核聚变技术,人类就拥有了取之不尽用之不竭的能源,从而具备向共产主义高级阶段过渡的物质条件。我们有充分的理由相信,劳动人民可以有更美好的未来,人类可以有更美好的未来,能源危机环境危机都将随着社会主义的胜利而消失。

 

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