丰富的能源

丰富的能源

法国物理学家贝克勒耳在1896年发现了天然放射性，那以后只过了5年，居里就测到了镭在衰变时放出的热量。这一重大发现第一次表明，在原子内部的什么地方，存在着在那以前谁也未曾料到的巨大能量。

这一发现一公布，马上就有人去猜想利用这种能量的可能性。英国的科学幻想作家威尔斯（H.G.Wells）甚至想到了有可能根据这一现象来制造他所说的“原子弹”。

然而，人们不久就明白，要释放出这种原子能（确切些说，是“核能”，因为这是把原子核聚集在一起的那种能量，并不涉及参与化学反应的外层电子），必须先向原子注入能量。也就是说，必须先用带正电的高能亚原子粒子去轰击原子。在轰击原子的那些带正电的亚原子粒子中只有极少数能击中原子核，而击中原子的亚原子粒子，又只有极少数能克服带正电的原子核的斥力去扰动原子核的内部，导致它释放能量。结果，要原子核释放能量，反而要向它注入更多的能量。这样看来，利用原子核的能量似乎是根本不可能的。

可是，到1932年，查德威克（James Chadwick，1891—1974）发现了一种新的亚原子粒子。这种亚原子粒子不带电荷，查德威克给它取名为“中子”。正因为中子不带电荷，它能不受带电的原子核的斥力而接近原子核。因此，让中子与原子核发生碰撞而进入原子核，并不要求中子带有太多能量。

于是，中子很快就成了受欢迎的轰击原子核的亚原子“子弹”。1934年，意大利物理学家费米（Enrico Fermi，1901—1954）在实验用中子去轰击原子，希望能把受轰击的原子变成周期表上下一位元素的原子。铀是第92号元素，在元素周期表里原子序数最高。当时还不知道有第93号元素，费米也用中子去轰击铀，希望能得到这种未知的93号元素。

然而，费米的实验结果出人意料。其他一些物理学家重做费米的实验，希望搞个水落石出；这其中最著名的是德国物理学家哈恩（Otto Hahn，1879—1968）和他的奥地利同事迈特纳（Lise Meitner，1878—1968）所做的工作。迈特纳在1938年底突然想到，铀原子很可能是在受到一个中子的轰击后分裂成了两个碎片（“铀裂变”）。

迈特纳当时住在瑞典。她是犹太人，为了逃避纳粹德国的迫害而流亡到那里。她在1939年初把她的想法告诉了丹麦物理学家玻尔（Niels Bohr，1885—1962），后者又把这种想法带到美国。

一位匈牙利出生的美国物理学家西拉（Leo Szilard，1898—1964）看到了这一认识的重大意义。一个铀原子在裂变时会放出大量能量，其数量比轰击它的慢中子的那点能量大得多。不仅如此，一个铀原子在裂变时还会放出两个或三个中子，它们每一个都有可能再各自击中一个铀原子，而这些铀原子每一个再放出两个或三个中子，这些中子又都可能各自又击中一个铀原子；如此等等。

这个过程叫做“链式反应”，发生在几分之一秒钟的极短暂时间，结果很可能导致一场威力巨大的爆炸。所有这一切只是由一个中子引起的，而这个中子很可能就是原来在空中游荡的中子，并没有谁有意识地安排它去轰击铀原子。

他先建议美国科学家对他们的有关研究工作保密（因为德国正要发动它对文明世界的战争）。接着，他又劝说爱因斯坦就这件事写信给罗斯福总统，请求他支持这项研究工作。到第二次世界大战结束以前，美国总共制造出3颗铀裂变炸弹。一颗在1945年7月16日投在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯进行试验，证明十分成功。另外两颗则投在日本上空。

这期间，科学家也一直在研究如何让铀在人为控制条件下进行裂变。也就是说，设法控制铀裂变的速率，让它保持在某个安全水平，并在那个水平一直裂变下去。这时候，铀裂变就像燃烧煤和石油那样会源源放出热来，然后用来产生电力。

到20世纪50年代，美国、英国和苏联已经相继建成好几个由铀裂变作动力的发电站。自那时以来，许多国家竞相仿效，陆续又建成许许多多这样的“核裂变反应堆”，为满足世界的能源需要作出了相当大的贡献。

利用核裂变反应堆作为能源有好些优点。首先，就消耗同样重量的燃料而言，铀所产生的能量要比燃烧煤或石油得到的能量多得多。尽管铀并不是一种常见金属，但是，全世界铀的储量所能提供的能量，据估计，已经是全部化石燃料所储存的能量的10—100倍。

然而，铀至今未能很好地发挥作用。其中一个原因，就是铀有两种，而只有其中一种才能发生裂变。铀分铀238和铀235两种，只有铀235在受到慢中子轰击时才能发生裂变。可是，铀235在自然界发现的铀中只占0.7%。

不过，我们有可能设计出这样一种核裂变反应堆，让它的裂变芯外面包围着一层普通的铀238或者类似的金属钍232。从裂变芯泄漏出来的中子将击中铀原子或钍原子。这虽然不会引起它们裂变，却会把它们变成其他类型的原子，后者在适当条件下则有可能发生裂变。这种反应堆一面慢慢消耗它原来的燃料铀235，一面却在增殖出新的燃料，可裂变的钚239或铀233。事实上，增殖的燃料甚至比消耗的燃料还要多。因此，这种反应堆叫做“增殖反应堆”。

到目前为止，几乎所有正在使用的核裂变反应堆都不是增殖反应堆。但是，已经建成的增殖反应堆却有好几个，而且随时都能再建造出来。如果利用增殖反应堆，那么，世界上所有的铀和钍都可以最终发生裂变，用来产生能量。用这种办法，人类通过核裂变所能获得的能量至少是全部化石燃料储量所能提供能量的3000倍。

利用普通核裂变反应堆，人类按照目前的耗能水准，将能维持能量消费数百年。若利用增殖反应堆，将能维持数十万年。这样长的时间，我们一定能在能源储备远没有用光之前想出更好的对策来。而且，核裂变反应堆，不论普通型的还是增殖型的，都不产生二氧化碳，甚至不对空气造成任何化学污染。

核裂变反应堆有这么多优点，是否有缺点呢？有的。第一，铀和钍在地壳中非常分散，难于发现和开采。实际上，地壳中存在的铀和钍，恐怕能真正用上的不多。第二，核裂变反应堆是花费很大的装置，难于维护，修理更加困难。第三，也是最重要的，核裂变反应堆会产生一种新的、特别危险的污染——硬辐射污染。

铀原子裂变时会产生一系列较小的原子，它们的放射性强度比铀本身还要强得多。这种放射性要过很长时间才能慢慢减弱到安全水平。对于有些这样的原子，这个时间长达数千年。这种“放射性灰烬”极其危险，因为它们的放射性就同核弹一样可以让人丧命，只不过是慢慢折磨人，不易引起人注意罢了。如果人类对能量的需要全由核裂变反应堆提供的话，它们每一年产生的放射性灰烬所具有的放射性总量便会相当于爆炸了数百万颗核裂变炸弹。

放射性灰烬必须储藏在安全的地点，在数千年里，都不能泄漏到环境中。譬如说，我们可以把它们储藏在不锈钢容器中，或者，把它们掺进熔化的玻璃中，然后再让玻璃凝固。这样的不锈钢容器或者玻璃，又可以放进地下盐矿，储放在南极，或者抛入海洋底部的沉积物中，等等。到目前为止，人们已经提出过种种处置办法，它们看起来都有一定的可靠性，但是还没有哪一种办法能让人人放心。

此外，核裂变反应堆总还有发生事故的可能。反应堆的设计自然十分精心，不可能发生爆炸事故。但是，由于使用的裂变原料数量很大，一旦裂变反应失控加快，超过了安全熔点，芯部的裂变材料便会升温熔化，穿透防护罩外溢出来，从而导致大面积致命的放射性污染。

对于增殖反应堆，许多人更感到害怕。这是因为，增殖反应堆使用的燃料常常是金属钚，而钚的放射性比铀还要强，而且能保持数十万年。有人甚至认为钚是地球上最危险的物质。他们担心，一旦钚变得太多，它就有可能散逸到环境中，把地球名副其实地毒化，使之根本无法住人。

有人还担心钚会使恐怖活动更加嚣张。倘若恐怖分子搞到一些钚在手，他们就有可能以搞爆炸或投毒进行恫吓，讹诈全世界。钚是恐怖分子迄今能弄到手的比任何其他东西都要可怕得多的武器。

由于目前尚无任何办法能让人放心这样的事情绝不会发生，反对建造核裂变反应堆的人现在竟越来越多。所以，核裂变反应堆发电厂的发展一直相当缓慢，远不如20世纪50年代人们的预期。那时候，核裂变反应堆刚投入使用，人们原以为这项技术会迅速得到推广，将迎来一个能源充足的新时代。

不过，裂变并不是获得核能的唯一途径。宇宙间的主要能源，其实都是由氢核（最简单的原子核）聚合成氦核（次简单的原子核）的核反应产生的。德国出生的美国物理学家贝特早在1938年就正确地指出，正是这种“氢聚变”为恒星提供了能量。

第二次世界大战一结束，物理学家就着手进行研究，希望在实验室实现氢聚变。为此，他们需要高达数百万度的高温，还需要在把氢气加热到这样极高温度的过程中让氢气约束在一个地点。太阳和其他恒星把它们的核心约束在一处而不散，靠的是巨大的引力场，而在地球上，却没有这样的条件。

出路有一条，那就是尽可能快地升高氢气的温度，让它来不及膨胀和飘散就加热到足以发生聚变。核裂变炸弹就可以用来干这件事。1952年，美国爆炸了一颗核弹，其中就是用铀的裂变来触发氢的聚变。紧接着，前苏联跟上来，也爆炸了它的一颗同样的核弹。

这种核弹叫做“核聚变炸弹”，或者“氢弹”。它的爆炸威力比核裂变炸弹大得多，还从未在战争中使用过。因为核聚变炸弹发生爆炸要求有非常高的温度，人们也称之为“热核弹”。前面说到的有可能引起一场第四类灾变的那种“热核战争”，就是以使用这种热核弹为其特点。

但是，氢聚变能够像铀裂变那样加以控制，驯顺地产生能量吗？英国物理学家劳森（John David Lawson，1923—2008）在1957年指出了这样做所要求的条件。氢必须要有一定的密度，达到一定的温度，并保持那个温度一定时间而不致散逸掉。这三个性质中任有一条若差一些，就必须提高对另一条或两条性质的要求加以补偿。自那以后，美国、英国和前苏联的科学家一直在加紧努力，希望能满足这三个条件。

氢原子有三种类型，即氢1、氢2和氢3。氢1就是普通的氢，而氢2和氢3分别叫做“氘”和“氚”。比起氢1来，氢2在较低的温度便能发生聚变，而氢3发生聚变的温度更低（在地球条件下，甚至发生聚变的最低温度也有数千万度）。

氢3是放射性原子，自然界中几乎不存在这种原子。我们可以在实验室里制造出氢3，但其数量太少。因此，氢2就成了氢聚变的主要燃料，若添加一点氢3，则聚变温度还可以降低。

氢2比起氢1来也要少得多。每10万个氢原子中，只有15个原子是氢2。即使如此，每4升海水中也有足够量的氢2，通过它们的聚变所能得到的能量相当于燃烧1400升汽油所产生的能量。海洋是如此辽阔（海水的每三个原子中就有一个原子是氢），因此，海洋中有足够数量的氢2，可以用它们来产生能量，以目前的消耗水准供应我们几十亿年。

核聚变在许多方面都优于核裂变。首先，就等重量而言，通过聚变所能获取的能量要比通过裂变获取的能量多得多，前者大约是后者的10倍。作为聚变燃料的氢2也要比铀或钍更容易获得，更容易照管。一旦氢2开始聚变，以后任何时候用到的氢2就只有极少一点。因此，即使聚变失去控制，所有可发生聚变的原料一下子都用光，结果也只发生一次非常小的爆炸而已，几乎不引起注意。其次，氢聚变还不会产生放射性灰烬，主要产物氦是已知的最安全的物质。聚变过程要产生一些氢3和中子，两者都是危险的东西，但产量极少，而且，它们还能进入再循环，在紧接着的聚变中被利用上。

从各方面来看，核聚变似乎是一种理想的能源。可惜，我们目前仍是可望而不可及。科学家们虽然努力了多年，现在仍不能把足够多的氢在足够高的温度下聚集在一处保持足够长的时间，因此，他们仍未能使氢在受控条件下发生聚变。

科学家们正在从好几个方向来解决这个难题。一个方向是，让温度缓慢地升高，但用精心设计的强磁场来把带电粒子长时间地聚集在一处。另两个方向则都是迅速地升高温度，不过并不是用核裂变炸弹，而是或者利用激光，或者利用电子束。我们有理由相信，在20世纪80年代，这三种办法中会有一种成功，甚至三者同时成功。到那时，在实验室里进行受控核聚变就会成为事实。不过，真正建造大型核聚变发电站，对人类的能源需要作出重大贡献，恐怕还需要几十年的时间。

撇开氢聚变不谈，其实还存在着另一种既安全，又取不尽的丰富能源。这就是太阳辐射。照射到地球的太阳光能量仅有2%被植物的光合作用利用，然后，再转而被动物利用。剩下的太阳光能量至少还有人类所需要的全部能量的1万倍。这样大数量的太阳辐射当然绝不是毫无用处。太阳光使海洋蒸发，然后产生雨和流水，实际上是地球上淡水的来源。太阳光还产生洋流和风。也是太阳光使地球温暖宜人，适于居住。

尽管如此，人类似乎没有任何理由不去设法直接利用太阳辐射。如果我们能做到这一点，那么最后结果只是太阳辐射转变成了热量，而什么也没有失去。这种情况就像是在雨中行走。雨水仍然掉到了地面，顺地势流淌，但是我们曾暂时截留过雨水：一场雨水浴会使我们精神振奋。

诚然，直接利用太阳能有一个重大困难：太阳能虽然丰富，却十分稀薄。它薄薄地散布在广大面积，收集起来加以利用绝非易事。

小规模地利用太阳能，由来已久。在冬季，阳光从朝南的玻璃窗射进屋内，而玻璃对于红外光形式的再辐射却相对说来并不透明。这样，房间便通过温室效应变得暖和起来，可以少用取暖燃料。

这种利用太阳能的方式当然可以加以改进。在向南倾斜的房顶（在南半球应是向北倾斜的房顶）上安装一些水箱，用它吸收太阳光产生的热量，就可以保证用户始终有热水使用。这种办法也可以为房舍供暖，甚至在夏季用来驱动空调设备。如果把太阳电池曝露在阳光下，太阳辐射还能直接转变为电力。

当然，太阳光并不是每时每刻都有。夜间就没有太阳光，即使在白天，云雾的遮挡有时也会让射达地面的太阳光少到无法利用。还有一种情形，那就是一所房屋在白天的某些时候会被其他建筑或被小山和树木遮荫。现在还没有一种满意的方法能把有阳光照射时的太阳能储存起来供无阳光时使用。

要想用太阳来满足全世界的能源需要，而不是像现在这样一家一户利用太阳能，可能需要把近10万平方千米面积的沙漠全都铺盖上太阳电池。这样大的工程，施工和维护的费用自然非常浩大。

不过，收集太阳能不一定非在地面进行，也可以到近地空间中去。把一大块太阳电池组安放在位于赤道平面，距地面3.3万千米的高空轨道上，它就可以24小时的周期围绕地球运转。这是一条“同步轨道”，在该轨道上的载有太阳电池的空间站在地面看起来就像静止一样。

这样的太阳电池组将彻底曝露在太阳的辐射下，永不受大气影响。在一年中，它只有大概2%的时间会处于地球阴影中，因而基本不需要把能量储存起来。有人估计，同样面积的一块太阳电池组，它在同步轨道上产生的电力将是在地面上的60倍。

空间站上所生产的电力可以先转变成微波辐射，集束送回地面的接收站，然后再还原成电力。在赤道平面上布置100个这样的空间站，那将是一个非常丰富的能源，只要太阳存在，就永不会枯竭。

假定人类能和平相处不致自相残杀，未来的前景将是怎样呢？看来，到2020年，不仅会有一些核聚变发电站在世界各地运行，还会有几个太阳能空间发电站在空间先行工作。我们肯定能利用化石燃料和其他能源坚持到那个时候。只要有和平的环境，只要人类能和睦相处，那么，目前折磨着我们的能源危机就有可能从长远观点看根本不是什么危机。不仅如此，以太阳能空间站为先驱的开发空间的工作还能够走得更远。人类可以在空间建造实验室和天文台，还有一些空间住所居住着建造这些设施的工作人员。人类也可能到月球上去建立矿场，开采建造空间所需要的大部分原材料（尽管在一段时间里，碳、氮和氢还要靠地球供应）。

最后，地球上的许多工厂都将搬迁到空间去，小行星将被采掘，人类将把足迹伸延到整个太阳系，必要时甚至向恒星进发。这真是一幅美好前景，我们或许会以为一切难题都可以解决，没有什么值得担忧。殊不知，正是这种胜利本身会带来一系列问题。我写下后面这最后一章，就是为了介绍因胜利而可能引起的那些灾变。

【注释】

(1)地中海东岸的古国，约今黎巴嫩和叙利亚的沿海一带。——译者

(2)人类从事探险活动的一个主要动机就是寻找在当地已无法得到的各种资源。15—16世纪那几次著名的航海活动，主要目的既不是扩大地理知识，也不是扩张欧洲人的政治势力，而是寻找当时欧洲人没有，却又十分想得到的那些产品，如黄金、丝绸和香料等。

(3)此处似应为3600万吨。——译者

(4)当然两者都不是以单质形式存在，而是以溶解在海水中的化合物形式存在。

(5)人类还大力开展了戒烟运动，因为烟草的烟含有致癌物质，不仅危害吸烟者，也影响非吸烟者。不幸的是，吸烟者一旦上瘾，多半不会听劝告，而且烟草商也总是宁可要癌症，也舍不得放弃高额利润。

(6)我们在后面会看到，过多的二氧化碳也有危险。

(7)这里只讨论物质污染。还有一些无法用再循环解决的其他形式的污染，我们将在后面讨论。

(8)虽然也用从动物和植物取得的脂肪、油脂和蜡来点灯和制蜡烛，但数量很少。

(9)诚然，温室效应会被工业活动排放到大气中的尘埃的逆效应抵消一部分。尘埃会使大气把更多的太阳光反射回空间，从而倾向于使地球变冷。20世纪70年代我们的确就遇上过几次特别寒冷的冬天。然而，归根结底，二氧化碳的加温效应还是必然要占上风。如果在污染达到危险水平时我们采取措施去净化大气的话，那就尤其如此。